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对磁探机复合磁化功能与效果之讨论
前言
在磁探机上实现复合磁化的方法很多,对于最基本的有2个磁化方向的设备,常见的有:
工件通电(交流)周向磁化+线圈(交流或直流)纵向磁化;
工件通电(交流)周向磁化+磁轭(交流或直流)纵向磁化;
环形工件穿棒通电周向磁化+交变磁通感应绕环截面纵向磁化。
此外,还有非接触式的多向交叉交流线圈对工件的磁化,以及比较先进的有多对电、磁触头的多向复合磁化等。
很多用户以为只要购买了能进行复合磁化的磁探设备,则不管工件形状如何,将其上机夹持后经一次复合磁化,工件上各部位、各方向的所有不连续均应被检出。其实这是一种误解。
从磁探原理得知,由于磁化方向与不连续面垂直时,漏磁场最大,当磁化方向与不连续面平行时,不产生漏磁场;只有在磁化方向与不连续面有足够大的交角时,该不连续处才有可能形成对磁粉探伤有意义的漏磁场;因此当复合磁化时,方向随时间变化的旋转磁场或摆动磁场,方向轨迹里必须包括基本与不连续面垂直的方向,该不连续才有可能被检出。其次即使磁化方向满足要求了,该方向的磁化场强度尤其是在被检件上的有效磁场也必须足够大,才能使不连续处形成足够大的漏磁场,使之被检出。
复合磁化时磁场方向转动或摆动的轨迹与产生复合磁场的方式有关,也与两个方向磁场大小的匹配等因素有关。以下试讨论几个影响复合磁化实际效果的又容易忽视的问题:
1、在磁化方向上的退磁场的影响
铁磁材料工件在外加磁场中磁化时,如磁力线不能在其内部闭合,则将在其表面形成宏观磁极,这些磁极在工件内部会形成与外加磁场方向相反的退磁场。此时,有效磁场强度
HH0-H退
H退是磁化方向的退磁场,与工件在此方向的形状系数有关,形状系数即所谓长宽比(磁化方向的长度/垂直于磁化方向的宽度)。长宽比L/D越小,退磁场越大,同样的外加磁场条件下,有效磁场强度也越小。在形成退磁场的方向,要保证达到一定的有效磁场强度,磁化场强度或磁化电流必须相应增大,退磁场越大,需增大量也越大。
工件在机上如果采用线圈方式纵向磁化,则工件在该方向肯定产生磁极,因此必须考虑退磁场的影响。在线圈磁化规范经验公式里,磁化安匝数要根据工件的长宽比(L/D)来计算。对形状最简单的圆棒形工件而言,如果采用交流通电+交流磁轭的复合磁化方式,工件周向无退磁场,由于是磁轭式纵向磁化,在纵向除两端小范围外也可看作无磁极,不产生退磁场,即使这样,如果此复合磁化是通过周、纵向磁化电流的1200相位差来实现的,那么工件表面每一点,旋转磁场的强度,在各个方向也是不同的,除非两个方向的峰值磁场经仔细匹配,一般情况下其轨迹是椭圆形,即在各个方向上的磁化(有效磁场强度约等于磁化场强度)也是不均匀的。如工件外圆带齿(如齿轮)或带纵向肋,则圆周方向的磁化还必须考虑凸出的齿部或肋部退磁场的影响。实际工件往往不是直圆棒形的,由于形状的关系,在接触式通电通磁的设备上进行复合磁化,常会遇到须考虑退磁场的情况。如曲轴、凸轮轴的纵向磁化就是如此,这时各方向的有效场强值更不容易均匀。
在采用非接触式复合磁化情况下,如使用交叉线圈来磁化轴类工件,虽然按理论,在线圈中央空间产生的是椭圆形旋转磁化场,但工件放进去之后,朝各个方向的形状系数不同,顺着轴的方向退磁场很小,而垂直于轴的方向退磁场很大,即使两个线圈的磁化电流经过刻意匹配,最后在该工件上各位置、各方向的有效磁场强度不可能均匀,常差别很大。
显然除了极少形状简单且对于所用磁化方法不会产生退磁场的工件,由于退磁场的存在,大多数工件在复合磁化时会遇到在某些方向上磁场较弱的情况。调节与确定磁化电流规范时应予以充分注意。
2、产生复合磁场的两个单向磁场,其大小搭配的影响
