船舶磁粉检测工艺及设备

10.4.3　船舶磁粉检测工艺及设备

10.4.3.1　磁粉检测原理

1）磁粉检测原理

磁粉检测是利用漏磁场的基本原理进行无损检测。铁磁性材料和工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，形成在合适光照下目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、形状和大小。

2）磁粉检测特点

磁粉检测适用于检测铁磁性材料表面和近表面尺寸很小、间隙极窄（如可检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹），目视难以看出的不连续性。不能检测奥氏体不锈钢材料和用奥氏体不锈钢焊条焊接的焊缝，也不能检测铜、铝、镁、钛等非磁性材料。对于表面浅的划伤、埋藏较深的孔洞和与工件表面夹角小于20°的分层和折叠难以发现。

3）影响漏磁场的因素

（1）外加磁场强度的影响。缺陷的漏磁场大小与工件磁化程度有关。一般说来，外加磁场强度一定要大于产生最大磁导率μm对应的磁场强度Hm，使磁导率减小，磁阻增大，漏磁场增大。当铁磁性材料的磁感应强度达到饱和值的80%左右时，漏磁场便会迅速增大。

（2）缺陷位置及形状的影响：

①缺陷埋藏深度的影响，同样的缺陷位于工件表面时，产生的漏磁场大；若位于工件的近表面，产生的漏磁场显著减小；若位于工件表面很深处，则几乎没有漏磁场泄漏出工件表面。

②缺陷方向的影响，当缺陷垂直于磁场方向，漏磁场最大，也最有利于缺陷的检出；若与磁场方向平行则几乎不产生漏磁场；当缺陷与工件表面由垂直逐渐倾斜成某一角度，而最终变为平行，即倾角等于0°时，漏磁场也由最大下降至零，下降曲线类似于正弦曲线由最大值降至零值的部分。

③缺陷的深宽比是影响漏磁场的一个重要因素，缺陷的深宽比愈大，漏磁场愈大，缺陷愈容易发现。

④工件材料及状态的影响，如晶粒大小的影响、含碳量的影响、热处理的影响、合金元素的影响、冷加工的影响等。

4）电流对磁粉检测的影响

（1）交流电：

交流电的优点：对表面缺陷检测灵敏度高，容易退磁。能够实现感应电流磁化，能够实现多向磁化，变截面工件磁场分布较均匀，有利于磁粉迁移，适用于在役工件的检验。交流电磁化时，两次磁化的工序间不需要退磁。

交流电的局限性：剩磁法检验时，受交流电断电相位的影响，探测缺陷的深度小。

（2）整流电：

整流电有单相半波整流电，单相全波整流电，三相半波整流电，三相全波整流电。其中单相半波整流电主要用于干法检测。三相全波整流电具有很大的渗透性和很小的脉动性，剩磁稳定，适用于近表面缺陷的检测，需要设备的输入功率小，直流电是使用最早的电流，现在使用较少。

（3）磁化电流选择原则：

—用交流电磁化，对表面微小缺陷检测灵敏度高；

—由于趋肤效应，对工件表面下的磁化能力，交流电比直流电弱；

—交流电用于剩磁法时，应加装断电相位控制器；

—交流电磁化连续法检验主要与电流有效值有关，而剩磁法检验主要与峰值电流有关；

—整流电或直流电，能检测工件近表面较深的缺陷；

—整流电流中包含的交流分量越大，检测近表面较深缺陷的能力越小；

—整流电和直流电用于剩磁法检验时，剩磁稳定；

—冲击电流只能用于剩磁法和专用设备；

—直流电检测缺陷深度最大。

10.4.3.2　磁化方法

磁化方法选择依据是磁场方向尽量与缺陷方向垂直。选择磁化方法应考虑的因素有工件的尺寸大小、工件的外形结构、工件的表面状态，根据工件过去断裂的情况和各部位的应力分布，分析可能产生缺陷的部位和方向，选择合适的磁化方法，在工件上建立合适的磁场。

