磁粉检测中影响灵敏度的因素

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  【摘要】
  【关键词】
  1 前言
  磁粉检测是五大常规无损检测方法之一,广泛应用于航空航天、特种设备、核电等行业,特别是在用设备的无损检测和安全评价,使得磁粉检测在设备无损检测中应用比例越来越广。磁粉检测准确性和可靠性主要取决于检测灵敏度,本文从有效磁化场强度、磁粉或磁悬液的物理性能、漏磁场、缺陷类型、材料磁性、质量控制与管理等方面来探讨影响磁粉检测灵敏度的因素。
  2 磁化场强度
  2.1 有效磁化场
  铁磁性材料磁化时,只要磁化工件产生磁极就将产生反磁极,反磁极会削弱外加磁场。所以工件上的有效磁场等于外加磁场减去反磁场。反磁场愈大,铁磁性材料愈不容易磁化,反磁场总是起着阻碍磁化的作用。
  周向磁化工件无反磁场产生,因此,无磁极显示。纵向磁化工件上有反磁场产生,纵向磁化的有效磁化场等于外加磁场减去工件的反磁场,即工件上有磁极显示。只有外加磁场强度远远大于有效磁场强度时,才能克服反磁场的影响,对工件进行有效地磁化。
  碳钢、低合金钢,退火状态和经过热变形的钢材均应采用连续法,只有经过淬火、渗碳、调质和渗氮等热处理的高碳钢和合金结构钢,其剩余磁感应强度Br>0.8T,矫顽力Hc>800 A/m以上的材料方可进行剩磁检测。
  2.2 漏磁场
  如果磁化的工件表面存在缺陷,则磁感应线优先通过磁导率高的工件,这就迫使一部分磁感应线从缺陷下面绕过,形成磁感应线的压缩。但是,工件上这部分可容纳的磁感应线数目也是有限的,又由于同性磁感应线相斥,所以,一部分磁感应线从缺陷中穿过,另一部分磁感应线会逸出工件表面。由于钢材中的磁感应线几乎与工件表面平行且密集,空气中的磁感应线近似与工件表面垂直且稀疏,此时,磁感应线遵守“折射定律”从工件表面垂直进入空间,绕过缺陷再折回工件形成漏磁场。
  缺陷产生的漏磁场可以分解为水平分量Bx和垂直分量By。漏磁场的水平分量有极大值,并左右对称。而垂直分量为通过中心点的曲线,示意图见图1。
  吸附磁粉主要是漏磁場的水平分量,试验表明漏磁场≥0.3mT(3Gs)时,缺陷处即有吸收磁粉的能力。
  
   (a)水平分量(b)垂直分量(c)合成的漏磁场
  
  图1缺陷的漏磁场分布
  漏磁场对磁粉的吸引可看成是磁极的作用,如果磁粉在磁极区通过,将会被磁化,呈现出N极和S极,并沿磁感应线排列起来。漏磁场的磁力作用在磁粉微粒上,其方向指向磁感应线最大密集区,磁粉除受漏磁场的磁力之外,还受重力、液体介质的悬浮力、摩擦力、磁粉颗粒之间的静电力和磁力,即磁粉在其合力的作用下,被吸引到缺陷处。如图2所示。磁粉检测是通过磁粉聚集的磁痕显示漏磁场的。
  
  图2 磁粉受漏磁场的吸引
  2.3 反磁场
  在外加磁场作用下,由于工件几何形状不同引起的与外加磁场方向相反的磁场为反磁场。反磁场强度总是小于外加磁场,并且与材料的磁极化强度成正比。
  由于工件形状所引起的反磁场直接影响对工件的有效磁化,因此,对于产生反磁场的工件要获得良好的磁化效果,就必须根据退磁因子的大小,适当提高外加磁场的强度,弥补反磁场对外加磁场的削弱。
  总之,反磁场大小与外加磁场和工件的形状之比L/D有关,外加磁场Ho增大,反磁场Hd也增大;退磁因子N随着L/D增大而下降,反磁场的影响亦减小,磁化需要的外加磁场强度也相应降低。
  3 影响漏磁场的因素
  3.1 外加磁化场的影响
  缺陷的漏磁场大小与工件的磁化程度有关,通常外加磁场达到产生最大磁导率对应的磁场强度时,磁导率减少,磁阻增大,漏磁场增大。当工件的磁感应强度达到饱和值80%左右时,漏磁场迅速增加,如图3所示。
  
  
  
  
  
