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表面状态对检测的影响专题报道之二:表面粗糙度对磁粉检测的影响
发布:kittyll   时间:2016/4/7 17:01:24   阅读:999 
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磁粉检测 图片来源:网络
 
磁粉检测是检测铁磁性材料表面和近表面缺陷行之有效的无损检测方法。由于机械加工、腐蚀及氧化等因素都会造成工件表面不平整,这些不平整的情况在磁粉检测实施过程中引起的磁痕特征与裂纹磁痕特征相当时,工件粗糙表面将会造成磁粉检测中的漏检或误检。
 
依据磁粉检测标准JB/T 4730.4-2005,磁粉检测中被检工件表面的不规则状态不得影响检测结果的正确性和完整性,否则应做适当的打磨处理,打磨后被检工件的表面粗糙度Ra≤25μm。因此,在常规磁粉检测过程中,表面粗糙度(Ra≤25μm)对磁粉检测的影响最容易被忽视,且国内外对此研究较少。
 
另外,在实际探伤过程中,一般并未考虑到表面的形貌特征与裂纹特征的关系,也尚未有研究提到表面粗糙度对磁悬液流动的影响。
 

磁痕形貌 图片来源:网络

1 表面粗糙度对磁粉检测影响的机理
 
磁粉检测的能力与施加磁场的大小、方向以及裂纹的延伸方向有关。当工件磁化方向与裂纹延伸方向垂直时,裂纹处的漏磁场最大,检测灵敏度最高。所以当工件表面形貌特征与裂纹特征相似,即工件表面由机械加工等方式形成的纹理延伸方向与裂纹延伸方向一致,同时工件表面粗糙度Ra接近裂纹深度时,工件表面纹理处产生的漏磁场可能与裂纹漏磁场大小相当,在对磁粉检测结果进行判别时,易造成漏检和误检。
 
为了更好的研究表面粗糙度对磁粉检测的影响,华中科技大学机械科学与工程学院的研究小组对表面形貌进行了二维建模仿真,分析计算在裂纹宽度与表面纹理间距相同、表面粗糙度不同的情况下,相同深度裂纹漏磁场与表面形貌漏磁场幅值之比Bb/BGPS。在此,漏磁场均取其切向分量进行运算。
 
结果显示:当表面纹理延伸方向与裂纹延伸方向一致时,随着工件表面粗糙度增大,Bb/BGPS降低,裂纹的检出能力降低。
 
另一方面,随工件表面粗糙度的增加,磁悬液的液相表面张力增加,液体在表面的润湿滞后越明显,磁悬液在表面的滞留就越多且越容易以水珠的形式停留在表面,在荧光灯照射下,会形成较强的背景光和斑点状伪磁痕,也会造成误判或掩盖裂纹磁痕,增加了裂纹磁痕识别的难度。
 
综上,表面粗糙度对磁粉检测的影响与粗糙度大小以及表面形貌特征有关。
 
2 试验研究
 
(1)试件
 
表面粗糙度是统计学上的一个概念,具有随机性,为了更好地观察其对磁粉检测的影响,研究小组选择具有规则加工纹理的试件开展表面形貌特征对裂纹探伤的影响研究。
 
选择加工精度相对较低的卧铣、立铣加工工件,表面粗糙度分别为Ra=18,12.5,3.2μm的盘刀铣试件共3件,Ra=12.5,7.5,3.2μm的立刀铣试件共3件,以及加工精度相对较高(Ra=0.025μm)的平磨试件一件(标准表面),试件表面如图1所示。
 
图1 不同加工方式试件表面形貌
 
每个试件上的对应位置均有3个相同宽度、不同深度的人工裂纹,人工裂纹示意图如图2所示。人工裂纹的深度由浅到深依次记为A型、B型、C型,裂纹深度依次为5,20,50μm。
 

图2 试件表面人工裂纹位置示意图
 
采用直流线圈对试件进行磁化,试验装置图如图3所示,励磁电流为10A,磁化线圈匝数设定为2000匝。
 
 
图3 试验装置示意图
 
(2)试验结果
 
荧光磁粉在黑光照射下,能发出人眼最敏感的黄绿色荧光(波长范围为510~550nm),对比度高、易观察且灵敏度高,故研究中采用荧光磁粉检测方法,以便观察工件表面粗糙对人工裂纹磁痕的影响。
 
分别对上述试件进行预处理、磁化、施加荧光磁粉配置的磁悬液,在荧光灯下观察并记录试验现象,分析表面粗糙度对磁粉检测的影响。取试件被磁化最均匀的区域进行观察,得到如图4所示的试验结果。
 
