軸類零件直流縱向磁化端面顯示與快速斷電特性的關系

劉春秘

(沈陽飛機工業(集團)有限公司,遼寧 沈陽110850)

1 概述

磁粉檢測原理是利用鐵磁性材料被磁化后,由于缺陷處磁介質的不連續性,零件表面和近表面的磁力線發生局部畸變而產生漏磁場,漏磁場吸附磁粉,從而顯示出不連續性的位置、形狀和大小。磁粉檢測被廣泛應用于冶金、航空、航天和鐵路等行業的產品質量檢驗。但在實際應用中也存在不少難點和局限性,軸類零件端面縱向磁化就是其中之一。

根據磁化零件時的磁場方向,磁粉檢測可以分為周向磁化、縱向磁化和多向磁化三種,其中,縱向磁化法多采用線圈法,當電流流過線圈時,產生的磁場磁化線圈內的零件, 能發現零件上沿圓周方向上的缺陷。由于人們認為零件端面與線圈產生的磁場可能垂直,端面不能被有效磁化。為了解決這個問題,人們提出了一種快速切斷線圈中電流的方法,在線圈內零件上產生低頻渦流,同時產生磁場實現零件端面磁化,這就是快速斷電特性。然而在實際應用中由于磁化電流種類不同,零件端面的磁場分布是不一樣的。交流磁化由于交流電集膚效應,線圈產生的磁場不能進入零件內部,只能從零件表面和近表面通過,所以零件端面是沒有被磁化的。本文僅研究直流縱向磁化長軸類零件時端面缺陷顯示與直流快速斷電特性之間的關系問題。從理論和實驗上探討軸類零件直流縱向磁化時零件端面缺陷顯示真正原因。

2 直流快速斷電特性應用的理論依據及應用現狀

2.1 理論依據

采用三相全波整流電流線圈磁化長軸類零件時,由于零件兩端的磁力線可能垂直于零件的端表面,零件兩端表面的缺陷可能出現漏檢。為了防止漏檢,人們想方設法地去尋找能夠在縱向磁化的同時對端面進行磁化的方法,產生了快速斷電的設想,要保證端面在斷電的瞬間產生一定的交變磁場就要保證斷電瞬間有一定電感電流的變化率,(國外有關標準規定電流從3000A 降到0 的時間不能大于5ms,也有規定當前縱向磁化電流從1000A 降到0 的時間不能大于2ms 等)。這種設想的原理是:由于縱向磁化線圈是個電感,當磁化電流從當前某一固定值迅速降為零時,線圈上產生的反向感生電勢與電流之間的關系為：

這種迅速變化的電流在電感線圈中產生電壓,然后再通過線圈里的直流電阻得到迅速釋放,這時線圈中迅速變化的電流(含有很多的高次諧波),這個電流在鐵磁性零件中產生大量的渦流,再利用渦流產生的磁場實現端面磁化。

2.2 現狀

最初具有快速斷電功能的磁粉檢測設備是通過斷開直流線圈回路來實現的,但在觸頭上會出現電弧放電。隨著技術的不斷發展,將晶閘管整流器集成到設備當中,使得快速斷電更加容易被實現,利用可控硅整流器的電流過零關斷特性,并配合使用一個二級高壓變壓器,開發了可控的快速斷電技術,它是現在磁粉檢測設備上實現快速斷電的主要技術。

3 縱向磁化零件時端面磁場分布研究

直流縱向磁化工件時,端面與磁場方向垂直而不能被有效磁化的說法存在誤區,實際上由于磁場分布的特點,零件端面是能夠被磁化的。

磁粉探傷機線圈為銅板纏繞而成,各匝線圈之間存在絕緣層,可以將線圈簡化看成一匝圓心為o,等效半徑為Rd,電流強度為I 的圓線圈。如圖1 所示,圓線圈中心為坐標原點o,中心軸為z 軸,圓線圈所在的平面為o-XY 平面。