  
  图3 漏磁场与钢材磁化的关系曲线 图4 缺陷埋藏深度与漏磁场的关系
  3.2 缺陷位置与形状的影响
  工件表面和近表面缺陷都将产生漏磁场,同样大小和形状的缺陷埋藏深度不同,其漏磁场也不相同。缺陷埋藏深度对漏磁场的影响,如图4所示。
  缺陷平行于磁场方向,几乎不产生漏磁场;缺陷垂直于磁场方向,漏磁场最强。缺陷与工件表面由垂直逐渐倾斜成一定角度,直至与工件表面平行,漏磁场也由最强逐渐下降至零。缺陷与漏磁场倾角的关系曲线,如图5示。
  缺陷深度与宽度的比值是影响漏磁场的重要因素,缺陷深宽比愈大,漏磁场愈大,
  缺陷愈容易发现,检测灵敏度愈高。当缺陷的宽度很小时,漏磁场随着宽度的增加而增加,并在缺陷中心形成一条磁痕;当缺陷宽度很大时,产生的漏磁场很小,在缺陷两侧形成磁痕,而缺陷根部没有磁痕显示。缺陷宽度与漏磁场的关系曲线,如图6示。
  
  
  
  
  
  
  
  图5 漏磁场与缺陷倾角的关系图6 漏磁场与缺陷宽度的关系
  3.3 影响磁性的内在因素
  影响磁性的内在因素有晶体结构、晶粒尺寸、含碳量和合金元素等。
  铁磁材料的晶格结构不同,磁特性不同。面心立方晶格的材料是非磁性材料;体心立方晶格的材料是铁磁性材料。但是,如果体心立方晶格发生变形,其磁性也将发生很大变化。当合金成分进入晶格以及冷加工或热处理使晶格发生畸变时,都将改变磁性。
  材料的晶粒愈大,磁导率愈大,矫顽力愈小,漏磁场亦小;相反,材料的晶粒愈小,磁导率愈小,矫顽力愈大,漏磁场也愈大。
  对碳钢而言,在热处理工艺相近时,影响材料磁性最大的合金成分是碳元素,随着含碳量的增加,矫顽力几乎成线形增加,则最大磁导率随着含碳量的增加而下降,磁滞回线粗壮,漏磁场亦增大。
  3.4 影响磁性的外界因素
  影响磁性的外界因素有温度、热处理状态和冷加工等。
  温度对材料的磁性影响很大。温度增高,原子的热运动强烈,原子磁体的规律排列受到影响,磁导率下降,磁性减小,直至失去磁性。
  钢铁材料处于退火或正火状态时,磁性差别不大;而处于退火与淬火状态时,磁性的差别却很大。淬火可以提高钢材的矫顽力与剩磁,使漏磁场增大。而淬火后随着回火温度的升高,钢材变软,矫顽力降低,漏磁场下降。
  随着压缩变形和强烈震动等冷加工增加,材料的磁性各项异性变大,影响材料磁畴的规律排列,磁导率下降,矫顽力和剩磁均增加,漏磁场也增大。
  3.4 工件表面覆盖层的影响
  工件表面覆盖层厚度直接影响漏磁场的大小。覆盖层越厚,漏磁场越小。有三个深宽比相同的缺陷,磁化后产生同样大小的漏磁场是不同的。缺陷表面覆盖层对磁痕显示的影响见图7表示。覆盖层厚度对漏磁场的影响见图8表示。
  
  
  
