軸類零件直流縱向磁化端面顯示與快速斷電特性的關(guān)系

劉春秘

(沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司,遼寧 沈陽110850)

1 概述

磁粉檢測(cè)原理是利用鐵磁性材料被磁化后,由于缺陷處磁介質(zhì)的不連續(xù)性,零件表面和近表面的磁力線發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場(chǎng),漏磁場(chǎng)吸附磁粉,從而顯示出不連續(xù)性的位置、形狀和大小。磁粉檢測(cè)被廣泛應(yīng)用于冶金、航空、航天和鐵路等行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)。但在實(shí)際應(yīng)用中也存在不少難點(diǎn)和局限性,軸類零件端面縱向磁化就是其中之一。

根據(jù)磁化零件時(shí)的磁場(chǎng)方向,磁粉檢測(cè)可以分為周向磁化、縱向磁化和多向磁化三種,其中,縱向磁化法多采用線圈法,當(dāng)電流流過線圈時(shí),產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化線圈內(nèi)的零件, 能發(fā)現(xiàn)零件上沿圓周方向上的缺陷。由于人們認(rèn)為零件端面與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可能垂直,端面不能被有效磁化。為了解決這個(gè)問題,人們提出了一種快速切斷線圈中電流的方法,在線圈內(nèi)零件上產(chǎn)生低頻渦流,同時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)零件端面磁化,這就是快速斷電特性。然而在實(shí)際應(yīng)用中由于磁化電流種類不同,零件端面的磁場(chǎng)分布是不一樣的。交流磁化由于交流電集膚效應(yīng),線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)不能進(jìn)入零件內(nèi)部,只能從零件表面和近表面通過,所以零件端面是沒有被磁化的。本文僅研究直流縱向磁化長(zhǎng)軸類零件時(shí)端面缺陷顯示與直流快速斷電特性之間的關(guān)系問題。從理論和實(shí)驗(yàn)上探討軸類零件直流縱向磁化時(shí)零件端面缺陷顯示真正原因。

2 直流快速斷電特性應(yīng)用的理論依據(jù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 理論依據(jù)

采用三相全波整流電流線圈磁化長(zhǎng)軸類零件時(shí),由于零件兩端的磁力線可能垂直于零件的端表面,零件兩端表面的缺陷可能出現(xiàn)漏檢。為了防止漏檢,人們想方設(shè)法地去尋找能夠在縱向磁化的同時(shí)對(duì)端面進(jìn)行磁化的方法,產(chǎn)生了快速斷電的設(shè)想,要保證端面在斷電的瞬間產(chǎn)生一定的交變磁場(chǎng)就要保證斷電瞬間有一定電感電流的變化率,(國(guó)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電流從3000A 降到0 的時(shí)間不能大于5ms,也有規(guī)定當(dāng)前縱向磁化電流從1000A 降到0 的時(shí)間不能大于2ms 等)。這種設(shè)想的原理是:由于縱向磁化線圈是個(gè)電感,當(dāng)磁化電流從當(dāng)前某一固定值迅速降為零時(shí),線圈上產(chǎn)生的反向感生電勢(shì)與電流之間的關(guān)系為：

這種迅速變化的電流在電感線圈中產(chǎn)生電壓,然后再通過線圈里的直流電阻得到迅速釋放,這時(shí)線圈中迅速變化的電流(含有很多的高次諧波),這個(gè)電流在鐵磁性零件中產(chǎn)生大量的渦流,再利用渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)端面磁化。

2.2 現(xiàn)狀

最初具有快速斷電功能的磁粉檢測(cè)設(shè)備是通過斷開直流線圈回路來實(shí)現(xiàn)的,但在觸頭上會(huì)出現(xiàn)電弧放電。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,將晶閘管整流器集成到設(shè)備當(dāng)中,使得快速斷電更加容易被實(shí)現(xiàn),利用可控硅整流器的電流過零關(guān)斷特性,并配合使用一個(gè)二級(jí)高壓變壓器,開發(fā)了可控的快速斷電技術(shù),它是現(xiàn)在磁粉檢測(cè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)快速斷電的主要技術(shù)。

3 縱向磁化零件時(shí)端面磁場(chǎng)分布研究

直流縱向磁化工件時(shí),端面與磁場(chǎng)方向垂直而不能被有效磁化的說法存在誤區(qū),實(shí)際上由于磁場(chǎng)分布的特點(diǎn),零件端面是能夠被磁化的。

磁粉探傷機(jī)線圈為銅板纏繞而成,各匝線圈之間存在絕緣層,可以將線圈簡(jiǎn)化看成一匝圓心為o,等效半徑為Rd,電流強(qiáng)度為I 的圓線圈。如圖1 所示,圓線圈中心為坐標(biāo)原點(diǎn)o,中心軸為z 軸,圓線圈所在的平面為o-XY 平面。

圖1 計(jì)算圓線圈磁場(chǎng)分布的示意圖

所以P 點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

根據(jù)上述磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律,可以將磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B(r, z)分解為軸向分量Bz(r, z)和徑向分量Br(r, z) ,對(duì)于端面磁粉檢測(cè)只有徑向分量Br(r, z)起作用。

B(r,z) =Bz (r,z)+Br (r,z )

