磁粉探傷中的磁場類型

王明軍 李曉斌 周京紅 田 楊

磁粉探傷中的磁場類型

王明軍 李曉斌 周京紅 田 楊

（北京航星機器制造有限公司，北京 100013）

磁粉探傷中磁場矢量與缺陷之間的關系尤其重要。從磁場矢量出發，分析了磁粉探傷中常用的磁場類型，提出了磁粉探傷中磁場緯度的概念，并根據磁場緯度把磁場劃分為一維磁場、二維磁場和三維磁場。結合這三種磁場的形成原理，討論了磁粉探傷中磁場的各種形式，并詳細介紹了其產生的方法及應用特點。各種磁場類型都有其檢測優勢，充分利用磁場類型的選擇，可以提高磁粉探傷效率并避免缺陷漏檢。

磁粉探傷；磁場類型；磁場緯度；三維磁場

1 引言

磁粉探傷的對象是鐵磁性材料。工件被磁化后，由于材料中缺陷存在，使得工件表面及近表面的磁力線在缺陷處發生畸變產生漏磁場[1]。漏磁場吸引施加在工件表面的磁粉，形成可見的磁痕，從而顯示產品中缺陷的位置、形狀與大小。因此，產生漏磁場是磁粉探傷中最重要的環節，而漏磁場的產生與工件中的磁場類型密切相關。磁粉探傷離不開磁場。分類研究磁粉探傷中應用磁場，針對工件中不同的缺陷，以期找到更優的檢測方法。

2 磁場的產生

按照現代電磁理論的觀點，磁場是由電流或變化的電場產生的，并且變化的磁場也能產生電場。產生磁場的公式如下：

靜止的電荷產生靜電場，不產生磁場；穩恒電流產生穩恒磁場；交變電流產生交變的磁場。磁場是無源渦旋場，磁力線是閉合曲線，電流是渦旋中心，是磁場的源泉。所謂的能產生保守磁場的磁單極子（磁荷）實際上是不存在的。

在實際的磁粉探傷中，磁場是由正弦交流電或其整流電產生。

3 磁場緯度及磁場類型

3.1 磁場緯度

磁場緯度是描述磁場中某點磁場方向隨時間在空間變化情況的物理量。如果磁場中某一點的磁場方向不隨時間改變或隨時間始終在同一條直線上變化，那么該磁場在該點具有一維維度；如果磁場中某一點的磁場方向隨時間在且僅在同一個平面內變化，那么該磁場在該點具有二維維度；如果磁場中某一點的磁場方向隨時間在空間呈立體變化（在不同的平面內變化），那么該磁場在該點具有三維維度。

3.2 一維磁場、二維磁場和三維磁場

按照磁場中各點的磁場緯度情況可以把磁場劃分為一維磁場、二維磁場和三維磁場。

因為磁場方向可以用磁力線表示，所以一維磁場指磁場中磁力線形狀不隨時間變化的磁場。在一維磁場中，如果磁力線構成以某直線為軸的同心圓，則稱該磁場為周向磁場；如果磁力線構成平行直線，則稱該磁場為縱向磁場。產生周向磁場的磁化方法有通電法、中心導體法、觸頭法等；產生縱向磁場的磁化方法有線圈法、電纜纏繞法、磁軛法、感應法等。

磁場的疊加使磁場的形式發生變化而產生新的磁場類型，例如兩個變化的一維磁場垂直疊加可以產生二維磁場。三維磁場可以由三個一維磁場的疊加產生，也可以由一個二維磁場和一個一維磁場疊加產生。

3.3 恒定磁場和變化磁場

按照磁場中各點磁場強度大小及磁場方向是否隨時間改變把磁場分為恒定磁場和變化磁場。如果磁場中每一點的磁場強度矢量都不隨時間變化，則稱為恒定磁場，否則稱為變化磁場。如果磁場中各點磁場方向不隨時間而變化，則稱該磁場為恒向磁場；如果磁場中各點磁場強度大小不隨時間而變化，則稱該磁場為恒強磁場。

恒定磁場屬于恒向磁場，恒向磁場皆為一維磁場。磁粉探傷中常用的周向磁場和縱向磁場皆是一維磁場。二維及三維磁場皆是變化磁場。

無限長直導線中穩恒直流電產生的周向磁場是恒定磁場；無限長密繞直螺旋管線圈中通以半波整流電，其內部產生的磁場是變化磁場，也是恒向磁場。

4 一緯磁場

4.1 恒定磁場

恒定磁場指磁場中每一點的磁場方向與磁場強度始終保持不變，且與時間無關。這類磁場由穩恒直流電（三相全波整流電）產生，其特點是磁場中各點磁場大小不變，磁場中各點磁場方向不變，如圖1所示。

