磁粉探傷中的磁場(chǎng)類型

王明軍 李曉斌 周京紅 田 楊

磁粉探傷中的磁場(chǎng)類型

王明軍 李曉斌 周京紅 田 楊

（北京航星機(jī)器制造有限公司，北京 100013）

磁粉探傷中磁場(chǎng)矢量與缺陷之間的關(guān)系尤其重要。從磁場(chǎng)矢量出發(fā)，分析了磁粉探傷中常用的磁場(chǎng)類型，提出了磁粉探傷中磁場(chǎng)緯度的概念，并根據(jù)磁場(chǎng)緯度把磁場(chǎng)劃分為一維磁場(chǎng)、二維磁場(chǎng)和三維磁場(chǎng)。結(jié)合這三種磁場(chǎng)的形成原理，討論了磁粉探傷中磁場(chǎng)的各種形式，并詳細(xì)介紹了其產(chǎn)生的方法及應(yīng)用特點(diǎn)。各種磁場(chǎng)類型都有其檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，充分利用磁場(chǎng)類型的選擇，可以提高磁粉探傷效率并避免缺陷漏檢。

磁粉探傷；磁場(chǎng)類型；磁場(chǎng)緯度；三維磁場(chǎng)

1 引言

磁粉探傷的對(duì)象是鐵磁性材料。工件被磁化后，由于材料中缺陷存在，使得工件表面及近表面的磁力線在缺陷處發(fā)生畸變產(chǎn)生漏磁場(chǎng)[1]。漏磁場(chǎng)吸引施加在工件表面的磁粉，形成可見(jiàn)的磁痕，從而顯示產(chǎn)品中缺陷的位置、形狀與大小。因此，產(chǎn)生漏磁場(chǎng)是磁粉探傷中最重要的環(huán)節(jié)，而漏磁場(chǎng)的產(chǎn)生與工件中的磁場(chǎng)類型密切相關(guān)。磁粉探傷離不開磁場(chǎng)。分類研究磁粉探傷中應(yīng)用磁場(chǎng)，針對(duì)工件中不同的缺陷，以期找到更優(yōu)的檢測(cè)方法。

2 磁場(chǎng)的產(chǎn)生

按照現(xiàn)代電磁理論的觀點(diǎn)，磁場(chǎng)是由電流或變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的，并且變化的磁場(chǎng)也能產(chǎn)生電場(chǎng)。產(chǎn)生磁場(chǎng)的公式如下：

靜止的電荷產(chǎn)生靜電場(chǎng)，不產(chǎn)生磁場(chǎng)；穩(wěn)恒電流產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場(chǎng)；交變電流產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)是無(wú)源渦旋場(chǎng)，磁力線是閉合曲線，電流是渦旋中心，是磁場(chǎng)的源泉。所謂的能產(chǎn)生保守磁場(chǎng)的磁單極子（磁荷）實(shí)際上是不存在的。

在實(shí)際的磁粉探傷中，磁場(chǎng)是由正弦交流電或其整流電產(chǎn)生。

3 磁場(chǎng)緯度及磁場(chǎng)類型

3.1 磁場(chǎng)緯度

磁場(chǎng)緯度是描述磁場(chǎng)中某點(diǎn)磁場(chǎng)方向隨時(shí)間在空間變化情況的物理量。如果磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向不隨時(shí)間改變或隨時(shí)間始終在同一條直線上變化，那么該磁場(chǎng)在該點(diǎn)具有一維維度；如果磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向隨時(shí)間在且僅在同一個(gè)平面內(nèi)變化，那么該磁場(chǎng)在該點(diǎn)具有二維維度；如果磁場(chǎng)中某一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向隨時(shí)間在空間呈立體變化（在不同的平面內(nèi)變化），那么該磁場(chǎng)在該點(diǎn)具有三維維度。

3.2 一維磁場(chǎng)、二維磁場(chǎng)和三維磁場(chǎng)

按照磁場(chǎng)中各點(diǎn)的磁場(chǎng)緯度情況可以把磁場(chǎng)劃分為一維磁場(chǎng)、二維磁場(chǎng)和三維磁場(chǎng)。

因?yàn)榇艌?chǎng)方向可以用磁力線表示，所以一維磁場(chǎng)指磁場(chǎng)中磁力線形狀不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)。在一維磁場(chǎng)中，如果磁力線構(gòu)成以某直線為軸的同心圓，則稱該磁場(chǎng)為周向磁場(chǎng)；如果磁力線構(gòu)成平行直線，則稱該磁場(chǎng)為縱向磁場(chǎng)。產(chǎn)生周向磁場(chǎng)的磁化方法有通電法、中心導(dǎo)體法、觸頭法等；產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)的磁化方法有線圈法、電纜纏繞法、磁軛法、感應(yīng)法等。

