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磁粉检测(1)
双击自动滚屏 发布者:chianweld 发布时间:1/23/2007 阅读:22902

 

 

    

 

 (一)

 

 

1. 概述

当被磁化的铁磁性材料表面或近表面存在缺陷(或组织状态的变化)从而导致该处的磁阻有足够的变大时,在材料表面空间可形成漏磁场,如图1所示。将微细的铁磁性粉末(磁粉)施加在此表面上,漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示出缺陷的存在及形状,是为磁粉检测。据此,磁粉检测乃是漏磁场检测的一种方法。

磁粉法的优点是:①能直观显示缺陷的形状、位置、大小,并可大致确定其性质;②具有高的灵敏度,可检出的缺陷最小宽度可为约1μm;③几乎不受试件大小和形状的限制;④检测速度快,工艺简单,费用低廉。

局限性是:①只能用于铁磁性材料;②只能发现表面和近表面缺陷,可探测的深度一般在12mm;③磁化场的方向应与缺陷的主平面相交,夹角应在45°~90°,有时,还需从不同方向进行多次磁化;④不能确定缺陷的埋深和自身高度;⑤宽而浅的缺陷也难以检出;⑥也不是所有铁磁性材料都能采用,铁素体钢当磁场强度H2500A/m时,相对磁导率应是μr300,不锈钢的铁素体含量应大于70%;⑦检测后常需退磁和清洗;⑧试件表面不得有油脂或其他能粘附磁粉的物质。

磁粉检测根据磁化试件的方法可分永久磁铁法、直流电法、交流电法等,根据磁粉的施加可分为干粉和湿粉法;而根据试件在磁化的同时即施加磁粉并进行检测还是在磁化源切断后利用剩磁进行检测,又可分为连续法和剩磁法。

2. 磁粉检测基础知识

2.1 磁场

磁铁或载电流导体周围受磁性作用的空间称为磁场。

表征磁场方向和大小的量称为磁场强度,常用符号H表示,磁场强度的方向由载电流的小线圈在磁场中取稳定平衡位置时线圈法线的方向确定;磁场强度的大小则由线圈法线垂直于磁场强度方向的位置时作用于线圈上的力偶矩来决定。磁场强度的法定计量单位为安〔培〕每米,A/m等于与一根通以1A电流的长导线相距(π/2m的地方发生的磁场强度。先前的单位奥斯特(Oe)已经废除,1Oe=(1000/4π)A/m

2.2 磁感应强度

将原来不具磁性的可磁化材料放入磁场强度为H的外磁场,此材料可被磁化,这时,除原来的外磁场外,在磁化状态下的该材料还将产生自己的附加磁场,这两个磁场叠加起来的总磁场用磁感应强度这一物理量表示,其符号为B

磁感应强度是矢量,可以用磁力线(磁感应线)表示,磁感应强度值的大小可用穿过垂直磁力线的单位面积上的磁感应线的根数表示,所以,磁感应强度又称磁通密度。(B=φ/S)。

