无损检测磁粉Ⅲ级旋转磁化技术规范

关于旋转磁化技术的若干问题 一．交叉磁轭的工作原理 旋转磁化是利用交叉磁轭或交叉线圈产生的旋转磁场磁化工件的。这里只讨论利用交叉磁轭产生的旋转磁场磁化工件的相关技术问题。 旋转磁化属于复合磁化，也称为多相磁化。它是利用两相或多相磁场相互叠加而形成的合成磁场对工件进行磁化的。 交叉磁轭可以形成旋转磁场。它的四个磁极分别由两相具有一定相位差的正弦交变电流激磁。于是就能在四个磁极所在平面形成与激磁电流频率相等的旋转着的（合成）磁场。 能形成旋转磁场的基本条件是:两相磁轭的几何夹角α与两相激磁电流的相位差φ均不等于0°或180°。 如图1所示，当A、B两相磁轭的激磁电流分别为： HA= HmSinωt (1) HB= HmSin(ωt-φ) (2)

图1 而且两相磁轭的所有参数均相等时，可以用下面的数学表达式来描述四个磁极所在平面几何中心点的合成磁场轨迹。

Hx2/(2Hmcosα/2·cosφ/2)2+Hy2/(2HmSinα/2·Sinφ/2)2=1 (3) 式中: Hx—合成磁场在X轴方向的分量； Hy—合成磁场在Y轴方向的分量； Hm—HA与HB的峰值； α—两相磁轭的几何夹角； φ—两相磁轭激磁电流的相位差。 显然，（3）式是个椭圆方程。当两相磁轭的几何夹角α与两相磁轭激磁电流的相位差φ均为90°时，在磁极所在面的几何中心点将形成圆形旋转磁场，即任何瞬间其合成磁场轨迹为圆。而且其幅值始终与Hm相等，这就是为什么使用交叉磁轭一次磁化操作就能发现任何方向缺陷的原因。另外，由于交叉磁轭形成的旋转磁场，与交流单磁轭的磁场不同，它的磁 场没有通过零点的瞬间，所以交叉磁轭的提升力117N也就远远高于交流单磁轭45N。 二．旋转磁场的形成及其分布规律 1．旋转磁场形成的几何模型 旋转磁场只有具备一定条件，才能在两个正弦交变磁场同时存在的情况下形成。由于磁场是矢量，而且磁力线是不能交叉的，当同一位置存在两个磁场时，其合成磁场是由两个磁场矢量叠加的结果。而正弦交变磁场的大小和方向是随时间而变化的。要想求出某一点的合成磁场，只能按照两个正弦交变磁场在某相位时，各自形成的磁场方向和大小进行矢量叠加，从而求出某瞬时的合成磁场的方向和大小。如果求出若干个不同瞬时（相位）的合成磁场，就能描绘出旋转磁场的形成过程。 图2是交叉磁轭的四个磁极所在平面几何中心点旋转磁场如何形成的几何模型。该图是两相磁轭的几何夹角α=90°，两相磁轭激磁电流的相位差φ=π/2时,不同瞬间其合成磁场形成的过程。此图是按每隔π/4的相位角进行一次磁场合成的结果。图3是α=90°,φ=2π/3时不同瞬间合成磁场形成的过程。而这个图是按每隔π/3的相位角进行一次磁场合成的结果。 由图2和图3不难看出，随着时间的变化，合成磁场的方向在旋转，当激磁电流相位角ωt由0逐渐变到2π时，其合成磁场正好旋转一周。所需时间为20ms。

