磁粉探伤中的磁场类型

王明军 李晓斌 周京红 田 杨

磁粉探伤中的磁场类型

王明军 李晓斌 周京红 田 杨

（北京航星机器制造有限公司，北京 100013）

磁粉探伤中磁场矢量与缺陷之间的关系尤其重要。从磁场矢量出发，分析了磁粉探伤中常用的磁场类型，提出了磁粉探伤中磁场纬度的概念，并根据磁场纬度把磁场划分为一维磁场、二维磁场和三维磁场。结合这三种磁场的形成原理，讨论了磁粉探伤中磁场的各种形式，并详细介绍了其产生的方法及应用特点。各种磁场类型都有其检测优势，充分利用磁场类型的选择，可以提高磁粉探伤效率并避免缺陷漏检。

磁粉探伤；磁场类型；磁场纬度；三维磁场

1 引言

磁粉探伤的对象是铁磁性材料。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线在缺陷处发生畸变产生漏磁场[1]。漏磁场吸引施加在工件表面的磁粉，形成可见的磁痕，从而显示产品中缺陷的位置、形状与大小。因此，产生漏磁场是磁粉探伤中最重要的环节，而漏磁场的产生与工件中的磁场类型密切相关。磁粉探伤离不开磁场。分类研究磁粉探伤中应用磁场，针对工件中不同的缺陷，以期找到更优的检测方法。

2 磁场的产生

按照现代电磁理论的观点，磁场是由电流或变化的电场产生的，并且变化的磁场也能产生电场。产生磁场的公式如下：

静止的电荷产生静电场，不产生磁场；稳恒电流产生稳恒磁场；交变电流产生交变的磁场。磁场是无源涡旋场，磁力线是闭合曲线，电流是涡旋中心，是磁场的源泉。所谓的能产生保守磁场的磁单极子（磁荷）实际上是不存在的。

在实际的磁粉探伤中，磁场是由正弦交流电或其整流电产生。

3 磁场纬度及磁场类型

3.1 磁场纬度

磁场纬度是描述磁场中某点磁场方向随时间在空间变化情况的物理量。如果磁场中某一点的磁场方向不随时间改变或随时间始终在同一条直线上变化，那么该磁场在该点具有一维维度；如果磁场中某一点的磁场方向随时间在且仅在同一个平面内变化，那么该磁场在该点具有二维维度；如果磁场中某一点的磁场方向随时间在空间呈立体变化（在不同的平面内变化），那么该磁场在该点具有三维维度。

3.2 一维磁场、二维磁场和三维磁场

按照磁场中各点的磁场纬度情况可以把磁场划分为一维磁场、二维磁场和三维磁场。

因为磁场方向可以用磁力线表示，所以一维磁场指磁场中磁力线形状不随时间变化的磁场。在一维磁场中，如果磁力线构成以某直线为轴的同心圆，则称该磁场为周向磁场；如果磁力线构成平行直线，则称该磁场为纵向磁场。产生周向磁场的磁化方法有通电法、中心导体法、触头法等；产生纵向磁场的磁化方法有线圈法、电缆缠绕法、磁轭法、感应法等。

磁场的叠加使磁场的形式发生变化而产生新的磁场类型，例如两个变化的一维磁场垂直叠加可以产生二维磁场。三维磁场可以由三个一维磁场的叠加产生，也可以由一个二维磁场和一个一维磁场叠加产生。

3.3 恒定磁场和变化磁场

按照磁场中各点磁场强度大小及磁场方向是否随时间改变把磁场分为恒定磁场和变化磁场。如果磁场中每一点的磁场强度矢量都不随时间变化，则称为恒定磁场，否则称为变化磁场。如果磁场中各点磁场方向不随时间而变化，则称该磁场为恒向磁场；如果磁场中各点磁场强度大小不随时间而变化，则称该磁场为恒强磁场。