即使形状较简单的工件,采用的磁化方法不产生退磁场,如果两个方向的磁化场未仔细调节匹配的话,也会出现某一个强势方向的磁场抑制了另一方向磁化场的现象。在分别作单向磁化,用A型试片调整好相应的磁化电流规范后,如果还是保持原来的规范进行复合磁化,可能会出现只能单方向显示的现象。
有这样的例子:
某厂原来用全交流磁探机探连杆等毛坯锻件,增添了交直流磁探机后,工人反映,虽然贴在工件上的标准灵敏度试片(探伤工艺规程要求60/100)的显示依旧很好,但对零件上纵向的微细发纹的检测能力却降低了。厂方以为是设备质量问题向制造商作了反映。我们到现场检查后发现:并不是设备质量问题,原因在于两个方向磁化规范未能合理调节。
原来的设备纵向磁化采用交流开路磁轭方式,新增设备采用直流闭路磁轭方式。两者不但额定磁动势(线圈额定磁化电流×匝数)不同,纵向磁化磁路的总磁阻相差更是很大。
根据磁路欧姆定理 :磁通量Φ=磁动势÷磁路总磁阻
由于交流感抗影响,交流开路磁轭方式的额定磁动势比直流闭路磁轭的小;
而交流开路磁轭方式的磁路总磁阻却比直流闭路磁轭大许多:
采用直流闭路磁轭方式的磁探机可以在工件上产生很大的直流纵向磁场,即纵向磁化能力很强,对检出相对危险性更大的横向缺陷很有利。但由于是小电流高匝数的磁轭线圈,磁化电流稍增加一点,磁动势就会增加很多,纵向磁场也会增大很多。
由于用户沿用原来全交流机的周、纵向磁化电流规范,造成磁动势加大,因纵向磁路总磁阻减小很多,这样就造成了过强的纵向磁场,与交变的周向磁场合成后的摆动磁场将主要接近于纵向方向,从而影响对沿夹持方向的细微缺陷如发纹的检出。见下图:
60/100试片人工缺陷的深宽比大,在同样磁场的条件下,产生的漏磁场大,所以尽管磁化方向变得不利,仍可显示;而发纹缺陷深宽比小,对磁化方向的变化显得敏感。
我们指导用户,适当增大周向磁化电流,减小纵向磁化电流,就解决了问题。
对有些特别小而短的、又要求检测出纵向微细发纹的工件,在采用直流闭路磁轭纵向磁化的设备上,有可能出现这样的情况:纵向磁化电流已调得小到不能再调,仍嫌纵向磁动势大(因匝数高),而周向磁化电流因端头接触面小又不宜再加大,两个方向的磁场无法通过合理搭配来满足复合磁化条件下检测出微细发纹的要求,此时应分别进行周、纵向磁化。
3、对于形状较复杂工件,一次复合磁化不能保证其各部位、各方向达到同样的检测灵敏度
在某些情况下,不光是某些方向上由于退磁场的影响,有效磁场变小;对某些工件而言,如仅以一种夹持方式进行复合磁化,由于磁化方法的限制,工件上的某些部位上,某方向的不连续面可能总是不能与磁场方向形成有利交角,因此该方向的不连续无法检出。
如曲轴类工件,对于常规的磁探机,通过在工件的各个部位贴A型试片的办法发现:无论是单向磁化还是复合磁化,曲拐大面上只能检测出径向裂纹,而不能保证检出周向裂纹,这是因为后者的裂面与周向磁场和纵向磁场都平行。
出现这样的情况,需要明确:这不是设备的复合磁化功能无效,而是使用者对其复合磁化功能太理想化了。即使是国外名牌设备,只要是采用同样磁化方法的,也会碰到同样问题。对一次复合磁化不能保证形状较复杂工件上各部位、各方向检测灵敏度一致的问题,解决的途径有:
a)针对具体工件订购多向复合磁化的专用设备,因费用不菲,一般只有该工件的重要性与检测量大到有此必要,企业才会这么做。
b)利用通用型设备的磁化技术,根据工件具体要求,增加磁化次数(复合或单向),甚至配置手提磁轭作补充手段,这比较容易做到,缺点是增加每个工件的探伤工时。
事实上,对于形状复杂的工件,国外某些磁探规程就是推荐多方向分步磁化,而国内许多单位的实践经验也证明了并不是所有工件都适合用复合磁化。
此外,结合探伤工件的冶金、加工特点,注意对检出缺陷的统计总结,摸索工件上多发缺陷的出现规律;同时了解工件的受力情况,在此基础上选择合适的复合磁化方式与次数,更能兼顾磁探可靠性和经济性。
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