表面粗糙度對磁粉檢測的影響

張繼楷，李　龍，馮　搏，康宜華

(華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

?

表面粗糙度對磁粉檢測的影響

張繼楷，李龍，馮搏，康宜華

(華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430074)

在磁粉檢測過程中，粗糙的工件表面會造成磁粉的堆積，從而形成過度背景，這會增加裂紋磁痕的辨識難度，造成漏檢或誤檢。通過建模分析了表面粗糙度與裂紋漏磁場幅值間的關(guān)系，針對不同粗糙度的表面在磁粉檢測過程中呈現(xiàn)出不同磁痕特征的對比，分析了表面粗糙度對磁粉檢測可行性和可靠性的影響。試驗結(jié)果表明：表面粗糙度越高，粗糙表面對磁懸液的潤濕滯后作用越明顯；表面磁懸液滯留越多，對磁粉檢測的可靠性影響越大。

表面粗糙度；磁粉檢測；磁痕；可靠性

磁粉檢測是對鐵磁性材料表面和近表面缺陷進行無損檢測的方法。由于機械加工、腐蝕及氧化等原因都會造成工件表面不平整，如果在磁粉檢測實施過程中引起的工件表面的磁痕特征與裂紋磁痕特征相當(dāng)時，工件表面粗糙將會造成磁粉檢測中的漏檢或誤檢。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.4-2005《承壓設(shè)備無損檢測 磁粉檢測》，磁粉檢測中被檢工件表面的不規(guī)則狀態(tài)不能影響檢測結(jié)果的正確性和完整性，否則應(yīng)做適當(dāng)?shù)拇蚰ヌ幚恚蚰ズ蟊粰z工件的表面粗糙度Ra不大于25 μm。因此，在常規(guī)磁粉檢測過程中，表面粗糙度(Ra不大于25 μm)對磁粉檢測的影響最容易被忽視，且國內(nèi)外對此研究較少。另外，在實際檢測過程中，一般并未考慮到表面的形貌特征與裂紋特征的關(guān)系，也尚未有研究提到表面粗糙度對磁懸液流動的影響。針對上述問題，在相同磁化狀態(tài)下，筆者對不同粗糙度的表面在磁粉檢測過程中呈現(xiàn)出不同磁痕特征的對比，對磁粉檢測的可靠性開展了初步研究。

1　粗糙度對磁粉檢測影響機理

磁粉檢測的能力與施加磁場的大小、方向以及裂紋的延伸方向有關(guān)。當(dāng)工件磁化方向與裂紋延伸方向垂直時，裂紋處的漏磁場最大，檢測靈敏度最高。所以當(dāng)工件表面形貌特征與裂紋特征相似，即工件表面由機械加工等方式形成的紋理延伸方向與裂紋延伸方向一致時，同時工件表面粗糙度Ra接近裂紋深度時，工件表面紋理處產(chǎn)生的漏磁場可能與裂紋漏磁場大小相當(dāng)，則在對磁粉檢測結(jié)果進行判別時，易造成漏檢和誤檢。為了更好地研究表面粗糙度對磁粉檢測的影響，筆者對表面形貌進行了二維建模仿真，計算出在裂紋寬度與表面紋理間距相同、表面粗糙度不同的情況下，相同深度裂紋漏磁場與表面形貌漏磁場幅值之比Bb/BGPS，此比值越小，說明裂紋的可檢出能力越低。在此，漏磁場均取其切向分量進行運算。

圖1所示為表面粗糙度二維模型示意，裂紋延伸方向與表面加工紋理方向完全一致，裂紋深度設(shè)定為30 μm，勵磁電流設(shè)定為8A,磁化線圈匝數(shù)設(shè)定為2 000匝。

圖1　表面粗糙度二維模型示意

圖2　工件不同表面粗糙度時的漏磁場大小

ANSYS仿真結(jié)果如圖2所示，Ra為0.8 mm時表面漏磁場切向分量大小如圖2(a)所示，Ra為12.5 mm時表面漏磁場切向分量大小圖2(b)所示。由仿真結(jié)果可以得到，Ra為0.8 mm時Bb/BGPS為5.1;當(dāng)Ra為12.5 mm時Bb/BGPS已經(jīng)降為2.8。可知，當(dāng)表面紋理延伸方向與裂紋延伸方向一致時，隨著工件表面粗糙度的增大，Bb/BGPS降低，裂紋的檢出能力降低。