恒定磁场属于恒向磁场，恒向磁场皆为一维磁场。磁粉探伤中常用的周向磁场和纵向磁场皆是一维磁场。二维及三维磁场皆是变化磁场。

无限长直导线中稳恒直流电产生的周向磁场是恒定磁场；无限长密绕直螺旋管线圈中通以半波整流电，其内部产生的磁场是变化磁场，也是恒向磁场。

4 一纬磁场

4.1 恒定磁场

恒定磁场指磁场中每一点的磁场方向与磁场强度始终保持不变，且与时间无关。这类磁场由稳恒直流电（三相全波整流电）产生，其特点是磁场中各点磁场大小不变，磁场中各点磁场方向不变，如图1所示。

图1 恒定磁场示意图

由于恒定磁场由直流电产生，故磁场可以渗透到距产品表面较深处，利于检测零件内部缺陷，但表面探伤灵敏度下降明显，常用于较深缺陷的检测。

4.2 恒向磁场

图2 恒向磁场示意图

横向磁场属于一维磁场。磁粉探伤中常用的恒向磁场有单相半波整流磁场、单相全波整流磁场、三相半波整流磁场，如图2所示。

常用的是单相半波整流磁场，特点是磁场大小按正玄规律周期性变化，而磁场方向保持不变。由于单相整流产生的恒向磁场同时具有直流磁场和交流磁场的性质，兼有渗透性和脉动性。该类磁场能检测较深的缺陷，同时也能够保证工件表面足够的灵敏度。常用于同时检测表面及近表面缺陷。

4.3 交变磁场

磁粉探伤中交变磁场一般都由正玄交流电产生。主要特点是磁场大小按正玄规律变化，而磁场方向随时间周期性反向改变。由于产生交变磁场的交流电具有趋肤效应，所以交变磁场在零件表面具有较高的灵敏度，常用于检测零件表面缺陷。交变磁场如图3所示。

图3 交变磁场示意图

4.4 一维磁场的应用特点

以上几种磁场皆为一维磁场。一维磁场是磁粉探伤中最常用的磁场类型之一。由于缺陷和磁场方向垂直时磁粉探伤灵敏度最高，而一维磁场的磁场方向要么不变，要么在一条直线上变化，所以一维磁场最适合规则零件中可预知的固定方向缺陷的检验。如：用周向磁场检验圆柱形零件纵向裂纹、用纵向磁场检验圆柱形零件横向裂纹等。

当零件的缺陷方向具有未知性或多向性时，则一维磁场不能一次全部检出，尤其缺陷方向和磁场方向平行时，该缺陷将漏检。这样的零件需要多次磁化（即多方向磁化，一般在两个互相垂直的方向）综合检测才能完成。

5 二维磁场

二维磁场可以由两个一维磁场叠加产生。常用的二维磁场有椭圆旋转磁场和摆动磁场。

5.1 椭圆旋转磁场

在两个互相垂直的方向各施加一个频率相同振幅不同的一维正玄交变磁场（可由交流电产生），其叠加形成的磁场为椭圆旋转磁场，磁场矢量的端点轨迹形成一个椭圆，如图4所示。

图4 椭圆旋转磁场矢量终端轨迹

椭圆的长轴方向就是较大振幅的一维磁场的方向，椭圆短轴就是较小振幅的一维磁场的方向。当两个一维磁场振幅相等时，椭圆旋转磁场变为圆形旋转磁场。

5.2 摆动磁场

当椭圆旋转磁场中两个一维磁场变化范围较小时，例如当两个一维磁场都为单相全波整流磁场时，该椭圆旋转磁场成为椭圆摆动磁场，磁场矢量只在第一象限摆动。改变两个一维磁场的取值范围，就可以改变摆动磁场的摆动角。例如两个一维磁场中一个为交变磁场，一个为单相全波整流磁场时，磁场矢量在两个象限摆动，如图5所示。

图5 椭圆摆动磁场摆动示意图

当两个一维磁场最大值相同时，椭圆摆动磁场成为圆摆磁场（摆动时候磁场大小不变）。当椭圆旋转磁场中其中一个一维磁场为恒定磁场时，椭圆旋转磁场变为直摆磁场，如图6所示。可知，直摆磁场的摆动角小于180°。摆动角的大小和恒定磁场的大小及一维变化磁场幅值有关。