磁感应强度的法定计量单位为特〔斯拉〕,T,等于每平方米面积上通过一条磁感应线的磁感应强度。先前所用的单位高斯(Gs)已废除,1Gs10-4T

2.3 磁导率

磁导率表示材料补化的难易程度,反映了不同磁能力的强弱,磁导率的符号用μ表示,单位为亨〔利〕每米,H/m

在真空中磁导率为一不变的常数用μo表示,μo4π×10-7H/m

为了比较各种材料的导磁能力,常将任一种材料的磁导率和真空磁导率的比值用作该材料的相对磁导率,用μr表示,μr=μ/μo

磁场强度H,磁感应强度B和磁导率μ之间的关系可表示为μ=B/H

2.4 磁性材料的分类

磁场对所有材料都有不同程度的影响,当磁场是外磁场时,可依据相应的磁特性的变化,将材料分为3类。

1)抗磁材料

置于外磁场中时,呈现非常微弱的磁性,其附加磁场与外磁场方向相反,铜、铋、锌等属此类(μ<1)。

2)顺磁材料

置于外磁场中时也呈现微弱的磁性,但附加磁场与外磁场方向相同,铝、铂、铬等属此类(μ=1)。

3)铁磁性材料

置于外磁场中时,能产生很强的与外磁场方向相同的附加磁场,铁、钴、镍和它们的许多合金属此类(μ»1)。

一块未被磁化的铁磁性材料放入外磁场中时,随着外磁场强度H的增大,材料中的磁通密度(B)开始时增加是很快的,如图2a中曲线α所示;而后增加较慢直至达到饱和点。当磁场强度逐步回到零时,材料中的磁通密度(B)不为零而是保持在b点的BF值(图2b所示),BF称为剩余磁感应强度(剩磁)。要使材料中的磁通密度(B)减少到零,必须使外磁场反向,使B减少到零所须施加的反向磁场强度Hc称为矫顽力(图2c所示)。如果反向磁场强度继续增大,B可再次达到饱和值(见图2d),当H从负值回到零时,材料具有反方向的剩磁-Br(见图2b中之点e),磁场强度过零再沿正方向增加时,曲线经过图2d中的点ƒ回到图2a的α点,完成一个循环,这条闭合曲线称为材料的磁滞迥线。如果磁滞迥线是细长的(如图2e),通常说明这材料是低顽磁性(低剩磁)的,易于磁化;而宽的迥线(如图2f所示),说明这材料具有高的顽磁性,较难磁化。

2.5 漏磁场与反磁场

1)漏磁场

缺陷只有形成漏磁场方可被显示,影响漏磁场的因素有:

1) 外加磁化场

一般说来,当铁磁性材料的磁感应强度达到饱和值的80%左右,漏磁场可迅速增大。

2) 缺陷位置及形状

① 同样的缺陷位于表面时漏磁通多,位于表面下时漏磁通可显著变小。

② 裂纹的开裂面垂直于钢材表面漏磁场最强也最有利于检出,若与表面平行则几乎不产生漏磁场。

③ 同样宽度的表面缺陷如果深度不同产生的漏磁场也不同,在一定的范围内,两者几呈线性关系。

④ 缺陷的宽度很小时,漏磁通随宽度的增加而增加,宽度很大时,漏磁通反而要下降。

⑤ 缺陷深度与宽度之比值是影响漏磁场的一个重要因素,这比单独考虑深度或宽度更有意义,深宽比大漏磁场可愈大,缺陷可愈易发现。

3) 试件表面覆盖层及材料磁特性。

2)反磁场

相对于漏磁场,有磁极试件产生反磁场如图3所示,这将对漏磁场的显示起消退作用,这作用的大小与试件的长度直径比(L/D)有关。

3. 产生磁场的方法(磁化方法)

磁力线应尽可能与缺陷主平面垂直,以产生足够的漏磁场使缺陷显示最为清晰。由于缺陷可能有多种取向,且有时难以预计,发展了各种不同的磁化方法以便在试件上建立不同方向的磁场,一般分为①周向磁化:磁化源所建立的磁回路完全处于试件之内,②纵向磁化:试件中的磁路仅是磁化源所建立磁回路的一部分,③复合磁化:上述两种方法的复合。具体的实施又有电流法、磁轭法之分。

3.1 电流法

1)所使用电流的类型

1) 单相交流电

4为单相交流电的波形,单相交流电流表示指示的是电流的平均值(Id),它下峰值(Im)的关系是 IdIm/ 2 。单相交流电在很多应用中使用很有效,主要优点是:①只需要一个变压器即可将工业电源通过变压产生低压高电流的磁化电流,电路简单价格便宜;②由于电流是交变的,趋肤效应的存在使磁化所得磁通多集中于试件表面,这有助于表面缺陷漏磁场的形成,同时也使检测后的退磁变得容易;③所建立的磁场快速转换方向,这种脉动效应可使施加在试件表面的干磁粉产生扰动,增加了磁粉的活动性,更易为缺陷的漏磁场吸引形成强的指示。单相交流电的不足之处在于:①在进行剩磁法检验时有剩磁强度不稳定的问题,图5表示磁滞迥线与试件中磁化电流的对应关系。可以看出,如果试件中单相交流电断在正弦周期的(π/2~π)、(3π/22π),试件可得最大剩磁Br,如果断电发生在(0~π/2)、(π~3π/2),则由于铁磁材料的磁滞特性剩磁将变小。例如在图5的点3处断电,剩除磁感应强度将是Br′点,而Br′<Br。剩磁大小与断电相位有关,大量试验证明在标准磁化规范下剩磁极弱的情况约占1%~2%,但对于重要的试件,这已是不能被容许的了。现已开发出断电相位控制器可供采用。

 