  
   图7 表面覆盖层对磁痕显示的影响 图8 覆盖层厚度与漏磁场的关系
  4 磁粉性能的影响
  4.1 磁性
  磁粉的磁性与磁粉被漏磁场吸附形成磁痕的能力有关。磁粉应具有高磁导率、低矫顽力和低剩磁,即容易被缺陷所产生的微弱漏磁场磁化、吸附和分散。
  高磁导率的磁粉容易被缺陷处产生的微弱漏磁场磁化和吸附,便于识别,检测灵敏度较高。
  4.2 粒度
  选择磁粉粒度,首先考虑缺陷的性质、缺陷尺寸和磁粉的使用方式。实际检测中要检测各种大小不同的表面和近表面缺陷,所以,使用的磁粉应是各种粒度磁粉的组合,这样对各类缺陷可获得比较均衡的检测灵敏度。
  检测工件尺寸较小的表面缺陷,宜选择细颗粒磁粉,细颗粒磁粉形成的磁痕清晰,定位准确;检测尺寸较大的近表面缺陷时,宜选用较粗的磁粉,粗大的磁粉可连接较大的缺陷,形成的磁痕松散模糊。
  采用湿粉检测方法时,选择较细的磁粉,细颗粒磁粉悬浮性好;采用干磁粉检测方式时,选择较粗的磁粉,因粗磁粉易于在空气中分散,弥漫于整个被检工件表面。
  4.3 密度
  磁粉的密度与工件磁性是相关的。对于湿粉检测,磁粉密度大,悬浮性差,容易沉淀。对于干粉检测,磁粉密度大,则需要较大的漏磁场吸引磁粉,。
  4.4 形状
  磁粉的形状是不规则的,有条形、圆形、球形和椭圆形等多种颗粒形状。条形和椭圆形磁粉容易被漏磁场磁化,易于形成磁痕,有利于检测缺陷宽度比磁粉粒度大的表面和近表面缺陷;圆形和球形磁粉不容易被漏磁场磁化,但具有良好的流动性;空心球形磁粉能跳跃着向漏磁场移动。所以理想的磁粉是由一定比例的各种形状的磁粉混合在一起使用。
  4.5 流动性
  为了能有效地检测缺陷,磁粉必须能在被检工件表面移动,使之被漏磁场磁化形成磁痕。在干粉法检测中,交流电和半波整流电能促使磁粉的移动,直流电不利于磁粉的移动,所以直流电不使用干法检测。在湿粉法检测中,是利用磁悬液的流动带动磁粉向漏磁場处移动。
  4.6 识别度
  识别度包括磁场的颜色、荧光亮度及其与工件表面颜色的对比度。对于荧光磁粉,在紫外灯下工件表面呈紫色,只有微弱的可见光本底,磁痕呈黄绿色,色泽鲜艳,所以荧光磁粉能够提供最佳的对比度和亮度。对于非荧光磁粉,只有磁粉的颜色与工件表面形成较高对比度时,磁痕才容易观察,缺陷才会被发现。因此,正确选择磁粉的颜色尤为重要。
  5 磁悬液
  磁悬液浓度的高低直接影响磁粉检测灵敏度,浓度不同,检测灵敏度也不同。浓度过高,将提高工件本底噪声,形成虚假显示,掩盖相关显示;浓度过低,影响漏磁场对磁粉的吸附量,磁痕不清晰易造成微小缺陷漏检。磁悬液浓度大小的选用与磁粉的种类、粒度、施加方式和工件表面状态有关。
  配制水悬液时,水中必须添加润湿剂、防锈剂与消泡剂等。最好采用专用磁悬液
  6 缺陷性质
  6.1 常见缺陷。
  磁粉检测可以应用于原材料、半成品、制造过程和成品的检测,也适用于特种设备的维修和定期检查。主要检测的缺陷:发纹、锻造裂纹、折叠、冷隔、焊接裂纹、疲劳裂纹、脆性开裂、分层、未焊透、气孔、夹渣等。
  对缺陷性质的判断要根据缺陷的形状和位置、工件的结构特征进行综合评定,磁痕显示分为相关显示、非相关显示和伪显示。
  6.2 缺陷种类
  缺陷的种类是多样化的,从原材料到制造及使用过程均有产生缺陷的可能。缺陷磁痕大致分为条状磁痕和圆形磁痕。
  7 质量管理与安全防护
  磁粉检测质量由检测设备及器材、工艺技术文件、照明条件及工艺纪律、检测人员和管理方面进行控制。
  首先应定期对检测设备的电流表和通电时间,继电器、磁化和退磁装置进行校验;对白光强度和紫外光强度进行鉴定;测定磁粉和磁悬液性能,采用灵敏度试片评定磁粉、磁悬液和磁粉检测设备的综合性能。制定完善的检测工艺,保证工艺技术文件的正确性、完整性,主要工艺参数及检测标准的执行率。
  检测人员必须经过培训和资格鉴定,在取得资格证书后方能从事磁粉检测工作,检测人员应具有良好的视力,矫正视力不得低于1.0并没有色盲与色弱。另外,检测人员还应具备金属材料和机械加工过程产生缺陷的基础知识。
  磁粉检测涉及到电、磁、煤油与变压器油等。所以检测时要特别注意安全问题,使用触头法和直接通电法磁化时,以防止电弧产生,用铜或锌制作触头并加有铜网。使用煤油作分散剂时,作业区附近应避免明火。使用紫外灯时,应避免直接照射人的眼睛;在容器中实施检测时,要保证检测设备安全接地及输出电压不超过25V。
  磁粉检测技术文件包括产品标准和规范、检测标准、磁粉检测通用工艺规程、专用工艺卡等。对磁粉检测质量进行控制,首先应按照相关法规、产品标准、有关的技术文件和检测标准的要求,并针对检测机构的特点和检测能力编制磁粉检测通用工艺规程。检测前应根据受检工件的特点和通用工艺规程的要求,编制工件的检测工艺卡。对磁粉检测通用工艺规程、专用工艺卡的编制、审核、更改进行全过程控制,做到“每个过程均在受控状态下进行,每个人都在受控状态下进行”,从而保证检测工作质量和检测结果的可靠性。
  磁粉检测原始记录是检测工作极其重要的环节,原始记录不仅能追踪产品的质量状态,也可以证明检测工作的质量。因此在磁粉检测工作中,应坚持“没有记录,就等于没有进行工作”的原则,对记录工作进行严格的控制,记录填写应正确、完整、清晰,相关人员签署应齐全,对记录的修改应规范,原始记录要妥善保管,防止变质和丢失。为保证原始记录的唯一性和检测工作的可追溯性。
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