圖1 計算圓線圈磁場分布的示意圖

所以P 點處的磁感應強度為：

根據上述磁感應強度分布規律,可以將磁感應強度矢量B(r, z)分解為軸向分量Bz(r, z)和徑向分量Br(r, z) ,對于端面磁粉檢測只有徑向分量Br(r, z)起作用。

B(r,z) =Bz (r,z)+Br (r,z )

線圈磁化時產生磁場,以鋼棒軸線為中心建立圓柱坐標系,由于磁感應線遵從折射定律,磁力線從空氣中進入鋼棒,并在線圈中部匯聚,然后從一端折射入空氣中。

線圈磁化開始瞬間,鋼棒內產生感應渦流J ,產生磁場徑向分量,與線圈形成磁場磁化方向相反。磁場分布見圖2。

圖2 線圈磁化磁場分布

線圈磁化一段時間后,磁化線圈磁通量基本保持不變,此時鋼棒中基本無感應渦流存在,對端面磁化起作用的為線圈產生的磁場徑向分量。磁場分布見圖3。

圖3 線圈磁化磁場分布

在斷電后線圈磁場消失,由于快速斷電特性,在線圈兩端產生大量渦流,磁場起作用的為感應渦流磁場徑向分量。此時,棒材端面磁場分布見圖4。

圖4 線圈磁化磁場分布

4 試驗驗證

使用CZQ-6000 型三相全波直流磁粉探傷機,線圈直徑360mm。采用材料為30CrMnSiNi2A 圓棒模擬長軸類零件,對直徑100mm 長度300mm 的棒材進行縱向磁化,該設備快速切斷試驗符合要求,磁粉檢測方法采用熒光濕連續法。線圈安裝在導軌上,如將圓棒放置在線圈底部,由于底部存在導軌,影響圓棒表面磁場分布,因此需制作工裝夾具,將棒材懸空放置在縱向磁化線圈中心。

試驗1：在圓棒端面任意取一點,設定不同電流值,使用型號為5070 高斯計測量Hr(r, z)徑向磁場分量,觀察該點不同磁化電流值高斯計最大讀數和高斯計數值變化規律。為避免手持高斯計探頭時,手抖動影響測量值,設計制作支架固定高斯計探頭,避免探頭抖動。將磁化時間設定1s 和6s,設定6s 時測量2s 到4s 之間磁場強度值,端面徑向磁場測量最大見表1。

表1 最大磁場值

在磁場穩定后,無感應渦流存在時,磁場值為磁化整個過程中最大值。磁場值大約在1.2s 達到最大值,之后磁場值幾乎一直不變,斷電瞬間磁場值迅速下降。磁化過程中磁場值變化趨勢見圖5。

圖5 磁場隨時間變化趨勢

試驗2：將A 型3 號標準試片貼在圓棒端面,磁化時間設定到6 秒,磁化電流設定1500A,在通電兩秒后線圈中磁場穩定,在試片上噴灑磁懸液, 結果在連續磁化的過程中試片上已經有顯示,顯示如圖6 所示。

圖6 試片磁痕顯示

磁化結束的瞬間磁懸液會出現明顯的反向脈沖式流動現象(這就是快速斷電過程中線圈出現快速電流變化率產生反電勢形成的),但這種現象并不能加深試片的顯示效果,試片上磁痕顯示形狀也未改變。隨后采用不同電流值進行縱向磁化試驗,觀察磁化過程中和磁化結束瞬間試片磁痕顯示,試驗結果見表2,試片上磁痕顯示是通電過程中出現的,不存在只是斷電瞬間出現的情況。

表2 不同磁化電流磁痕顯示情況

上述實驗證明,縱向磁化時端面顯示并不是斷電瞬間產生的,而是磁化過程中產生的,斷電瞬間只是出現反向脈沖現象。

5 結論

5.1 快速斷電特性是利用電流快速變化率通過電感線圈在零件上產生渦流而形成的磁場,充其量僅具有交流屬性,不能作為直流檢測手段來對零件端面進行缺陷評判。

5.2 三相全波直流縱向磁化是能對端面進行有效磁化的,這種磁化并不是快速斷電特性形成的,而是零件在縱向磁化過程中形成的。