另一方面，隨著工件表面粗糙度的增加，磁懸液的液相表面張力增加，液體在表面的潤濕滯后越明顯[1]，磁懸液在表面的滯留就越多且越容易以水珠的形式停留在表面。在熒光燈照射下，會形成較強的背景光和斑點狀偽磁痕，也會造成誤判或掩蓋裂紋磁痕，增加了裂紋磁痕識別的難度。

綜上所述，表面粗糙度對磁粉檢測的影響與粗糙度大小以及表面形貌特征有關(guān)。

2　試驗過程和結(jié)果

2.1試件

表面粗糙度是統(tǒng)計學(xué)上的一個概念，具有隨機性，為了更好地觀察其對磁粉檢測的影響，選擇具有規(guī)則加工紋理的試件開展表面形貌特征對裂紋檢測的影響研究。

圖3　不同加工方式試件表面形貌

選擇加工精度相對較低的臥銑、立銑加工工件，表面粗糙度Ra分別為18，12.5，3.2 mm的盤刀銑試件共3件,Ra為12.5，7.5，3.2 mm的立刀銑試件共3件,以及加工精度相對較高(Ra為0.025 mm)的平磨試件一件(標(biāo)準(zhǔn)表面)，試件表面如圖3所示。每個試件上的對應(yīng)位置均有3個相同寬度、不同深度的人工裂紋，人工裂紋如圖4所示。人工裂紋的深度由淺到深依次記為A型、B型、C型，裂紋深度依次為5，20，50 μm。

采用直流線圈對試件進行磁化，試驗裝置如圖5所示，勵磁電流為10 A,磁化線圈匝數(shù)設(shè)定為2 000匝。

圖4　試件表面人工裂紋位置示意

圖5　試驗裝置示意

2.2試驗結(jié)果

熒光磁粉在黑光照射下，能發(fā)出人眼最敏感的黃綠色熒光(波長范圍為510550 nm)，采用熒光磁粉檢測方法，觀察工件表面粗糙度對人工裂紋磁痕的影響。

分別對上述試件進行預(yù)處理、磁化、施加熒光磁粉配置的磁懸液，在熒光燈下觀察并記錄試驗現(xiàn)象，分析表面粗糙度對磁粉檢測的影響。取試件被磁化最均勻的區(qū)域進行觀察，得到如圖6所示的結(jié)果，再根據(jù)試驗結(jié)果，分析出裂紋可識別程度，如表1所示。

根據(jù)圖6及表1可知，A型裂紋均無法識別。其中平磨試件上，B型及C型裂紋均能清晰識別。

對盤刀銑試件，其加工形成的表面紋理延伸方向與人工裂紋延伸方向相近。隨著試件表面粗糙度的增大，加工痕跡也在熒光燈照射下逐漸清晰可見，而且磁痕特征與裂紋特征相似，裂紋的辨識難度逐漸增加。在Ra為18 mm的盤刀銑試件表面，一部分磁懸液以水珠的形式滯留在工件表面，嚴(yán)重影響裂紋的識別，并且裂紋深度為20 μm的B型裂紋已無法辨識，說明在盤刀銑試件表面，當(dāng)裂紋深度與表面粗糙度數(shù)值相近時，裂紋與表面紋理難以區(qū)別。