2) 单相半波整流器

6为正弦单相半波整流电的波形,电流平均值(Id)、有效值(I)和峰值(Im)的关系是IdIm/π、IIm/21.57Id,对于整流电,电流值常是用测量平均值的电流表指示的。这种电流的优点有:①以其具有直流电性质,峰值为平均值的3.14倍,可检测距表面较深处的缺陷;②交流分量较大,有利于干磁粉的拔动和迁移,从而有利于缺陷的显现;③由于不存在反方向的磁化场,剩余磁感应强度比较稳定。缺点则是因为电流不能反向而不能用于退磁,而其透入深度较大也使退磁比较困难。

3) 单相全波整流电

7为正弦单相全波整流电的波形,电流平均值(Id)、有效值(I)和峰值(Im)的关系为Id2Im/π、IIm/2 ,与单相半波整流电相比,这种电流具有电流大、脉动程度小等优点,使用较多。缺点是退磁也较困难。

4) 三相全波整流电

8为正弦三相全波整流电的波形,电流平均值(Id)与峰值(Im)的关系为Id3Im/π。这种电流除具有单相全波整波电的所有优点外,由于电流分别从电源线的三相引出,因此电源线负载可较小也较平衡,这就允许在设计时联接一个快速切断电路以改善纵向磁化试件两端横向缺陷的显现。

5) 脉冲电流

9为脉冲电流波形图,通常是通过电容器的充、放电而获得的,电流值可达(12)×104A。由于脉冲可以按预先确定的时间间隔出现,在接触点由电流引起的发热危险就很小。由于通电时间非常短(单个脉冲的持续时间可短至0.25s),只能用于剩磁法。实验证明,反复通电数次缺陷的检出效果可较好。

6) 蓄电池直流电

指由蓄电池组产生的直流电,如果电流的峰值相同,与其他类型电流相比,透入试件的深度最大。由于蓄电池需经常充电,使用不便,且退磁更困难,现已很少采用。

(2)直接通电法

将试件夹在装置的两接触头之间使电流由接触头从试件上直接通过从而在试件中形成周向磁场如图10所示。接触头的设计应使试件既不受因压力过大而造成的变形也不致因接触不良、电阻过大而导致过热或烧伤。可用软铅板或铜网覆盖接触头,但要考虑这些金属粘附或渗入试件的可能性;不允许使用锌板。

3)支杆触头法

笨重的大部件难以夹在接触头之间磁化,一般情况下可采用支杆触头法,如图11所示。优点是:①装置便携,易于对大型构件作现场检测;②对于表面下缺陷,此法的灵敏度优于其他方法,特别是采用半波整流电、干粉连续法时更是如此。局限性是:①所产生的磁场适用的仅限于支杆触头之间的部分及支杆触头附近,两触头之间的相距很少大于300mm,通常只在150mm左右,因此必要时须重新放置触头以对试件所要求检测部位作整个的检测;②因两触头之间所出现的外部场的干扰有时可使相关指示难作观测,有时,这会限制所用电流的强度;③必须特别小心以免烧伤触头下的试件,特别是对w(C) 0.3%~0.4%或更大的钢,在接触点下的热量可令材料产生非常硬的局部斑点从而影响以后的加工作业,由于这种热效应,实际的开裂也时有发生。

4)芯棒法(穿棒法)

对于管材或环形件这类内表面与外表面检测同样重要的试件,可将导电芯棒穿入管材或环形件的孔中,使电流从芯棒上通过以对试件作周向磁化,检测纵向缺陷如图12所示。这种试件在直接通电磁化时,内壁处的磁感应强度可为零,而用芯棒法则可同时发现内、外表面的轴向缺陷及两端面的径向缺陷,由于内表面磁感应强度比外表面大,缺陷可显示得更清晰。

13表示在同样直径实心芯棒中及其周围,在芯棒材料不同或通以不同类型电流时磁通密度的分布情况;图14为在铁磁性材料圆筒中通直流电的非铁磁性芯棒的情况,可见在圆筒内表面磁感应强度是最大的。在芯棒被放置得偏离圆筒试件轴线时,靠近芯棒的筒壁中的磁通密度可比远离芯棒的强得多。芯棒的直径与圆筒形试件的内径和壁厚无关,芯棒尺寸考虑的主要是电流的通过能力及易于装卸。

 

5)线圈法

是将试件放在通有电流的螺管线圈中进行磁化的方法,如图15a所示。对于大型试件不能放入固定的螺管线圈中时,可在试件外面缠绕电缆,电流从电缆中通过以磁化试件,是为绕线法,如图15b15c所示。

