朱序1 赵明波2 柳燕3
北方华安工业集团有限公司 黑龙江齐齐哈尔161046
摘要：磁粉探伤零位一般是产品的关键重要件，磁场类型的选择对整个产品的质量具有重要意义。
关键词：磁粉探伤；磁场类型；三维磁场
磁粉探伤的对象是铁磁性材料。工件磁化后，由于材料中存在缺陷，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。漏磁场吸引施加于工件表面的磁粉，形成可见的磁痕，显示产品中缺陷的位置、形状和大小。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。基于此，本文详细探讨了磁粉探伤中的磁场类型。
一、磁粉探伤
磁粉探伤是适用于铁磁性材料、制件(包括板材、管材、型材等原材料、毛坯、半成品、零件、返修件、锻钢件、焊接件、铸件和大修检查件等)表面和近表面的无损检测，可发现各种裂纹、夹杂(含发纹)、夹渣、折叠、白点、分层、气孔、未焊透、疏松、冷隔等缺陷。
二、磁场纬度及类型
1、磁场纬度。它是描述磁场中某一点磁场方向随时间在空间变化的物理量。若某一点的磁场方向不随时间变化或总是随时间沿同一直线变化，则该点的磁场具有一维维度；若磁场中某一点的磁场方向随时间在同一平面上变化，则该点的磁场具有二维维度；若磁场中某一点的磁场方向随时间在空间呈立体变化(在不同平面内变化)，则磁场在该点具有三维维度。
2、类型。根据磁场中各点的磁场纬度，磁场可分为一维磁场、二维磁场、三维磁场。
由于磁场方向可用磁力线来表示，所以一维磁场是指磁力线形状不随时间变化的磁场。在一维磁场中，若磁力线构成以某直线为轴的同心圆，则该磁场称为周向磁场；若磁力线构成平行直线，磁场则称为纵向磁场。产生周向磁场的磁化方法有通电法、中心导体法、触头法等；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。
磁场的叠加改变了磁场的形式，产生了新的磁场类型，例如，两个变化的一维磁场的垂直叠加可产生二维磁场。三维磁场可由三个一维磁场叠加而成，也可由一个二维磁场与一个一维磁场叠加而成。
此外，根据磁场强度和方向是否随时间变化，磁场可分为恒定磁场与变化磁场。若磁场中各点的磁场强度矢量不随时间变化，则称为恒定磁场，否则称为变化磁场。若磁场中每个点的磁场方向不随时间变化，则称为恒向磁场；若磁场中每一点的磁场强度不随时间变化，则该磁场称为恒强磁场。
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与纵向磁场均为一维磁场。二维和三维磁场为变化磁场。
无限长直导线中稳恒直流电产生的周向磁场为恒定磁场；无限长密绕直螺旋管线圈中通以半波整流电，其内部产生的磁场为变化、恒定磁场。
三、一纬磁场
1、恒定磁场。其是指磁场中各点的磁场方向和强度保持不变，与时间无关。这种磁场由稳恒直流电(三相全波整流电)产生，特点是磁场中每个点的磁场大小和方向无变化。
由于恒定磁场由直流电产生，因而磁场可从产品表面渗透更深，有利于检测零件的内部缺陷，但表面探伤灵敏度明显下降，通常用于深层缺陷的检测。
2、恒向磁场。横向磁场属于一维磁场。磁粉探伤常用的恒向磁场有单相半波整流磁场、单相全波整流磁场和三相半波整流磁场。
常用的单相半波整流磁场的特点是磁场大小按正玄规律周期性变化，磁场方向不变。单相整流产生的恒向磁场具有直、交流磁场的特性，同时具有渗透性及脉动性。这种磁场可检测出深部缺陷，保证工件表面有足够的灵敏度，通常用于同时检测表面和近表面缺陷。
3、交变磁场。在磁粉探伤中，交变磁场一般由正玄交流电产生，其特点是磁场的大小按正玄规律变化，而磁场的方向随时间呈周期性反向变化。由于交变磁场交流电的趋肤效应，因而交变磁场对零件表面具有很高的灵敏度，常用于检测零件表面缺陷。