磁場(chǎng)的疊加使磁場(chǎng)的形式發(fā)生變化而產(chǎn)生新的磁場(chǎng)類型，例如兩個(gè)變化的一維磁場(chǎng)垂直疊加可以產(chǎn)生二維磁場(chǎng)。三維磁場(chǎng)可以由三個(gè)一維磁場(chǎng)的疊加產(chǎn)生，也可以由一個(gè)二維磁場(chǎng)和一個(gè)一維磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生。

3.3 恒定磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)

按照磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小及磁場(chǎng)方向是否隨時(shí)間改變把磁場(chǎng)分為恒定磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)。如果磁場(chǎng)中每一點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量都不隨時(shí)間變化，則稱為恒定磁場(chǎng)，否則稱為變化磁場(chǎng)。如果磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁場(chǎng)方向不隨時(shí)間而變化，則稱該磁場(chǎng)為恒向磁場(chǎng)；如果磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度大小不隨時(shí)間而變化，則稱該磁場(chǎng)為恒強(qiáng)磁場(chǎng)。

恒定磁場(chǎng)屬于恒向磁場(chǎng)，恒向磁場(chǎng)皆為一維磁場(chǎng)。磁粉探傷中常用的周向磁場(chǎng)和縱向磁場(chǎng)皆是一維磁場(chǎng)。二維及三維磁場(chǎng)皆是變化磁場(chǎng)。

無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線中穩(wěn)恒直流電產(chǎn)生的周向磁場(chǎng)是恒定磁場(chǎng)；無(wú)限長(zhǎng)密繞直螺旋管線圈中通以半波整流電，其內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)是變化磁場(chǎng)，也是恒向磁場(chǎng)。

4 一緯磁場(chǎng)

4.1 恒定磁場(chǎng)

恒定磁場(chǎng)指磁場(chǎng)中每一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向與磁場(chǎng)強(qiáng)度始終保持不變，且與時(shí)間無(wú)關(guān)。這類磁場(chǎng)由穩(wěn)恒直流電（三相全波整流電）產(chǎn)生，其特點(diǎn)是磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁場(chǎng)大小不變，磁場(chǎng)中各點(diǎn)磁場(chǎng)方向不變，如圖1所示。

圖1 恒定磁場(chǎng)示意圖

由于恒定磁場(chǎng)由直流電產(chǎn)生，故磁場(chǎng)可以滲透到距產(chǎn)品表面較深處，利于檢測(cè)零件內(nèi)部缺陷，但表面探傷靈敏度下降明顯，常用于較深缺陷的檢測(cè)。

4.2 恒向磁場(chǎng)

圖2 恒向磁場(chǎng)示意圖

橫向磁場(chǎng)屬于一維磁場(chǎng)。磁粉探傷中常用的恒向磁場(chǎng)有單相半波整流磁場(chǎng)、單相全波整流磁場(chǎng)、三相半波整流磁場(chǎng)，如圖2所示。

常用的是單相半波整流磁場(chǎng)，特點(diǎn)是磁場(chǎng)大小按正玄規(guī)律周期性變化，而磁場(chǎng)方向保持不變。由于單相整流產(chǎn)生的恒向磁場(chǎng)同時(shí)具有直流磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)的性質(zhì)，兼有滲透性和脈動(dòng)性。該類磁場(chǎng)能檢測(cè)較深的缺陷，同時(shí)也能夠保證工件表面足夠的靈敏度。常用于同時(shí)檢測(cè)表面及近表面缺陷。

4.3 交變磁場(chǎng)

磁粉探傷中交變磁場(chǎng)一般都由正玄交流電產(chǎn)生。主要特點(diǎn)是磁場(chǎng)大小按正玄規(guī)律變化，而磁場(chǎng)方向隨時(shí)間周期性反向改變。由于產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的交流電具有趨膚效應(yīng)，所以交變磁場(chǎng)在零件表面具有較高的靈敏度，常用于檢測(cè)零件表面缺陷。交變磁場(chǎng)如圖3所示。

圖3 交變磁場(chǎng)示意圖

4.4 一維磁場(chǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)

以上幾種磁場(chǎng)皆為一維磁場(chǎng)。一維磁場(chǎng)是磁粉探傷中最常用的磁場(chǎng)類型之一。由于缺陷和磁場(chǎng)方向垂直時(shí)磁粉探傷靈敏度最高，而一維磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向要么不變，要么在一條直線上變化，所以一維磁場(chǎng)最適合規(guī)則零件中可預(yù)知的固定方向缺陷的檢驗(yàn)。如：用周向磁場(chǎng)檢驗(yàn)圓柱形零件縱向裂紋、用縱向磁場(chǎng)檢驗(yàn)圓柱形零件橫向裂紋等。