6)感应电流法和速断磁化法

感应电流提供了在环形件中无需有电接触即可产生周向磁化电流的方法,图16为一例,图中插在环形件孔中的层状软铁片可增强总的磁通匝连。感应电流法采用交流电,在试件中感生的电流大小取决于总的磁通匝连数和磁通的变化率,以及在环形试件中与电流通道相关的电阻抗,与此感生电流相关的环形磁场用以显示试件上的圆周型缺陷,如图16b所示。

感应电流法采用交流电,在可利用剩磁法检测并具有高顽磁性的试件(如大多数轴承环)上也可采用直流电,此时通过快速切断直流电源可在试件中由于磁通量的快速消失而感生一高安培的周向单脉冲电流对试件进行磁化,是为速断磁化法。对于利用螺管线圈进行棒形试件纵向磁化时,速断磁化是不可少的。因为在试件的两端磁力线是发散的垂直于侧面,使端头横向缺陷难以很好显现,电流速断可在垂直于试件纵轴的截面上感生出电流,其磁场正好与横向缺陷构成一定角度,从而将之显示出来。

3.2 磁轭法

1)电磁铁轭

将一线圈绕在软铁的U形芯子上组成电磁铁轭如图17所示。轭的两个支柱可以是固定的,也可以是可调的,可调的支柱容许改变接触的间隔和相对的接触角,以与不规则形状试件相适应。电磁铁轭可很容易地与电源接通或断开,这使其能方便使用和易于从试件上取下。

电磁铁轭可设计成使用直流电或交流电或两者均可用。交流电磁铁轭已有广泛应用,且可用于退磁。利用脉冲直流供电的电磁铁轭更适用于缺少电源的现场检测。

2)永久磁铁轭

可用于无电源或不允许有电弧(如在易爆气氛中)的场合。使用局限性包括:①不可能以足够的强度对大部件进行磁化以得到清晰的缺陷指示;②磁通密度不能任意改变;③如果磁铁磁性非常强可能难以从试件上取下;④吸附在磁铁上的磁粉有可能遮蔽缺陷的指示。

3.3 复合磁化法

复合磁化可以使用交、直流电复合磁化,也可使用有一定相位差的交流磁场,复合磁化产生的合成磁场不断改变方向,故能在一次磁化过程中得到不同取向缺陷的显示。复合磁化的形式可根据需要设计,以下为几例:

1)交叉磁轭磁化

交叉磁轭由两个参数相同的单磁轭构成,交叉角一般取90°,如图18所示,分别用相位差φ=120°、幅值相等的单相正弦交流电激励,在四个磁极所在试件表面将产生放置磁场,图19表示形成放置磁场的原理。

 

2)直流磁轭纵向磁化和交流电周向磁化的复合

这种复合装置示意于图20,螺旋形摆动磁场形成原理显示于图21

 

3)复合辅助磁化

如图22所示,用于圆筒形试件,是交流电法和感应电流法的复合,该技术对试件来说是无接触的、不显示磁极的,可以显示试件内、外表面及两端面上任何取向的缺陷。

 

4. 对磁场强度的要求

4.1 确定所需磁场强度时的考虑

为使缺陷得到令人满意的显现,所施加的磁场应有足够的强度,但也不应大到由于磁粉的积聚而影响到指示的观测。确定所需磁场强度的因素包括:试件的尺寸、形状、表面状态和材料的磁导率,磁化的方法,磁粉的施加方法,以及所要求发现的缺陷的类型、大小和位置。通常采用下列三种方法之一或其组合来确定。

1)采用带自然或人工缺陷的试件,这种缺陷的类型、尺寸和位置则应与试件验收要求相适应。

2)采用带霍尔效应探头的磁感应强度计在试件表面测量切向场强度,通常峰值在2.44.8kA/m范围内时被认为适合于磁粉检测。重要的是要保证在试件上的所有受检部位场强度达到此范围。

3)采用下列各小节所提供信息。这些信息取自ASTME144494a,可供参考,以剩磁法检测时所需电流值约为连续法检测时的三倍。

4.2 电流法

以下各小节所给出的电流值是指以连续法检测时所需三相全波整流电的电流峰值,使用其他类型电流时应予修正。

1)直接通电周向磁化

所需电流值与试件直径(试件外周上任意两点间的最大距离)的关系是1232A/mm,通常不高于20A/mm,检测夹杂物或检测低磁导率合金(如沉淀硬化钢)时需用较高电流,32A/mm;而为了检测沉淀硬化钢中的夹杂物所用电流甚至可高至40A/mm