图4 试件磁粉检测试验结果

根据上述试验结果分析出裂纹的可识别程度,得到表1。

表1 磁粉检测结果
缺陷 平磨试件 盘刀铣Ra=3.2μm 盘刀铣Ra=12.5μm 盘刀铣Ra=18μm 立刀铣
Ra=3.2μm
立刀铣
Ra=7.5μm
立刀铣
Ra=12.5μm
A型裂纹 无法识别 无法识别 无法识别 无法识别 无法识别 无法识别 无法识别
B型裂纹 清晰可见 较为清晰 勉强可识别 无法识别 无法识别 勉强可辨识 无法辨识
C型裂纹 清晰可见 较为清晰 较为清晰 较为清晰 勉强可识别 勉强可辨识 无法辨识
 
根据上述结果可知:
 
对于盘刀铣试件,其加工形成的表面纹理延伸方向与人工刻伤延伸方向相近,随着粗糙度的增大,加工痕迹也在荧光灯照射下逐渐清晰可见,而且磁痕特征与裂纹特征相似,裂纹的辨识难度逐渐增加。在Ra=18μm的盘刀铣试件表面,相当一部分磁悬液以水珠的形式滞留在工件表面,严重影响裂纹的识别,并且裂纹深度为20μm的B型缺陷已无法辨识,说明在盘刀铣试件表面,当裂纹深度与粗糙度数值相近时,裂纹与表面纹理难以区别。
 
对于立刀铣试件,其表面形貌与盘刀铣试件差别较大,不仅有刀具加工形成的多条圆形痕迹,还有每两次走刀之间形成的线状痕迹。试验结果表明,立刀铣试件随着粗糙度的增加,裂纹的辨识难度总体上也是逐渐增加,而Ra=3.2μm试件上B型裂纹的辨识比Ra=7.5μm试件上C型裂纹辨识更难,这主要是因为由于加工条件限制,两个试件所使用的立刀铣刀刀具半径不同,在表面所形成的加工痕迹也不同。
 
与对应的三件盘刀铣试件相比,立刀铣试件粗糙度值虽然相对低一些,裂纹却相对难以辨别,主要是因为立刀铣试件上刀具加工痕迹过多,在表面形成多条圆形痕迹,以及每两次走刀之间形成条形痕迹,不仅会产生与裂纹特征相似的痕迹,刀具加工痕迹对磁悬液的流动的影响更会造成磁粉堆积,使裂纹难以辨别。
 
综上所述,在磁粉检测中,当被检工件表面粗糙度较高,例如拉环杆、发动机短轴以及载重汽车齿轴等,微裂纹的漏检问题不可忽视,严重会致断裂,造成生命财产的重大损失;
 
当被检工件表面有规则纹理时,例如集装箱旋转锁轴端头以及各式螺栓,其表面纹理与铸造缺陷或淬火形成的圆弧形裂纹、周向裂纹特征相近,应当考虑纹理对裂纹磁痕显示的影响,包括深度小于或接近于粗糙度Ra数值的裂纹漏检问题与纹理的误检问题;
 
在工件焊缝两侧的凹陷、工件表面的氧化皮、油漆斑点的边缘以及粗糙工件表面上显示的一些斑点可能是由于工件粗糙表面对磁悬液流动的影响,磁痕分析时应考虑在内。

 
3 结论
 
(1)表面光滑的平磨试件表面磁粉堆积较少,也没有与裂纹特征类似的加工痕迹,对裂纹磁痕的辨识几乎无影响;
 
(2)在表面形貌特征与裂纹特征类似时,在荧光灯照射下,表面粗糙度越大,越类似于裂纹磁痕特征,对磁痕的判断影响越大。并且在此条件下,表面粗糙度Ra数值上与裂纹深度相近时,磁粉检测无法检出裂纹;
 
(3)表面粗糙度Ra值越高,粗糙表面对磁悬液的润湿滞后作用越明显,表面磁悬液滞留越多,越容易形成伪磁痕或掩盖裂纹磁痕,对磁粉检测的可靠性影响越大;
 
(4)不同加工工艺形成的工件对裂纹磁痕的显示与辨识影响不同,在分析磁粉检测可靠性时应综合考虑。
 
 
节选自《无损检测》2016年第38卷第3期
 
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本文作者:张继楷,华中科技大学 机械科学与工程学院 博士研究生,主要从事于精密器件的无损检测工作。
 
康宜华,华中科技大学 机械科学与工程学院 博士生导师,主要从事无损检测技术及仪器方向的研究工作。
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