浅谈磁粉检测技术原理与应用

浅谈磁粉检测技术原理与应用

张勃

中车兰州机车有限公司 甘肃 兰州 730070

摘要：磁粉检测是无损检测的常规方法之一，从１９世纪起就开始在实际中得到广泛应用。磁粉检测是利用漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示进行探伤，对铁磁性材料的表面和近表面缺陷有较强的检测能力。

关键词:磁粉检测；应用

1.磁粉检测的原理

磁粉检测的主要原理是铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。

磁粉检测的历史可以追溯到１８６８年，当时的英国人使用罗盘仪探查磁通以检测枪管上的不连续性。在１８７６年Ｈｅｒｉｎｇ利用罗盘仪探查钢轨的不连续性获得了美国专利。１９２８年，Ｆｏｒｅｓｔ利用周向磁化法研究油井钻杆断裂失效。１９３０年Ｆｏｒｅｓｔ和Ｄｏａｎｅ成功将干磁粉应用于焊缝及各种工件的探伤。１９３４年生产磁粉探伤设备和材料的美国磁通公司成立。在１９４１年荧光磁粉开始投入使用。２０世纪５０年代初期，前苏联全苏航空研究院科学家瑞家德罗在大量试验的基础上，制定出了磁化规范，磁粉检测的应用步入系统化和规范化。时至今日，磁粉检测技术己经十分成熟，成为重要的检测手段之一。研究磁粉检测技术，首先要明确它的物理基础。磁粉检测是磁场效应的一种应用。

磁场就是磁体或通电导体周围具有磁力作用的空间。磁场的大小、方向和分布情况可以用磁力线表示。磁力线是闭合的曲线，在磁体内由Ｓ极到Ｎ极，在磁体外由Ｎ极穿过空气进入Ｓ极。磁力线总是由磁阻最小的路径通过。不同的材料根据其被磁化的难易程度可以分为铁磁质、顺磁质和抗磁质。铁磁性材料如铁、钴、镍等，在一定磁场强度下，会产生一定的磁力线密度。磁导率越大，材料越易被磁化，其呈现的磁性也越强。磁粉检测是利用漏磁场吸附磁粉形成磁痕显示进行探伤。

所谓漏磁场，就是铁磁性材料磁化后，在不连续处或磁路截面变化处，磁感应线离开和进入表面时形成的磁场。漏磁场形成的原因，是由于空气的磁导率远远小于铁磁性材料的磁导率。如果在磁化了的工件上存在不连续性或裂纹，则磁感应线优先通过磁导率高的工件，这就迫使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，所以部分磁感应线从不连续中穿过，另一部分磁感应线遵循折射定律几乎垂直从工件表面进入空气中绕过缺陷又折回工件，形成了漏磁场。漏磁场可分解为水平分量瓜和垂直分量办，水平分量与工件表面平行，垂直分量与工件表面垂直。假设有一矩形缺陷，则在矩形中心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。如果将两个分量合成，就得到了缺陷的漏磁场。漏磁场对磁粉的吸附可看成是磁极的作用，如果有磁粉在磁极区通过，则将被磁化，呈现出Ｎ极和Ｓ极，并沿着磁感应线排列起来。当磁粉的两极和漏磁场的两极相互作用时，磁粉就会被吸附并加速移动到缺陷上去。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度区，即指向缺陷处。由于漏磁场的宽度要比缺陷实际的宽度大数倍至数十倍，所以磁痕对缺陷宽度具有放大的作用，可以将目视不可见的缺陷转变为目视可见的磁痕使之容易观察出来。

由上可知，漏磁场的大小对检测效果有重要影响，那么存在哪些影响漏磁场的因素呢？首先，漏磁场的大小与工件的磁化程度有关。一般来说外加磁场强度一定要大于产生最大磁导率对应的磁场强度使磁导率减小，磁阻增大，漏磁场增大。当铁磁性材料的磁感应强度达到饱和值的８０％左右时，漏磁场便会迅速增大。其次，缺陷的位置和形状对漏磁场也会产生重要影响。同样的缺陷，位于工件表面处时，产生的漏磁场大；若位于工件的近表面，漏磁场将显著减小；若位于工件表面很深处，则几乎没有漏磁场泄漏出工件表面。缺陷垂直于磁场方向时漏磁场最大，当角度逐渐减小时漏磁场以近似正弦曲线的形式减小直至为零。缺陷的深宽比是缺陷形状影响漏磁场的另一因素。深宽比越大，漏磁场也越大，缺陷越容易被发现。另外，工件表面覆盖层以及工件的材料和状态（如晶粒大小、含碳量、热处理、冷加工、合金元素等）也会对漏磁场的大小产生影响。
2.检测步骤

