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交流磁探机退磁功能不良的原因分析
发布:kittyll   时间:2015/8/20 15:27:29   阅读:1408 
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图片来源:网络

经过磁粉探伤的铁磁性材料工件上会有剩磁存在,为防止剩磁对工件的使用性能或后续加工与检测造成不良影响,一般情况下需要对磁探后的工件进行退磁。

退磁的原理是在对工件施加不小于原磁化时所用的磁场强度的基础上,交替改变磁化场方向,并连续衰减磁化场强度至零,使工件内的磁场(磁感应强度)值遵循该工件材料磁滞回线围绕原点内缩路径也到达0点。根据有关文献和标准,工件退磁后用指针式的剩磁强度计测量,剩磁不超过0.3mT,就能满足对退磁的实际要求。

磁粉探伤机通常都具有退磁功能。交流磁探机由于所用的磁化电流为工频交流,磁化场方向以50HZ频率自动交变,因此只要增加电流自动衰减控制即能实现退磁。

但是用具有退磁功能的交流磁探机对经磁探工件退磁,会出现退磁不尽,即工件剩磁超过允许标准的情况。目前最常见的交流磁探机是采用可控硅(SCR)元件调节磁化电流大小与通断的,本文仅对此类磁探机出现退磁功能不良的主要原因进行分析。

1.正反并联的同规格可控硅元件电气参数一致性差,不匹配

无论是用直接导电方式周向退磁,还是用线圈或磁轭纵向退磁,用示波器观察磁探机退磁过程电流波形,其包络应上下对称,一般以e指数函数规律衰减至0,见图1。只有这样,被退磁工件上的剩磁才能遵循该工件材料磁滞回线围绕原点内缩路径(即退磁B-H回线)最后到达0点,完成退磁,见图2。
 
图1



图2

如果机上用于调节磁化电流大小与通断的正反并联的可控硅元件虽然为同一型号同一规格,但因对其电气特性参数未经严格配对性筛选,而有产品技术条件允许的较大差异,则因正反并联可控硅的电流衰减受同一自动衰减控制电路控制,退磁过程中退磁电流上下包络将不对称,当一个方向的电流已衰减至0,而另一方向的电流还在衰减中,见图3。这样一来,从工件对应的退磁B-H回线来看,工件上最后的剩磁回不了0点,最后的剩磁值将超过标准允许值,见图4。这是交流退磁机退磁功能不良最常见的原因。
 

图3



图4

正反并联的同规格可控硅元件电气参数一致性差的问题不影响交流磁探机对工件的磁化,但是欲使设备具有良好的机上退磁功能,必须重视对所用的配套CSR元件作电气特性一致性的筛选。

2.磁化电流自动衰减控制电路中的电容器C故障

以可控硅元件调节磁化电流的磁探机是通过调节可控硅的导通角来进行电流调节的。可控硅触发脉冲的触发角越小,即导通角越大,得到的磁化电流也就越大。

可控硅触发脉冲的触发角通常是通过RC电路来调节的,模拟控制式的磁探机控制面板上的磁化电流预置旋钮实际是一个可变电位器,即通过调节RC移相电路里的R,来调节可控硅导通角,预置旋钮调到的刻度值越大,R越大,能产生的磁化电流也就越大。

交流磁探机机上退磁时,磁化电流的自动衰减也即触发脉冲的自动移相,是通过退磁触发电路里的电容器充电或放电时电容上的电压变化来实现的。因此如果该电容器出故障,不能正常以指数函数规律充、放电,磁化电流就不能自动衰减,自然就不能正常退磁了。

因此,当交流磁探机出现退磁功能不良问题时也应检查退磁触发电路的电容器是否完好,如果通过示波器可观察到退磁过程磁化电流波形的正常衰减包络,则说明该电容器正常。

3.磁轭式纵向磁化磁探机的安装方位

无论是进口还是国产磁轭式纵向磁化的磁探机,由于安装方位不当,也会导致退磁后剩磁过大。这是业内尚未引起足够重视和得到合理解释的一个问题。

美国磁通公司在南方为客户安装和调试一台600WE交流磁探机时,发现机上退磁功能不能满足对曲轴件的退磁要求。

600WE是美国磁通公司旗下德国Tiede系列的磁探机主力机型,其对工件的纵向磁化是以额定磁势为10000AT的开路交流磁轭来实施的。该机在我国汽车行业获得广泛应用,国内某知名无损检测企业也在仿其基础上增加功能,进行了批量生产并有大量用户。据知,该机型也经常碰到机上退磁功能不良的问题。

在南方某公司设备安装现场,用600WE机对曲轴件(钢锻件制件)磁探和退磁后,用剩磁强度计检测工件端头,剩磁高达8GS左右,而且这不是少数偶发现象。磁通公司售后服务工程师用示波器检测了机上退磁过程的磁化电流波形。实测退磁电流波形正反两个方向是对称的,而且是以e指数函数规律衰减到0的,这说明SCR元件的电气参数匹配一致性良好和退磁电流自动衰减控制电路里的电容器没有问题,那么问题出在那里呢?
 