圖1 恒定磁場示意圖

由于恒定磁場由直流電產生，故磁場可以滲透到距產品表面較深處，利于檢測零件內部缺陷，但表面探傷靈敏度下降明顯，常用于較深缺陷的檢測。

4.2 恒向磁場

圖2 恒向磁場示意圖

橫向磁場屬于一維磁場。磁粉探傷中常用的恒向磁場有單相半波整流磁場、單相全波整流磁場、三相半波整流磁場，如圖2所示。

常用的是單相半波整流磁場，特點是磁場大小按正玄規律周期性變化，而磁場方向保持不變。由于單相整流產生的恒向磁場同時具有直流磁場和交流磁場的性質，兼有滲透性和脈動性。該類磁場能檢測較深的缺陷，同時也能夠保證工件表面足夠的靈敏度。常用于同時檢測表面及近表面缺陷。

4.3 交變磁場

磁粉探傷中交變磁場一般都由正玄交流電產生。主要特點是磁場大小按正玄規律變化，而磁場方向隨時間周期性反向改變。由于產生交變磁場的交流電具有趨膚效應，所以交變磁場在零件表面具有較高的靈敏度，常用于檢測零件表面缺陷。交變磁場如圖3所示。

圖3 交變磁場示意圖

4.4 一維磁場的應用特點

以上幾種磁場皆為一維磁場。一維磁場是磁粉探傷中最常用的磁場類型之一。由于缺陷和磁場方向垂直時磁粉探傷靈敏度最高，而一維磁場的磁場方向要么不變，要么在一條直線上變化，所以一維磁場最適合規則零件中可預知的固定方向缺陷的檢驗。如：用周向磁場檢驗圓柱形零件縱向裂紋、用縱向磁場檢驗圓柱形零件橫向裂紋等。

當零件的缺陷方向具有未知性或多向性時，則一維磁場不能一次全部檢出，尤其缺陷方向和磁場方向平行時，該缺陷將漏檢。這樣的零件需要多次磁化（即多方向磁化，一般在兩個互相垂直的方向）綜合檢測才能完成。

5 二維磁場

二維磁場可以由兩個一維磁場疊加產生。常用的二維磁場有橢圓旋轉磁場和擺動磁場。

5.1 橢圓旋轉磁場

在兩個互相垂直的方向各施加一個頻率相同振幅不同的一維正玄交變磁場（可由交流電產生），其疊加形成的磁場為橢圓旋轉磁場，磁場矢量的端點軌跡形成一個橢圓，如圖4所示。

圖4 橢圓旋轉磁場矢量終端軌跡

橢圓的長軸方向就是較大振幅的一維磁場的方向，橢圓短軸就是較小振幅的一維磁場的方向。當兩個一維磁場振幅相等時，橢圓旋轉磁場變為圓形旋轉磁場。

5.2 擺動磁場

當橢圓旋轉磁場中兩個一維磁場變化范圍較小時，例如當兩個一維磁場都為單相全波整流磁場時，該橢圓旋轉磁場成為橢圓擺動磁場，磁場矢量只在第一象限擺動。改變兩個一維磁場的取值范圍，就可以改變擺動磁場的擺動角。例如兩個一維磁場中一個為交變磁場，一個為單相全波整流磁場時，磁場矢量在兩個象限擺動，如圖5所示。

圖5 橢圓擺動磁場擺動示意圖

當兩個一維磁場最大值相同時，橢圓擺動磁場成為圓擺磁場（擺動時候磁場大小不變）。當橢圓旋轉磁場中其中一個一維磁場為恒定磁場時，橢圓旋轉磁場變為直擺磁場，如圖6所示。可知，直擺磁場的擺動角小于180°。擺動角的大小和恒定磁場的大小及一維變化磁場幅值有關。

圖6 直擺磁場擺動示意圖

5.3 二維磁場的應用特點

由于二維磁場的磁場方向隨時間不斷變化，二維磁場能同時檢測多個方向的缺陷。對于擺動磁場來說，其擺動角越大，能檢測的缺陷角度范圍也越大。對于橢圓旋轉磁場來說，磁場方向隨時間在平面內做圓周性周期性變化，故其檢測缺陷角度的范圍是二維磁場中最大的。