磁化方法一般分为周向磁化、纵向磁化和多向磁化（复合磁化）。

1）周向磁化方法

周向磁化是指给工件直接通电，或者使电流流过贯穿空心工件孔中的导体，旨在工件中建立一个环绕工件的并与工件轴垂直的周向闭合磁场，用于发现与工件轴平行的纵向缺陷，即与电流方向平行的缺陷。用交流和直流电磁化钢棒直接通电磁化时表面磁场强度最大，而交流电由于趋肤效应对表面缺陷检出率更高，用交流和直流电磁化同一钢管时，钢管内部磁场强度为零，即钢管内部没有磁场存在，磁场是从钢管内壁到表面逐渐上升到最大值。

（1）轴向通电法。如果工件截面是圆形，便产生圆形磁场；长方形截面则产生椭圆形磁场；电流方向和磁场方向的关系遵从右手定则。

（2）中心导体法（芯棒法）。可用于检查空心工件内、外表面与电流平行的纵向不连续性和端面的径向不连续性。空心件用直接通电法不能检查内表面的不连续性，因为内表面的磁场强度为零；但用中心导体法能更清晰地发现工件内表面的缺陷，由于内表面比外表面具有更大的磁场强度。导体材料一般用铜棒或铝棒，当采用钢棒时，应避免与工件接触而产生磁泻。

（3）偏置芯棒法。适用于中心导体法检验时，设备功率达不到的大型环和管子的检验。偏置芯棒法采用适当的电流值磁化，有效磁化范围约为导体直径D的4倍。检查时要转动工件，以检查整个圆周，并要保证相邻检查区域有10%的重叠。

（4）触头法（支杆法）。在两触头的连线上，产生的磁场强度最大，愈远离该连线，磁场强度愈小。触头间距75～200mm，两次应重叠25mm。触头法不适用于抛光工件，触头材料用钢或铝，不用铜，因为铜会渗入工件。也可用低熔点的Al－Sn合金。

2）纵向磁化方法

纵向磁化是指将电流通过环绕工件的线圈，使工件沿纵长方向磁化的方法，工件中的磁力线平行于线圈的中心轴线。用于发现与工件轴垂直的周向缺陷。利用电磁轭和永久磁铁磁化，使磁力线平行于工件纵轴的磁化方法也是纵向磁化。将工件置于线圈中进行纵向磁化，称为开路磁化，开路磁化在工件两端产生磁极，因而产生退磁场。将工件夹在电磁轭的两极之间，对工件进行整体磁化，或利用便携式电磁轭或永久磁铁的两极与工件接触，使工件得到局部磁化，称为闭路磁化，闭路磁化不产生退磁场。

（1）线圈法：包括螺管线圈法和绕电缆法两种。线圈法纵向磁化要求工件的长径比大于2，否则产生的退磁场会严重影响检测效果。工件的纵轴要平行于线圈的轴线。工件要紧贴线圈内壁放置磁化。当长工件分段磁化时，必须要有10%的重叠。有效磁化区可以用试块进行确定。对于大型工件可采用绕电缆法。

（2）磁轭法：用固定式电磁轭两磁极夹住工件进行整体磁化，或用便携式电磁轭两磁极接触工件表面进行局部磁化，用于发现与两磁极连线垂直的不连续性。船体焊缝较多的采用磁轭法。磁轭法分为整体磁化和局部磁化。整体磁化的要求：磁极截面大于工件截面，工件与电磁轭之间应无空气隙，极间距大于1m时，磁化效果不好，形状复杂而且较长的工件，不宜采用整体磁化。

局部磁化要求对工件的有效磁化范围进行确定，设备的活动关节要完好，通过测量提升力来控制检测灵敏度，磁极与工件间隙要小，交流电的趋肤效应可提高表面缺陷的检出率，直流电对近表面的灵敏度较高，但直流电磁轭不适用厚工件的检测。