2.1预处理

预处理是保证磁粉检测工艺过程中具有最高检出率的一个重要环节，正确的预处理不仅能减少对所使用的磁悬液的污染，还能提高缺陷检出的识别度。工件表面粗糙或存在氧化皮、铁锈等污物时，不仅会阻碍磁悬液的流动，还会影响缺陷对磁粉的吸附，进而降低检测的灵敏度。因此被检测区域应确保干净，无污垢、铁锈、氧化皮、纤维等影响检测结果的杂质，可以用清洗剂来去除污物，必要时可对其进行适当的修磨。

2.2磁化工件

磁化工件前的灵敏度验证：用标准试片A1-30/100进行磁轭、磁悬液系统的灵敏度验证，保证系统的灵敏度满足工艺要求。标准试片也可以被用来验证磁轭磁极间的有效磁场强度、磁化方向、工件上的有效磁化区、磁化方法等是否正确；在对形状复杂的工件进行磁化时，由于各个部位的磁场强度分布不均匀，无法采用经验公式来计算磁化规范，这时可将标准试片贴合在形状复杂工件的不同部位，以大致确定理想的磁化规范。在使用标准试片时应保证其无锈蚀、弯曲，将标准试片上有人工缺陷的一面朝向工件表面，并保证试片与工件接触良好。为保证试片与工件表面接触良好，可用透明胶带固定试片，但胶带不能遮挡试片上的人工缺陷。

在通电磁化的同时喷洒磁悬液，磁悬液应完全覆盖磁极间的有效磁化范围，并且始终使有效磁化范围保持湿润状态，这样有利于缺陷的检出。磁化时间为1~3S，在停止喷洒磁悬液至少1S后方可停止磁化，每次磁化要至少反复通电两次。为保证检测区域不漏检，可在工件表面画出网格线，对每个网格线依次进行检测，应保证每个磁化网格区域至少有10%的重叠。

在磁化时，磁化方向很关键。在运用磁轭法进行局部检测时，应对同一个检测区进行两次磁化，并且两次磁化时的磁化方向应大致互相垂直，以便于检测出不同方向的缺陷。

2.3观察与记录

对磁痕的观察、记录应在磁痕形成后立即进行。在辨识微小缺陷时可采用2~10倍放大镜来辅助观察。当缺陷显示后可采用照片、文字描述等方式来对其进行记录，同时用草图来标示缺陷的位置、形状、尺寸和数量。检测记录应在检测现场填写，记录内容应具有可追溯性，可追溯到所使用的检测设备、器材、检测工艺卡或检测规程、被检测工件及具体部位。记录内容应与检测报告内容一致。

在对磁痕进行观察分析时，环境条件也会影响缺陷的检出。人的视觉灵敏度在强光下对颜色和对比度的差别的辨识能力很高；而在暗环境下，人眼对颜色和对比度的辨识能力则很差，因此在检测时应保证有充足的自然光或白光。NB/T47013.4-2015规定：缺陷的观察应在可见光下进行，被检测区域的可见光照度应≥1000Lx；由于条件限制，被检测区域的可见光照度应至少≥500Lx。可以使用光照度计来测量可见光照度的大小，在测量时，光照度计应放置在工件被检测部位上，以保证真实地反映工件被检测区域内的光照度的大小。

2.4复验

对于有疑问的磁痕显示，应先确定其是相关显示还是非相关显示。非相关显示通常是由工件几何形状不规则、热处理造成工件局部磁导率变化、表面过于粗糙、磁场强度过大、剩磁等原因引起的。对于相关显示，可通过适度打磨的方式予以去除，打磨后用磁粉检测来确认其已经被去除且未产生新的缺陷；如果打磨深度超过了工艺规程的要求，还应该按照工艺规程的要求对其进行补焊，对补焊后的部位也要重新进行磁粉检测，直至其合格。

2.5缺陷评级

按照工艺卡或者工艺规程的要求进行评级。如NB/T47013.4-2015规定：焊接接头的质量分级为Ⅰ级和Ⅱ级，其他部件的质量分级分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级。
参考文献：

［１］铁路职工岗位培训教材编审委员会．铁路探伤工（机务探伤）［Ｍ］．中国铁道出版社．２０１４．

［２］宋志哲．磁粉检测（第２版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．