2)支杆触头周向磁化

当材料厚度不大于20mm时,电流值与触头间距的关系应是3.54.5A/mm。材料厚度大于20mm时应采用4.05.0A/mm,触头间距不应小于50mm,或大于200mm,磁化场的有效宽度是两触头中心连线两侧各1/4触头间距。

3)芯棒周向磁化

1) 如果芯棒与试件的中心轴近乎重合,可采用与(1)相同的电流水平。

2) 如果芯棒靠试件内壁放置,电流可采用与(1)相同的水平,但直径应按芯棒直径与试件两倍壁厚之和计算,沿试件的内圆周,有效磁化距离应取为芯棒直径的4倍,如图23所示。试件的整个圆周可通过将试件在芯棒上转动作检测,应考虑要有10%的磁场重叠。

4)线圈纵向磁化

1) 对试件长度、直径比(L/D)的考虑:对于给定的螺管线圈,轴线上的磁场强度是与线圈匝数N和通过线圈电流的安培数I的相乘积成比例的,而在此磁动势的作用下在置于其中的试件中所能产生的磁通量大小则应从整个磁回路的分析来考虑,试件的材料磁导率μ愈大、L/D愈大则磁阻可愈小,在试件中所产生的磁通量可愈多,这对缺陷的显现是有利的,故常认为试件在线圈中是否容易被磁化与试件的长度、直径比(L/D)有密切关系,L/D愈小愈难磁化,L/D10此效应已明显,L/D2的试件不宜采用此法磁化,短试件可将数个衔接起来磁化。

2) 用低填充系数线圈〔(线圈横截面积/被检件截面积)≥10〕时,线圈匝数N,和通过线圈电流安培数I的相乘积N/I应为:

实心试件置于线圈中心时,

                                                                                                  

                                  KR

                         NI=────── ,(±%)

                             6L/D-5

                                                                                                      

式中    R──线圈半径(mm);

        K──1690安匝(mm),如果R以英寸测量,K43000安匝/英寸);

        L──试件长度;

        D──试件直径(单位与L所用相用)。

实心试件贴于线圈内壁时,

                                                                                                  

                                K

                         NI=──── ,(±%)

                              L/D

                                                                                                       

K──45000安匝(mm);

        L──试件长度;

        D──试件直径(单位与L所用相用)。

如果试件是空心的,则用下述中所给出的Deff来替代D。这些计算式仅在2L/D15时有效,当L/D2时应将与试件直径相同的铁磁性材料块放在试件的两端,以有效地使L/D2。如果L/D15,则(L/D)应取15

3) 用高填充系数线圈〔线圈横截面积小于被检件横截面积(包括空心部分)的二倍〕或用绕线法时,对于实心试件,

                                                                                                  

                                  K

                         NL=────── ,(±%)

                              L/D+2

                                                                                                      

K──35000安匝(mm);

        L──试件长度;

        D──试件直径(单位与L所用相用)。

如果试件是空心的,则用下述中所给出的Deff来替代D。这些计算式仅在2L/D15时有效,当L/D2时,应将与试件直径相同的铁磁性材料块放在试件的两端,以有效地使L/D2。如果L/D15,则(L/D)应取15

4) 空心或圆筒形试件L/D的计算,此时D应该用Deff取代

                         Deff2[(Al-An)/π]1/2

式中    Al──试件的总截面积;

        An──试件空心部分的截面积,对于圆筒形试件。

5) 用中等填充系数线圈〔2<(线圈横截面积/被检件横截面积)<10〕,此时,

 

式中   NI1──低填充系数线圈时计算所得(NI)值;

   NIh──高填充系数线圈时计算所得(NI)值;

         T──线圈截面积对试件截面积之比。

6) 有效磁场的延伸:对于低或中等填充系数的线圈,有效场在线圈中心两侧延伸到等于线圈半径处(见图24)。对于高填充系数线圈或绕线法有效距离延伸到线圈中心两侧220mm处(见图24b)。当试件长于这些有效距离时,可改变其在线圈中的位置,以对整个长度进行检测,此时应有10%有效磁场的重叠。

4.3 磁轭法

电磁铁磁轭的磁场强度可以通过磁轭对一块铁板的提升能力来测定。对于交流电磁轭,当两支柱之间的间距为50100mm时,提升力至少应为45N。对于直流电磁轭,当两支柱之间的间距为50100mm时,提升力至少应为135N,当间距为100150mm时,至少应为225N

 
 
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