图2 图3 2.影响旋转磁场形成的因素 产生旋转磁场的必要条件: 一是两相正弦交变磁场必须形成一定的夹角，二是两相交流电必须具有一定的相位差。 评价旋转磁场，通常利用四个磁极所在平面的几何中心点所形成的旋转磁场形状进行描述。比如，当两相磁轭的几何夹角α=90°两相激磁电流的相位差φ=π/2时，几何中心点就能形成圆形旋转磁场。当α≠90°,φ≠π/2时（但是α≠0°，180°；φ≠0，π）将形成椭圆形旋转磁场。从使用角度来说，圆形旋转磁场对各方向缺陷的检测灵敏度趋于一致，而椭圆形旋转磁场则较差。只有在激磁规范足够大时才能确保各方向的检测灵敏度。 此外，激磁电流的波形对旋转磁场的形成也造成影响。比如当前采用可控硅调压供电时，由于激磁电流的波形变成不连续的正弦波，所以旋转磁场也就不连续了。而且可控硅的起始导通角越大，造成的旋转磁场不连续性越严重。这对检测灵敏度在一定程度上也会造成一些影响。 应当特别强调是，即使在几何中心点形成了圆形旋转磁场，但是在其它位置也并非如此。原因就是在其它位置两相交变磁场夹角θ不再构成90°所以也就不可能形成圆形旋转磁场了。当然，也有几个点例外。 3.交叉磁轭的磁场分布 这里所讨论的磁场分布，是指在交叉磁轭的磁化场范围内，不同位置的磁场方向和大小，或者说是指所形成的旋转磁场的椭圆度大小。之所以研究它是为了正确地使用它，最大限度地发挥交叉磁轭的特点。下面分几种情况介绍交叉磁轭的磁场分布状态。 ⑴α=90°,φ=π/2时的磁场分布情况 图4是交叉磁轭在行走方向(即y轴方向)上的磁场分布情况。图4a是以合成磁场分别在X轴和y轴方向上有效值的分量表示的；图4b是以瞬时值的形式给出的示意图，看起来比图4a更为直观也便于理解。但也不难看出，两者略有差异。这是由于两相磁轭的磁路参数（如组装间隙、激磁电流等等）不可能完成相同造成的差异。

图4a 有效值分布图 图4b 瞬时值分布图 图4 ⑵α=90°φ=2π/3时的磁场分布情况 图5给出了当α=90°φ=2π/3时的磁场分布示意图。可以看出，几何中心点的旋转磁场不再是圆形的了。而且不同位置的旋转磁场椭圆度也有变化。

图5a有效值分布图 图5b 瞬时值分布图 图5 ⑶几个不能形成旋转磁场的点 在图6中，以几何中心点O为圆心，通过四个磁极中心所画的圆与X轴和Y轴的交点位置（M、N、P和Q点），不能形成旋转磁场。由于在这四个点的两相磁场所形成的夹角α=0˚或180˚，两相交变磁场是在一条直线上改变着方向和大小。所以两者叠加的结果仍然在一条直线上变化，不可能形成旋转磁场。这在图4和图5中都得到了证实，无论是磁场测试还是理论计算，其结果完全一致。