4、一维磁场的应用特点。上述磁场都是一维磁场。一维磁场是磁粉探伤中最常用的磁场类型之一。当缺陷垂直于磁场时，磁粉探伤的灵敏度最高，而一维磁场的磁场方向要么不变，要么呈直线变化，因此，一维磁场最适合于检测规则零件中可预测的固定方向缺陷。例如，用周向磁场检测圆柱形零件的纵向裂纹，用纵向磁场检测圆柱形零件的横向裂纹等。
当零件缺陷方向具有未知或多向性时，一维磁场不能一次全部检测出来，特别是当缺陷、磁场方向平行时，该缺陷会漏检。这类零件需多次磁化(多向磁化，一般在两个相互垂直的方向)综合检测才能完成。
四、二维磁场
二维磁场可由两个一维磁场叠加而成，常用的二维磁场有椭圆旋转磁场及摆动磁场。
1、椭圆旋转磁场。在两个相互垂直的方向上施加一个具有相同频率和不同振幅(可由交流电产生)的一维正玄交变磁场，叠加形成的磁场为椭圆旋转磁场，磁场矢量的末端轨迹形成一个椭圆。
椭圆的长轴方向是振幅较大的一维磁场方向，椭圆短轴是振幅较小的一维磁场方向。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。
2、摆动磁场。当椭圆旋转磁场中两个一维磁场的变化范围较小时，如当两个一维磁场为单相全波整流磁场时，椭圆旋转磁场变为椭圆摆动磁场，磁场矢量只在第一象限摆动。通过改变两个一维磁场的取值范围，可改变摆动磁场的摆动角。例如，当两个一维磁场中的一个是交变磁场，另一个是单相全波整流磁场时，磁场矢量在两个象限内摆动。
当两个一维磁场的最大值相同时，椭圆摆动磁场变为圆摆磁场。当椭圆旋转磁场中的一个一维磁场是恒定磁场时，椭圆旋转磁场就变成直摆磁场，摆动角的大小与恒定磁场的大小和一维变化磁场幅值有关。
3、二维磁场的应用特点。由于二维磁场的磁场方向随时间变化，二维磁场可同时检测多个方向的缺陷。对于摆动磁场，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，磁场方向在平面内随时间呈圆周性周期性变化，因而二维磁场中缺陷角的检测范围最大。
但当零件中的缺陷平行于二维磁场的旋转平面时，例如裂纹平面平行于二维磁场的旋转平面时，二维磁场由于不存在漏磁场而无法检测出此类缺陷。即使使用二维磁场，也有可能漏检。
五、三维磁场
1、椭球旋转磁场。椭球旋转磁场是一种基本的三维磁场，由三个一维交变磁场垂直叠加而成。产生磁场的线圈可控制三个一维磁场的相位。椭球旋转磁场的磁场矢量随时间呈周期性变化，矢量端点的轨迹在同一椭球上。
2、圆锥旋转磁场。在椭球旋转磁场中，若一维磁场分量之一为恒定磁场，则形成的三维磁场为椭圆锥旋转磁场；磁场矢量的运动轨迹形成一个椭圆锥。在椭圆锥旋转磁场中，若两个交变磁场的最大振幅相同，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形成多种三维磁场。
3、三维磁场的应用特点。与一、二维磁场相比，由于三维磁场具有三维维度，磁场中各点的磁场方向随时间在空间呈立体变化。因此，利用三维磁场进行探伤时，只需对工件磁化一次，就可检测出工件各个方向的缺陷。对于不规则零件的检测，三维磁场比一维、二维磁场有很大的优势。
4、三维磁场在特殊缺陷检测中的应用。冲压螺栓是一种带特殊螺帽的螺栓，常用于外表面不允许凸出螺帽的产品。由于螺母零件在冲压过程中的冲压，冲压孔底部易出现冲压裂纹。在实际检测中，该冲压裂纹在常规的周向、纵向磁化检测后均漏检。其原因在于，裂纹是与螺栓同轴的筒状裂纹，无论是周向磁化还是纵向磁化，甚至由周向磁场与纵向磁场复合的二维磁场磁化，其磁场方向也一直平行于裂纹面，因此不会产生漏磁场。螺栓被三维磁场磁化，由于三维磁场为全方位磁化，在一定时间内，磁场方向垂直于冲压裂纹产生漏磁场，检测出缺陷。
参考文献：
[1]叶代平.磁粉检测[M].北京：机械工业出版社，2015.
[2]王明军.磁粉探伤中的磁场类型[J].航天制造技术，2020(05).