當(dāng)零件的缺陷方向具有未知性或多向性時(shí)，則一維磁場(chǎng)不能一次全部檢出，尤其缺陷方向和磁場(chǎng)方向平行時(shí)，該缺陷將漏檢。這樣的零件需要多次磁化（即多方向磁化，一般在兩個(gè)互相垂直的方向）綜合檢測(cè)才能完成。

5 二維磁場(chǎng)

二維磁場(chǎng)可以由兩個(gè)一維磁場(chǎng)疊加產(chǎn)生。常用的二維磁場(chǎng)有橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和擺動(dòng)磁場(chǎng)。

5.1 橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

在兩個(gè)互相垂直的方向各施加一個(gè)頻率相同振幅不同的一維正玄交變磁場(chǎng)（可由交流電產(chǎn)生），其疊加形成的磁場(chǎng)為橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)矢量的端點(diǎn)軌跡形成一個(gè)橢圓，如圖4所示。

圖4 橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量終端軌跡

橢圓的長(zhǎng)軸方向就是較大振幅的一維磁場(chǎng)的方向，橢圓短軸就是較小振幅的一維磁場(chǎng)的方向。當(dāng)兩個(gè)一維磁場(chǎng)振幅相等時(shí)，橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變?yōu)閳A形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

5.2 擺動(dòng)磁場(chǎng)

當(dāng)橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中兩個(gè)一維磁場(chǎng)變化范圍較小時(shí)，例如當(dāng)兩個(gè)一維磁場(chǎng)都為單相全波整流磁場(chǎng)時(shí)，該橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)成為橢圓擺動(dòng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)矢量只在第一象限擺動(dòng)。改變兩個(gè)一維磁場(chǎng)的取值范圍，就可以改變擺動(dòng)磁場(chǎng)的擺動(dòng)角。例如兩個(gè)一維磁場(chǎng)中一個(gè)為交變磁場(chǎng)，一個(gè)為單相全波整流磁場(chǎng)時(shí)，磁場(chǎng)矢量在兩個(gè)象限擺動(dòng)，如圖5所示。

圖5 橢圓擺動(dòng)磁場(chǎng)擺動(dòng)示意圖

當(dāng)兩個(gè)一維磁場(chǎng)最大值相同時(shí)，橢圓擺動(dòng)磁場(chǎng)成為圓擺磁場(chǎng)（擺動(dòng)時(shí)候磁場(chǎng)大小不變）。當(dāng)橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中其中一個(gè)一維磁場(chǎng)為恒定磁場(chǎng)時(shí)，橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變?yōu)橹睌[磁場(chǎng)，如圖6所示?？芍睌[磁場(chǎng)的擺動(dòng)角小于180°。擺動(dòng)角的大小和恒定磁場(chǎng)的大小及一維變化磁場(chǎng)幅值有關(guān)。

圖6 直擺磁場(chǎng)擺動(dòng)示意圖

5.3 二維磁場(chǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)

由于二維磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向隨時(shí)間不斷變化，二維磁場(chǎng)能同時(shí)檢測(cè)多個(gè)方向的缺陷。對(duì)于擺動(dòng)磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，其擺動(dòng)角越大，能檢測(cè)的缺陷角度范圍也越大。對(duì)于橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)方向隨時(shí)間在平面內(nèi)做圓周性周期性變化，故其檢測(cè)缺陷角度的范圍是二維磁場(chǎng)中最大的。

但當(dāng)零件中的缺陷和二維磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)平面平行時(shí)，譬如裂紋平面平行于二維磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)平面時(shí)，由于不產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，二維磁場(chǎng)不能檢測(cè)這樣的缺陷。即使使用二維磁場(chǎng)，也有漏檢的可能。

6 三維磁場(chǎng)

6.1 橢球旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

橢球旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是基本的三維磁場(chǎng)，可由三個(gè)一維交變磁場(chǎng)相互垂直疊加產(chǎn)生。三個(gè)一維磁場(chǎng)的相位可由產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈控制。橢球旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)矢量隨時(shí)間周期性變化，矢量端點(diǎn)軌跡在同一個(gè)橢球上。

6.2 圓錐旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

在橢球旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，如果其中一個(gè)一維磁場(chǎng)分量為恒定磁場(chǎng)，則形成的三維磁場(chǎng)為橢圓錐旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；磁場(chǎng)矢量運(yùn)動(dòng)軌跡形成一個(gè)橢圓錐。在橢圓錐旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，如果兩個(gè)交變磁場(chǎng)最大振幅相同，則形成的三維磁場(chǎng)為圓錐旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)矢量運(yùn)動(dòng)軌跡形成一個(gè)圓錐。