图6 ⑷几个能形成圆形旋转磁场的点 从图4中还可以看出，在行走方向（即Y轴）上除了几何中心点能形成圆形旋转磁场之外，在上下两侧各有一点也能形成圆形旋转磁场，只是磁场强度变小了。同样，从图5中也可以看出，在中心点上下两侧也各有一点能形成与中心点一样椭圆度的旋转磁场。 ⑸四个磁极外侧仍然有旋转磁场形成 四个磁极外侧仍然有旋转磁场形成。只是有效磁化范围比较小。但激磁规范足够大时仍然可以检测缺陷。 三．磁场分布对检测灵敏度的影响 为了能检测出表面缺陷，需要有足够的磁场强度。而且磁场的方向对缺陷的检出至关重要。因此，磁场的分布状态对检测灵敏度产生重要影响。下面从几个方面予以论述。 1．磁化场对检测灵敏度的影响 对磁粉检测而言，影响其灵敏度的因素很多，如磁化方法、检验方法、缺陷情况、工艺以及人员水平等等。这里只讨论磁化场对检测灵敏度的影响。为了能检出各个方向的缺陷，通常对同一部位需要进行互相垂直的两个方向磁化。一是要有足够的磁场强度，二是要尽量使磁场方向与缺陷方向垂直，这样才能获得最大的缺陷漏磁场，易于形成磁痕，从而确保缺陷不漏检。而对旋转磁化来说，由于其合成磁场方向是不断的随时旋转着的，任何方向的缺陷都有机会与某瞬时的合成磁场垂直，从而产生较大的缺陷漏磁场而形成磁痕。但是，只有当旋转磁场的长轴方向与缺陷方向垂直时才有利于形成磁痕。因此，不能认为只要使用旋转磁场，不管如何操作就一定能发现任何方向的缺陷，这种认识是错误的。 2．“动则灵、静则废” 从前面给出的交叉磁轭磁场分布情况不难看出，无论在四个磁极的内侧还是外侧，磁场分布是极不均匀的。只有在几何中心点附近很小的范围内，其旋转磁场的椭圆度变化不大，而离开中心点较远的其它位置，其椭圆度变化很大，甚至不形成旋转磁场。由此看来，采用交叉磁轭进行磁粉检测时，决不能像单磁轭一样以步进式进行磁化探伤，这将造成对某些方向缺陷的漏检。因此，使用交叉磁轭进行探伤时，必须连续移动磁轭，边行走磁化边施加磁悬液。只有这样操作才能使任何方向的缺陷都能经受不同方向和大小磁场的作用，从而形成磁痕。因此，对于交叉磁轭来说，“动则灵、静则废”，即：必须移动而不能静止不动地进行磁化检测，就是这个道理。 3．行走速度与磁化时间 交叉磁轭的行走速度对检测灵敏度至关重要，因为行走速度的快慢决定着磁化时间。而磁化时间是有要求的，磁化时间过短缺陷磁痕就无法形成。通常的交叉磁轭在行走方向上的有效磁化场范围至少应有200mm左右。如果以4米/分钟的速度移动磁轭，通过200mm的有效磁化场则需要3秒钟的时间。但是对通过的某一点来说，其磁化时间并非3秒。而是用3秒钟的时间连续磁化了200mm长的范围。 为了了解磁轭移动速度对检测灵敏度的影响程度，我们曾在实验室在最佳的工艺条件下，进行了不同速度对检测灵敏度影响的试验。结果表明：当磁轭移动速度不超过6米/分钟的情况下，均能显示7/50 A型试片的完整清晰的圆形磁痕。但速度超过6米/分钟时，所形成的磁痕就不能完整显示了。这说明由于速度过快，缺陷漏磁场吸引磁粉而形成磁痕的时间不够。 因此，在施工现场的条件下，磁轭的移动速度不能太快，否则将造成缺陷漏检。所以标准规定，速度不能超过4米/分钟。这也是为了保证不漏检必须控制的工艺参数。 四．交叉磁轭的提升力 1．影响旋转磁场磁粉探伤仪提升力的主要因素 ⑴磁轭的结构尺寸及激磁规范对提升力的影响 从根本上说，磁化方法只有两种，一种是把电流导入被检工件，另一种是把磁通导入被检工件，磁轭法就属于后者。很显然，磁通导入工件的多少将直接决定着工件被磁化的程度。磁通量越大，工件的有效磁化场强度越高,其磁化范围也越大。而磁通又决定着提升力的大小，两者有如下关系： F=1.99×105·Φm·Bm 式中： F—磁轭的提升力(N)； Φm—磁通的峰值(Wb)； Bm—磁感应强度的峰值(T)。 不难看出，磁轭的提升力F与磁通Φ成正比，而Φ=μHS。由此可见，磁轭的提升力F的大小取决于磁轭的铁芯截面面积、铁芯材料的磁性能以及激磁规范的大小。 测试提升力的根本目的就在于检验磁轭导入工件有效磁通的多少。这只是一种手段，以此来衡量磁轭性能的优劣。 ⑵磁极与工件表面间隙对提升力的影响 采用磁轭磁化工件时，磁势（即安匝数）是决定有效磁化场的主要参数。在不考虑磁滞损耗的情况下，磁路中消耗磁势的是铁芯产生的磁阻和磁路中的间隙产生的磁阻，可以用下式加以说明： WI =Hμlμ+H0l0 式中：Hμlμ —磁路铁芯产生的磁阻 H0l0—磁路中的间隙产生的磁阻 WI —磁势 由于磁路（铁芯）中的磁导系数μ远远大于空气中的磁导系数μ0，因此，由于间隙的存在必将损耗磁势,降低导入工件的磁通量, 从而也降低了被磁化工件的有效磁化场强度和范围的大小。 而间隙的存在所损耗的磁势将产生大量的泄漏磁场，且通过空气形成磁回路。它的存在降低了磁轭的提升力，同时也降低了检测灵敏度。 此外，由于间隙的存在，还会在间隙附近产生漏磁场。因此，即使在磁极间隙附近有缺陷，也将被间隙产生的漏磁场所湮没，根本无法形成磁痕。通常把这个区域称为盲区，显然，盲区的存在将降低有效磁化场的范围。 ⑶旋转磁场的自身质量对提升力的影响