3）多向磁化方法

多向磁化指通过复合磁化，在工件中产生一个大小和方向随时间成圆形、椭圆形或螺旋形变化的磁场。因为磁场的方向在工件上不断地变化着，所以可发现工件上所有方向的缺陷。多向磁化是根据磁场强度叠加原理，在工件中某一点的磁场强度等于几种磁化方法在该点分别产生的磁场的矢量和，或者是不同方向的磁场在工件上的轮流交替磁化。

10.4.3.3　磁粉检测设备和器材

1）磁粉检测设备

按重量和可移动性分为固定式、移动式、便携式探伤机。

（1）固定式磁粉探伤机。固定式磁粉探伤机组成：磁化电源、磁化线圈、工件夹持装置、指示装置、喷洒装置、照明装置、退磁装置、剩磁法时交流探伤机应配备断电相位控制器。磁化电源是磁粉探伤机的核心，其作用是提供磁化电流（包括交流电和直流电），使工件磁化。磁化电源的输出电流可借助磁化卡头、线圈或电缆进行周向磁化、纵向磁化或多向磁化。磁化线圈中螺管线圈用于进行纵向磁化。工件夹持装置中，卡头上应包上铅垫或铜编制网。指示装置指电流表、电压表。

常见固定式磁粉探伤机型号：（2 000～12 000A）CEW－2000、CEW－2000、CEW－4000、TC－6000、CEW－10000。常见固定式磁粉探伤机特点：两磁化卡头间最大距离从1～17.5m。该类设备可进行周向磁化、纵向磁化，有些还可进行复合磁化。可分别进行交流或直流退磁，或交直流全自动退磁。设备上均装有磁悬液循环和喷洒装置。有的还配有支杆触头，通过软电缆连接可实行绕电缆法无损检测。

（2）移动式磁粉探伤机。移动式磁粉探伤机组成：磁化电源、磁化线圈、触头（支杆或夹钳）及线圈（开合式或闭合式）、指示装置、照明装置、退磁装置。与固定式相比，少了工件夹持装置、喷洒装置、断电相位控制器。

常见移动式磁粉探伤机型号：（3 000～6 000A）CYD3000、CYD5000、CZQ6000型直流无损检测机、CDG10000型多功能磁粉探伤机。与固定式相比，无磁悬液循环和喷洒装置、磁化夹头。由于重量较重，一般装有滚轮，可来回移动。配合使用的附件有支杆触头、夹钳触头、开合式和闭合式。若使用软电缆，随着电缆的延长，检验部位的电流值会显著降低，若采用触头法，应在手柄上安装微型开关，以控制磁化电流的时间。另外，移动式磁粉探伤机还具备自动退磁功能。

（3）便携式磁粉探伤机。便携式磁粉探伤机组成：磁化电源、磁化线圈、触头（支杆或夹钳）及线圈（开合式或闭合式）、指示装置、照明装置。与固定式相比，少了工件夹持装置、喷洒装置、退磁装置、断电相位控制器四个装置。常见便携式磁粉探伤机型号：CYE－3（旋转磁场仪）、E型（旋转磁场仪）、CYE－1（电磁轭型）、CJE型（电磁轭）、CY－500（支杆）、CY－1000（支杆）、CY2000（支杆）。

便携式磁粉探伤机分为：

—电磁轭（包括交流、直流）非电接触，不会产生电弧和烧伤。

—交叉磁轭（包括空间交叉、平面交叉）：两个轭状的电磁铁以一定的夹角进行空间交叉或平面交叉组合而成，并由不同相位的两组交流电励磁的磁化装置构成。两个电磁轭产生的两个正弦交变磁场叠加后，产生一个方向随时间变化的椭圆形旋转磁场。

—永久磁铁：用于没有电源的检测场地。

—小型磁粉检测机：带有支杆触头和电缆，电缆可绕成线圈进行纵向磁化。此类检测机可属于小型移动磁粉检测机。

便携式磁粉检测机的特点是体积小、重量轻，特别适合于野外和高空作业，是船舶检测的最常用仪器。其综合技术要求主要是考察提升力：当磁轭极间距最大时，交流电磁轭提升力至少达44N，直流电磁轭提升力至少达177N，交叉电磁轭提升力至少达118N（间隙为0.5mm）。提升力至少半年校验一次。