但當零件中的缺陷和二維磁場旋轉平面平行時，譬如裂紋平面平行于二維磁場旋轉平面時，由于不產生漏磁場，二維磁場不能檢測這樣的缺陷。即使使用二維磁場，也有漏檢的可能。

6 三維磁場

6.1 橢球旋轉磁場

橢球旋轉磁場是基本的三維磁場，可由三個一維交變磁場相互垂直疊加產生。三個一維磁場的相位可由產生磁場的線圈控制。橢球旋轉磁場的磁場矢量隨時間周期性變化，矢量端點軌跡在同一個橢球上。

6.2 圓錐旋轉磁場

在橢球旋轉磁場中，如果其中一個一維磁場分量為恒定磁場，則形成的三維磁場為橢圓錐旋轉磁場；磁場矢量運動軌跡形成一個橢圓錐。在橢圓錐旋轉磁場中，如果兩個交變磁場最大振幅相同，則形成的三維磁場為圓錐旋轉磁場，磁場矢量運動軌跡形成一個圓錐。

改變橢球旋轉磁場三個一維磁場，可以形成多種三維磁場。

6.3 三維磁場的應用特點

相對于一維和二維磁場來說，由于三維磁場具有三維維度，磁場中每一點的磁場方向隨時間在空間呈立體變化。所以用三維磁場探傷時，只需對工件磁化一次，便可檢測出工件中所有方向的缺陷。對于不規則零件的檢查，三維磁場相比一維磁場和二維磁場均具有很大的優勢。

6.4 三維磁場在特殊缺陷檢驗中的應用

沖壓螺栓是一種特殊螺帽的螺栓，常常用于外表面不允許突出螺帽的產品。沖壓螺栓由于其工藝過程中螺帽部分的沖壓，容易在沖壓坑底部產生沖壓裂紋。在實際的檢測中，該沖壓裂紋在常規的周向磁化和縱向磁化檢測后均漏檢。分析其原因，該裂紋為與螺栓同軸的筒狀裂紋，無論是周向磁化還是縱向磁化，甚至由周向磁場和縱向磁場復合的二維磁場磁化，磁場方向也一直平行于裂紋面，使得漏磁場不能產生。采用三維磁場磁化該螺栓，因三維磁場為全方向磁化，使得某一時刻磁場方向垂直沖壓裂紋產生漏磁場，缺陷被檢出。

7 結束語

按照磁場矢量特點，首次提出磁場維度概念。根據磁場維度，磁粉探傷中的磁場可分為三個類型，即一維磁場、二維磁場和三維磁場。一維磁場中各點具有一維維度，二維磁場中各點具有二維維度，三維磁場中各點具有三維維度。這些磁場均可由交流電（或其整流電）產生。一維磁場多用于規則產品中方向已知缺陷的檢驗；二維磁場多用于規則零件中方向未知缺陷的檢驗，三維磁場多用于不規則零件或特殊缺陷的檢驗。

三種磁場類型都有其檢測優勢。磁粉探傷中根據零件外形、尺寸及待檢缺陷的特點，選擇合適的磁場類型進行探傷，可以提高磁粉探傷效率并避免缺陷漏檢。磁粉探傷的零件一般為產品的關鍵重要件，磁場類型的選擇對于整個產品的質量具有重要意義。

1 葉代平，蘇李廣. 磁粉檢測[M]. 北京：機械工業出版社，2006

2 王鴻謨，龔遠芳，游壽星. 基礎理論物理[M].成都：四川大學出版社, 1992

Types of Magnetic Field in Magnetic Particle Inspection

Wang Mingjun Li Xiaobin Zhou Jinghong Tian Yang

(Beijing Hangxing Machinery Manufacturing Co., Ltd., Beijing 100013)

In magnetic particle flaw detection, the relationship between magnetic field vector and defect is particularly important. Starting from the magnetic field vector, this paper analyzes the types of magnetic field commonly used in magnetic particle inspection, and puts forward the concept of magnetic field latitude in magnetic particle inspection for the first time. According to the magnetic field latitude, magnetic field is divided into one-dimensional magnetic field, two-dimensional magnetic field and three-dimensional magnetic field. Combined with the formation principle of these three kinds of magnetic fields, the various forms of magnetic field in magnetic particle inspection are discussed, and their generating methods and application characteristics are introduced in detail. All kinds of magnetic field types have their own advantages. Making full use of the selection of magnetic field types can improve the efficiency of magnetic particle inspection and avoid missing defects.

magnetic particle testing；magnetic field type；magnetic field dimension；three dimensional magnetic field

王明軍（1975），高級工程師，材料物理專業；研究方向：無損檢測。

2020-09-13