环形工件近表面缺陷复合磁化磁痕显示特性分析

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：
H
2 1
+
H
2 2
=
H
2 m
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
关键词：环形工件；复合磁化；磁粉检测 中图分类号：TH878 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2017）05（上）-0046-02
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。
意图见图 3。
中心导体兼磁轭
图 3 环形件磁粉探伤设wenku.baidu.com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。
近表面通孔（模拟缺陷）
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。
H1 = HmSin(ωt − Φ)
H2 = HmSinωt
合成后：
(2H m
H12 sin α ⋅sin φ )2
22
+
(2H m
H
2 2
cos α ⋅ cos φ )2
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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）
摘要：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。
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）。
22
=1
式中，α——两磁场方向间角，φ 为相应的激
磁电流的相位差。
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中国设备工程 2017.05 ( 上 )
180°
360°
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。
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。
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。
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，
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图 5 磁粉团显微镜下分布图
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。