線圈磁化時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng),以鋼棒軸線為中心建立圓柱坐標(biāo)系,由于磁感應(yīng)線遵從折射定律,磁力線從空氣中進(jìn)入鋼棒,并在線圈中部匯聚,然后從一端折射入空氣中。

線圈磁化開始瞬間,鋼棒內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)渦流J ,產(chǎn)生磁場(chǎng)徑向分量,與線圈形成磁場(chǎng)磁化方向相反。磁場(chǎng)分布見圖2。

圖2 線圈磁化磁場(chǎng)分布

線圈磁化一段時(shí)間后,磁化線圈磁通量基本保持不變,此時(shí)鋼棒中基本無感應(yīng)渦流存在,對(duì)端面磁化起作用的為線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)徑向分量。磁場(chǎng)分布見圖3。

圖3 線圈磁化磁場(chǎng)分布

在斷電后線圈磁場(chǎng)消失,由于快速斷電特性,在線圈兩端產(chǎn)生大量渦流,磁場(chǎng)起作用的為感應(yīng)渦流磁場(chǎng)徑向分量。此時(shí),棒材端面磁場(chǎng)分布見圖4。

圖4 線圈磁化磁場(chǎng)分布

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用CZQ-6000 型三相全波直流磁粉探傷機(jī),線圈直徑360mm。采用材料為30CrMnSiNi2A 圓棒模擬長(zhǎng)軸類零件,對(duì)直徑100mm 長(zhǎng)度300mm 的棒材進(jìn)行縱向磁化,該設(shè)備快速切斷試驗(yàn)符合要求,磁粉檢測(cè)方法采用熒光濕連續(xù)法。線圈安裝在導(dǎo)軌上,如將圓棒放置在線圈底部,由于底部存在導(dǎo)軌,影響圓棒表面磁場(chǎng)分布,因此需制作工裝夾具,將棒材懸空放置在縱向磁化線圈中心。

試驗(yàn)1：在圓棒端面任意取一點(diǎn),設(shè)定不同電流值,使用型號(hào)為5070 高斯計(jì)測(cè)量Hr(r, z)徑向磁場(chǎng)分量,觀察該點(diǎn)不同磁化電流值高斯計(jì)最大讀數(shù)和高斯計(jì)數(shù)值變化規(guī)律。為避免手持高斯計(jì)探頭時(shí),手抖動(dòng)影響測(cè)量值,設(shè)計(jì)制作支架固定高斯計(jì)探頭,避免探頭抖動(dòng)。將磁化時(shí)間設(shè)定1s 和6s,設(shè)定6s 時(shí)測(cè)量2s 到4s 之間磁場(chǎng)強(qiáng)度值,端面徑向磁場(chǎng)測(cè)量最大見表1。

表1 最大磁場(chǎng)值

在磁場(chǎng)穩(wěn)定后,無感應(yīng)渦流存在時(shí),磁場(chǎng)值為磁化整個(gè)過程中最大值。磁場(chǎng)值大約在1.2s 達(dá)到最大值,之后磁場(chǎng)值幾乎一直不變,斷電瞬間磁場(chǎng)值迅速下降。磁化過程中磁場(chǎng)值變化趨勢(shì)見圖5。

圖5 磁場(chǎng)隨時(shí)間變化趨勢(shì)

試驗(yàn)2：將A 型3 號(hào)標(biāo)準(zhǔn)試片貼在圓棒端面,磁化時(shí)間設(shè)定到6 秒,磁化電流設(shè)定1500A,在通電兩秒后線圈中磁場(chǎng)穩(wěn)定,在試片上噴灑磁懸液, 結(jié)果在連續(xù)磁化的過程中試片上已經(jīng)有顯示,顯示如圖6 所示。

圖6 試片磁痕顯示

磁化結(jié)束的瞬間磁懸液會(huì)出現(xiàn)明顯的反向脈沖式流動(dòng)現(xiàn)象(這就是快速斷電過程中線圈出現(xiàn)快速電流變化率產(chǎn)生反電勢(shì)形成的),但這種現(xiàn)象并不能加深試片的顯示效果,試片上磁痕顯示形狀也未改變。隨后采用不同電流值進(jìn)行縱向磁化試驗(yàn),觀察磁化過程中和磁化結(jié)束瞬間試片磁痕顯示,試驗(yàn)結(jié)果見表2,試片上磁痕顯示是通電過程中出現(xiàn)的,不存在只是斷電瞬間出現(xiàn)的情況。

表2 不同磁化電流磁痕顯示情況

上述實(shí)驗(yàn)證明,縱向磁化時(shí)端面顯示并不是斷電瞬間產(chǎn)生的,而是磁化過程中產(chǎn)生的,斷電瞬間只是出現(xiàn)反向脈沖現(xiàn)象。

5 結(jié)論

5.1 快速斷電特性是利用電流快速變化率通過電感線圈在零件上產(chǎn)生渦流而形成的磁場(chǎng),充其量?jī)H具有交流屬性,不能作為直流檢測(cè)手段來對(duì)零件端面進(jìn)行缺陷評(píng)判。

5.2 三相全波直流縱向磁化是能對(duì)端面進(jìn)行有效磁化的,這種磁化并不是快速斷電特性形成的,而是零件在縱向磁化過程中形成的。