圖6　不同加工方式，不同粗糙度表面試件裂紋的磁粉檢測結(jié)果

對于立刀銑試件，其表面形貌與盤刀銑試件差別較大，不僅有刀具加工形成的多條圓形痕跡，還有每兩次走刀之間形成的線狀痕跡。試驗結(jié)果表明，立刀銑試件隨著粗糙度的增加，裂紋的辨識難度總體上也逐漸增加；而Ra為3.2 mm試件上的B型裂紋的辨識比Ra為7.5 mm試件上的C型裂紋辨識更難，這主要是因為由于加工條件限制，兩個試件所使用的立刀銑刀刀具半徑不同，在表面形成的加工痕跡也不同。與對應(yīng)的三件盤刀銑試件相比，立刀銑試件粗糙度雖然相對低一些，裂紋卻相對難以辨別，主要是因為立刀銑試件上刀具加工痕跡過多，在表面形成多條圓形痕跡，以及每兩次走刀之間形成的條形痕跡，不僅會產(chǎn)生與裂紋特征相似的痕跡，刀具加工痕跡對磁懸液流動的影響更會造成磁粉堆積，使裂紋難以辨別。

表1　磁粉檢測可識別程度

綜上所述，在磁粉檢測中，當(dāng)被檢工件表面粗糙度較高，例如拉環(huán)桿、發(fā)動機短軸以及載重汽車齒軸等工件，微裂紋的漏檢問題不可忽視，嚴(yán)重時會致斷裂，造成生命財產(chǎn)的重大損失；當(dāng)被檢工件表面有規(guī)則紋理時，例如集裝箱旋轉(zhuǎn)鎖軸端頭以及各式螺栓等工件，其表面紋理與鑄造缺陷或淬火形成的圓弧形裂紋、周向裂紋特征相近，應(yīng)當(dāng)考慮紋理對裂紋磁痕顯示的影響，包括深度小于或接近于粗糙度的裂紋漏檢與紋理的誤檢問題；在工件焊縫兩側(cè)的凹陷、工件表面的氧化皮、油漆斑點的邊緣以及粗糙工件表面上顯示的一些斑點可能是由于工件粗糙表面對磁懸液流動的影響而造成的，磁痕分析時應(yīng)考慮在內(nèi)。

3　結(jié)論

(1) 表面光滑的平磨試件表面磁粉堆積較少，也沒有與裂紋特征類似的加工痕跡，對裂紋磁痕的辨識幾乎無影響。

(2) 在表面形貌特征與裂紋特征類似時，在熒光燈照射下，表面粗糙度越大，越類似于裂紋磁痕特征，對磁痕的判斷影響越大。并且在此條件下，表面粗糙度Ra數(shù)值上與裂紋深度相近時，磁粉檢測無法檢出裂紋。

(3) 表面粗糙度Ra越高，粗糙表面對磁懸液的潤濕滯后作用越明顯，表面磁懸液滯留越多，越容易形成偽磁痕或掩蓋裂紋磁痕，對磁粉檢測的可靠性影響越大。

(4) 不同加工工藝形成的工件對裂紋磁痕的顯示與辨識影響不同，在分析磁粉檢測可靠性時應(yīng)綜合考慮。

[1]王曉東, 彭曉峰, 陸建鋒, 等. 粗糙表面接觸角滯后現(xiàn)象分析[J]. 熱科學(xué)與技術(shù), 2003, 2(3)：230-234.

Influence of Surface Roughness on Magnetic Particle Inspection

ZHANG Ji-kai, LI Long, FENG Bo, KANG Yi-hua

(School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China)

Magnetic particle testing has been widely used in non-destruction testing of ferromagnetic materials for detecting defects at or near the surface . A rough surface could give rise to the accumulation of the magnetic powder, leading to excessive background which would make the defects harder to recognize and finally cause the missing inspection or wrong results. Analysis about the relationship between surface roughness and magnetic flux leakage of the crack was put forward by establishing models in this paper. The qualitative analysis indicated that surface roughness could influence the reliability of magnetic particle testing to some extent.

Surface roughness; Magnetic particle testing; Magnetic particle indication; Reliability

2015-02-05

國家自然科學(xué)基金資助項目(51475194，51275193)

張繼楷(1992-)，男，博士研究生，研究方向為精密器件的無損檢測。

康宜華(1965-)，男，博士生導(dǎo)師，主要從事無損檢測技術(shù)及儀器方向研究工作。

10.11973/wsjc201603013

TG115.28

A

1000-6656(2016)03-0052-04