经要求支援,Tiede德国售后工程师也到场检查,同样进行了以上检查后,没能找到问题症结。最后他无奈提出是否将磁探机安装方位改变试试,因为原来发生问题的该机的安装方位为头、尾座轴向顺南北方向,现将其临时转90°安放。

如前所述,一般标准对工件退磁后的剩磁允许标准是≤3GS(在空气中也即≤3Oe),而即使在中国南方,地磁场强度一般≤0.5Oe,因此将磁探机转到沿东西方向,减小地磁场对退磁效果的影响会有效果吗?德国工程师和我们心中都无数。

奇迹发生了,当该磁探机从南北方向转到东西方向时,同样的曲轴件磁探后,再经机上退磁,用剩磁强度计测试,剩磁居然都合格了。这里的原因何在呢?对照上面所述,这么小的地磁场为什么会对该机的退磁发生如此大的作用呢?开始我们难以理解,德国工程师也一直解释不了原因,事后我们对此问题作了反复研讨,结果找到了合理的定性解释结果:

600WE磁探机的纵向磁化装置是安装在头、尾座上的开路交流磁轭。安装在设备导轨上的头、尾座结构里,分别有一个由硅钢片叠成的磁芯和围绕其绕制的磁轭线圈。

硅钢片磁芯具有极高的磁导率,是极容易被磁化的。从常用硅钢片材料的B-H磁化曲线(见图6)看,即使是很小的磁化场H(如地磁场0.5 Oe,即40A/m)也能使其内部产生高达 3000GS的磁场B。但是我们不能直接引用该磁化曲线,因为它是在闭环样品上测试得到的。在磁化场不能在被磁化件里闭合的情况下,由于在磁化件上产生了磁极,因此要考虑退磁场Hd的影响,此时有效磁化强度H=H0-Hd。退磁场的大小与被磁化件沿磁化场方向的长宽比(L/D)有关。轴类工件在被头尾座夹住磁化或退磁时,由两个硅钢片磁芯和工件构成的磁路闭合部分长度比单个磁芯大多了,增大了长宽比(L/D),从而减小了退磁场Hd。当磁探机是按头尾座轴线沿南北向的方位放置,则当磁轭线圈中的电流为0时,在头、尾座磁芯里的磁场并不为0,而是B=μ(H地-Hd)。

因此即使存在有退磁场,使磁芯上的有效磁场强度小于地磁场,仍可使磁芯里产生不可忽视的远比地磁场强的磁场B。见图5。
 

图5


图6

这个磁场B在头、尾夹头与工件界面的法向连续部分,正好就是中间被夹轴类工件的磁化场H。也就是说,当我们根据工件的材料磁特性曲线图上的Br-H曲线来找工件退磁后的剩磁状态,则当机上退磁电流衰减到0时,磁场强度H既不是0,也不是此处的地磁场强度(设为0.5 Oe即40A/m),而要比其大许多,这样即使工件离开头尾座的夹持转到其它方向,按该工件的Br-H曲线,其剩磁完全有可能大于标准允许的3GS。见图6。

需要说明的是,硅钢片和实际磁探工件的材料状态有很多种,为定性说明问题,图6中硅钢片B-H曲线是按电工教材相关插图曲线数据画出,45号钢(热处理后HRC40)的B-H曲线和Br-H曲线是按兵器工业部研究所编著的《常用钢材料磁特性曲线手册》画出。

以上讨论说明,对于以开路磁轭装置进行纵向磁化的磁探机,如果磁探机是按其头尾座轴线沿南北方向放置的,工件(特别是轴类工件)夹持退磁后可能会有退磁不尽即剩磁超过允许标准的问题。如果磁探机附近有大功率的电力变压器,且在磁探机位置沿其轴向有其产生的可测到的磁场存在,则同样会对工件的退磁效果造成影响。

本文对交流磁探机机上退磁功能不良的几种主要原因进行了分析,其中关于带磁轭式纵向磁化装置磁探机的摆放方位的影响鲜见论述,希望对磁探机安装调试维修人员和操作者的工作有所俾益。

本文得到王海峰先生的指导,谨此表示感谢。

节选自《2014中国无损检测年度报道》

本文作者:美国磁通公司上海办事处  丁豪
 
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