改變橢球旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)三個(gè)一維磁場(chǎng)，可以形成多種三維磁場(chǎng)。

6.3 三維磁場(chǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)

相對(duì)于一維和二維磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，由于三維磁場(chǎng)具有三維維度，磁場(chǎng)中每一點(diǎn)的磁場(chǎng)方向隨時(shí)間在空間呈立體變化。所以用三維磁場(chǎng)探傷時(shí)，只需對(duì)工件磁化一次，便可檢測(cè)出工件中所有方向的缺陷。對(duì)于不規(guī)則零件的檢查，三維磁場(chǎng)相比一維磁場(chǎng)和二維磁場(chǎng)均具有很大的優(yōu)勢(shì)。

6.4 三維磁場(chǎng)在特殊缺陷檢驗(yàn)中的應(yīng)用

沖壓螺栓是一種特殊螺帽的螺栓，常常用于外表面不允許突出螺帽的產(chǎn)品。沖壓螺栓由于其工藝過(guò)程中螺帽部分的沖壓，容易在沖壓坑底部產(chǎn)生沖壓裂紋。在實(shí)際的檢測(cè)中，該沖壓裂紋在常規(guī)的周向磁化和縱向磁化檢測(cè)后均漏檢。分析其原因，該裂紋為與螺栓同軸的筒狀裂紋，無(wú)論是周向磁化還是縱向磁化，甚至由周向磁場(chǎng)和縱向磁場(chǎng)復(fù)合的二維磁場(chǎng)磁化，磁場(chǎng)方向也一直平行于裂紋面，使得漏磁場(chǎng)不能產(chǎn)生。采用三維磁場(chǎng)磁化該螺栓，因三維磁場(chǎng)為全方向磁化，使得某一時(shí)刻磁場(chǎng)方向垂直沖壓裂紋產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，缺陷被檢出。

7 結(jié)束語(yǔ)

按照磁場(chǎng)矢量特點(diǎn)，首次提出磁場(chǎng)維度概念。根據(jù)磁場(chǎng)維度，磁粉探傷中的磁場(chǎng)可分為三個(gè)類型，即一維磁場(chǎng)、二維磁場(chǎng)和三維磁場(chǎng)。一維磁場(chǎng)中各點(diǎn)具有一維維度，二維磁場(chǎng)中各點(diǎn)具有二維維度，三維磁場(chǎng)中各點(diǎn)具有三維維度。這些磁場(chǎng)均可由交流電（或其整流電）產(chǎn)生。一維磁場(chǎng)多用于規(guī)則產(chǎn)品中方向已知缺陷的檢驗(yàn)；二維磁場(chǎng)多用于規(guī)則零件中方向未知缺陷的檢驗(yàn)，三維磁場(chǎng)多用于不規(guī)則零件或特殊缺陷的檢驗(yàn)。

三種磁場(chǎng)類型都有其檢測(cè)優(yōu)勢(shì)。磁粉探傷中根據(jù)零件外形、尺寸及待檢缺陷的特點(diǎn)，選擇合適的磁場(chǎng)類型進(jìn)行探傷，可以提高磁粉探傷效率并避免缺陷漏檢。磁粉探傷的零件一般為產(chǎn)品的關(guān)鍵重要件，磁場(chǎng)類型的選擇對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量具有重要意義。

1 葉代平，蘇李廣. 磁粉檢測(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

2 王鴻謨，龔遠(yuǎn)芳，游壽星. 基礎(chǔ)理論物理[M].成都：四川大學(xué)出版社, 1992

Types of Magnetic Field in Magnetic Particle Inspection

Wang Mingjun Li Xiaobin Zhou Jinghong Tian Yang

(Beijing Hangxing Machinery Manufacturing Co., Ltd., Beijing 100013)

In magnetic particle flaw detection, the relationship between magnetic field vector and defect is particularly important. Starting from the magnetic field vector, this paper analyzes the types of magnetic field commonly used in magnetic particle inspection, and puts forward the concept of magnetic field latitude in magnetic particle inspection for the first time. According to the magnetic field latitude, magnetic field is divided into one-dimensional magnetic field, two-dimensional magnetic field and three-dimensional magnetic field. Combined with the formation principle of these three kinds of magnetic fields, the various forms of magnetic field in magnetic particle inspection are discussed, and their generating methods and application characteristics are introduced in detail. All kinds of magnetic field types have their own advantages. Making full use of the selection of magnetic field types can improve the efficiency of magnetic particle inspection and avoid missing defects.

magnetic particle testing；magnetic field type；magnetic field dimension；three dimensional magnetic field

王明軍（1975），高級(jí)工程師，材料物理專業(yè)；研究方向：無(wú)損檢測(cè)。

2020-09-13