环形工件近表面缺陷复合磁化磁痕显示特性分析

张弢

（中车哈尔滨车辆有限公司，黑龙江 哈尔滨 150056）

环形工件近表面缺陷复合磁化磁痕显示特性分析

张弢

（中车哈尔滨车辆有限公司，黑龙江 哈尔滨 150056）

在一种环形工件磁粉探伤工序检查过程中发现，该工件的近表面纵向缺陷，在进行复合磁化时，纵向磁痕显示随磁化强度的增加，磁痕出现有分散甚至消失的现象。针对存在的这种现象，进行理论分析和实验验证，并提出了解决措施，确保工件的检测结果安全可靠。

环形工件；复合磁化；磁粉检测

在对一种环形工件进行磁粉探伤时，工件上靠近外侧纵向的近表面缺陷的磁痕显示不稳定，按照常规的探伤工艺要求，磁悬液停止喷淋后，应再磁化2～3次，以使磁痕稳定，但实际工作中发现，在停止喷液后，随着磁化次数、磁场强度的增加，磁痕显示不仅没有稳定，反而出现发散甚至消失的现象，这对于检测结果的可靠性产生了极大的影响，有必要深入分析，查找原因并加以解决，以保证探伤结果的安全、稳定、可靠。环形工件上的近表面模拟缺陷示意图见图1。

图1 环形工件上的近表面模拟缺陷示意图

1 原因查找与分析

（1）磁粉探伤设备的工作原理：探伤环形工件时，为提高探伤效率，设备在设计中多采用复合（多项）磁化的方法，由于环形件自身形状的特点，往往采用中心导体法与感应电流法的交流—交流复合磁化方式。为了减少设备的复杂度，通常采用的交流电均不进行相位处理，仅采用相位差为120的交流电。其特点是，磁场复合叠加后，合成磁场会呈现椭圆方式，即：各不同方向的磁场不均匀。相位差120°时的复合磁场见图2。

式中，α——两磁场方向间角，φ为相应的激磁电流的相位差。

图2 相位差120°时的复合磁场

可见，这是一个椭圆方程，合成磁场各方向的强度并不相等，会造成不同方向的缺陷，探伤灵敏度的不一致。此种情况一般是可以接受的，只要最低的磁场强度达到规范的要求，探伤结果仍然可靠。为了获得各方向均匀一致的磁场，需要将励磁电流的相位差调整到90°，同时，在相互两垂直方向进行磁化，此时，合成磁场的方程将变为：

可见，此时的合成磁场为圆形，各方向的磁场强度均匀一致，这种磁化效果虽然不是不能实现，但设备复杂程度将大大增加，因此，实际上往往不用此种方式磁化工件。环形件磁粉探伤设备原理示意图见图3。

图3 环形件磁粉探伤设备原理示意图

（2）中心导体法磁化与感应电流法复合时的特点。磁粉探伤时，虽然磁化规范由电流或磁场强度确定，但本质上，工件内部必须产生足够的大的磁感应强度B，与磁场强度相比，中间相差一个系数，就是磁导率μ，对铁磁性材料而言，其磁导率均较高，所以，工件内可以产生较大的磁感应强度。由于中心导体产生磁场强度H=I/(2πr),工件内半径比外半径r小，因而钢管内壁磁场强度和磁感应强度都大，探伤灵敏度高，外壁表面磁场强度和磁感应强度都相对较小，探伤灵敏度相对较低。

但是，感应电流法与此刚好相反，由于感应电流亦为交流电，所以其趋肤效应必然存在，且

式中，f——交流电频率；σ——材料的电导率；μ——材料的磁导率。

从式中可以看出，由于铁磁性材料的磁导率相对较高，因为趋肤深度会更小，即电流密度更近表面较大，对表面缺陷有更好的检出能力，但在近表面，会有明显的磁场强度减弱。

综上分析，当采用中心导体法与感应电流法进行复合磁化时，会有明显的各不同位置复合效果不同，磁场强度的分布更复杂，各向异性也会更加突出。近表面缺陷的漏磁场复合时与表面复合时将必然存在较大的差异（图4）。

图4 中心导体法磁场分布和感应电流法的趋肤效应

（3）其它影响因素。磁粉探伤中，在磁悬液停止喷淋后，在进行磁化时，没有磁粉的必要补充，是造成这种现象的另一个因素，磁痕形成后，由于形成的时间短，磁痕内部必然存有一定量的载液，这使得磁痕本身仍具有一定的流动性，当外界磁场发生变化时，磁粉必定受磁场影响而发生流动，造成磁痕的分散甚至消失（图5）。

图5 磁粉团显微镜下分布图

2 分析结果的验证情况

第一，在使用单项磁化对工件探伤时，磁痕处于相对稳定状态，停止喷淋后，多次磁化，磁痕仍处于稳定状态，说明这种现象的原因与磁场的复合状态有关，即周向电流和纵向电流的匹配效果有关。第二，当工件上人工模拟缺陷处于磁悬液可补充的位置进行喷淋磁化时，磁痕显示相对稳定，说明磁悬液补充量与显示效果有关。第三，改变电流值，当中心导体法设定的电流越大时，磁痕分散现象越明显。第四，以水悬液和油悬液进行试验比对，在条件相同时，水悬液磁痕显示相对稳定，说明水悬液形成磁痕后，能更快的让水从磁痕中流出，磁痕自身的流动性差，使磁痕更加稳定。第五，在其它条件相同时，以1.4mL/100mL、2.0 mL/100mL、2.6 mL/100mL三种磁悬液浓度进行试验，分散现象无明显差异，说明此种现象与磁悬液浓度无关。

综合评价以上实验结果，表明前面的理论分析是正确的，与实际情况保持了很好的一致性。

3 解决措施

通过理论分析和实验的验证，最终确定轴承外圈实物试块人工缺陷磁痕显示分散的影响因素主要是磁场的复合状态，即周向电流和纵向电流的匹配效果。

为了消除这种磁痕显示分散现象，保证试块上纵向人工缺陷的清晰显示，在实际工作中，应采用以下方式加以解决：第一，采用中心导体法与感应电流法符合磁化的设备，为发现工件靠近外侧近表面缺陷时，不宜采用复合磁化方式，可采用纵向单项磁化的方法，来保证此类缺陷的磁痕稳定。第二，若仅为发现工件表面的缺陷，采用复合磁化的方法对检测结果没有明显的影响，即：表面缺陷与近表面缺陷，在磁场复合效果上存在差异，尤其是表面裂纹类缺陷，因其具有较大的深宽比，因而磁痕基本不受影响。第三，通过采用以上方法，在实际探伤过程中，发现了多个近表面的纵向缺陷，为保证产品质量提供了可靠的依据。

4 结语

实际探伤过程中，经常会出现与常规理论不一致的现象，对这些现象要从人、机、料、法、测等多个方面进行充分的分析，并经过实践的验证，找到问题的真正原因，采取合理可行的手段和方法加以解决，确保探伤结果的真实可靠。

[1]赵凯华，陈熙谋.电磁学[M].高等教育出版社.

[2]中国机械工程学会无损检测分会.磁粉检测[M].机械工业出版社.

TH878

A

1671-0711（2017）05（上）-0046-02