图6 直摆磁场摆动示意图

5.3 二维磁场的应用特点

由于二维磁场的磁场方向随时间不断变化，二维磁场能同时检测多个方向的缺陷。对于摆动磁场来说，其摆动角越大，能检测的缺陷角度范围也越大。对于椭圆旋转磁场来说，磁场方向随时间在平面内做圆周性周期性变化，故其检测缺陷角度的范围是二维磁场中最大的。

但当零件中的缺陷和二维磁场旋转平面平行时，譬如裂纹平面平行于二维磁场旋转平面时，由于不产生漏磁场，二维磁场不能检测这样的缺陷。即使使用二维磁场，也有漏检的可能。

6 三维磁场

6.1 椭球旋转磁场

椭球旋转磁场是基本的三维磁场，可由三个一维交变磁场相互垂直叠加产生。三个一维磁场的相位可由产生磁场的线圈控制。椭球旋转磁场的磁场矢量随时间周期性变化，矢量端点轨迹在同一个椭球上。

6.2 圆锥旋转磁场

在椭球旋转磁场中，如果其中一个一维磁场分量为恒定磁场，则形成的三维磁场为椭圆锥旋转磁场；磁场矢量运动轨迹形成一个椭圆锥。在椭圆锥旋转磁场中，如果两个交变磁场最大振幅相同，则形成的三维磁场为圆锥旋转磁场，磁场矢量运动轨迹形成一个圆锥。

改变椭球旋转磁场三个一维磁场，可以形成多种三维磁场。

6.3 三维磁场的应用特点

相对于一维和二维磁场来说，由于三维磁场具有三维维度，磁场中每一点的磁场方向随时间在空间呈立体变化。所以用三维磁场探伤时，只需对工件磁化一次，便可检测出工件中所有方向的缺陷。对于不规则零件的检查，三维磁场相比一维磁场和二维磁场均具有很大的优势。

6.4 三维磁场在特殊缺陷检验中的应用

冲压螺栓是一种特殊螺帽的螺栓，常常用于外表面不允许突出螺帽的产品。冲压螺栓由于其工艺过程中螺帽部分的冲压，容易在冲压坑底部产生冲压裂纹。在实际的检测中，该冲压裂纹在常规的周向磁化和纵向磁化检测后均漏检。分析其原因，该裂纹为与螺栓同轴的筒状裂纹，无论是周向磁化还是纵向磁化，甚至由周向磁场和纵向磁场复合的二维磁场磁化，磁场方向也一直平行于裂纹面，使得漏磁场不能产生。采用三维磁场磁化该螺栓，因三维磁场为全方向磁化，使得某一时刻磁场方向垂直冲压裂纹产生漏磁场，缺陷被检出。

7 结束语

按照磁场矢量特点，首次提出磁场维度概念。根据磁场维度，磁粉探伤中的磁场可分为三个类型，即一维磁场、二维磁场和三维磁场。一维磁场中各点具有一维维度，二维磁场中各点具有二维维度，三维磁场中各点具有三维维度。这些磁场均可由交流电（或其整流电）产生。一维磁场多用于规则产品中方向已知缺陷的检验；二维磁场多用于规则零件中方向未知缺陷的检验，三维磁场多用于不规则零件或特殊缺陷的检验。

三种磁场类型都有其检测优势。磁粉探伤中根据零件外形、尺寸及待检缺陷的特点，选择合适的磁场类型进行探伤，可以提高磁粉探伤效率并避免缺陷漏检。磁粉探伤的零件一般为产品的关键重要件，磁场类型的选择对于整个产品的质量具有重要意义。

1 叶代平，苏李广. 磁粉检测[M]. 北京：机械工业出版社，2006

2 王鸿谟，龚远芳，游寿星. 基础理论物理[M].成都：四川大学出版社, 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

王明军（1975），高级工程师，材料物理专业；研究方向：无损检测。

2020-09-13