2）标准试片和试块

试片和试块的作用是检验设备、磁粉、磁悬液的综合性能（系统灵敏度）；检测磁场方向、有效磁化范围、大致的磁场强度；考察所用的磁粉检测工艺和操作方法是否妥当；确定磁化规范是否正确。试块还有对检测磁场方向、有效磁化范围、磁场强度大小及分布进行测定但只能对上述参数粗略校验。

常用试片有A1、C、D、M1型四种。所有试片的型号名称中的分数，分子代表人工缺陷槽的深度，分母表示试片的厚度，单位为μm。试片由DT4电磁软铁（低碳纯铁）板制成。常用试块：B（直流标准试块）、E（交流标准试块）、磁场指示器和自然缺陷标准样件四种。

3）磁粉

按磁痕观察分为荧光磁粉和非荧光磁粉。按施加方式分为湿法磁粉和干法磁粉。

荧光磁粉是由磁性氧化铁粉、工业纯铁粉或羰基铁粉为核心，在铁粉外面用树脂黏附一层荧光染料而制成，其对比度很高。荧光磁粉一般只适于湿法。

非荧光磁粉是由工业纯铁粉为原料黏附其他颜料的有色磁粉（如白磁粉等），磁粉识别度指磁粉的光学性能，包括颜色、荧光亮度、工件表面颜色的对比度。衡量磁粉性能的最根本的办法还是通过综合性能灵敏度试验的结果确定。

4）载液（磁悬液）

用来悬浮磁粉的液体称为载液，也称为分散剂。分为油基载液、水载液、乙醇载液（橡胶注型法）。磁粉和载液按一定比例混合而成。磁悬液浓度包括配制浓度（每升磁悬液中所含磁粉的重量/g/L）和沉淀浓度（每100mL磁悬液中沉淀出磁粉的体积/mL/L）。浓度不宜太高，否则会产生虚假显示，浓度不宜太低，否则灵敏度达不到效果。

5）反差增强剂

为了提高缺陷磁痕与工件表面颜色的对比度一般用反差增强剂。它是一层白色薄膜（25～45μm）。可以用喷涂的方法施加，在背景不好或为了检查细小缺陷、应力腐蚀裂纹等时可达好的效果。

10.4.3.4　磁粉检测方法分类及磁化规范

按磁粉的载液（载体）分为干法（荧光、非荧光）、湿法（荧光、非荧光）；按施加磁粉的时机分为连续法、剩磁法；按磁化方法分为轴向通电法、触头法、线圈法、磁轭法、中心导体法、交叉磁轭法（见图10.4－14）。

连续法和剩磁法都可进行无损检测时，优先选择连续法。对于湿法和干法，优先选择湿法。对于按磁化方法分类的六种无损检测方法，要根据工件的形状、尺寸、无损检测操作的困难程度进行选用。

图10.4－14　磁粉检测方法分类图

1）磁粉检测方法

（1）干法。是以空气为载体用干磁粉进行无损检测。适用粗糙表面的工件和灵敏度要求不高的工件。操作时注意工件表面和磁粉均完全干燥；工件磁化后施加磁粉，并在观察和分析磁痕后再撤去磁场；磁痕的观察、磁粉的施加、多余磁粉的除去同时进行；干磁粉要薄而均匀覆盖工件表面；多余磁粉的除去应有顺序地向一个方向吹除；不适于剩磁法。

（2）湿法。将磁粉悬浮在载液中进行磁粉无损检测。适合连续法和剩磁法；灵敏度要求较高的工件和表面微小缺陷的检测。操作时注意磁化前，确认整个检测表面被磁悬液润湿；不宜采用刷涂法施加磁悬液（可用喷、浇、浸等）；检测面上的磁悬液的流速不能过快；水悬液时，应进行水断试验。

（3）连续法。在磁化的同时，施加磁粉或磁悬液。适用范围是形状复杂的工件；剩磁Br（或矫顽力Hc）较低的工件；检测灵敏度要求较高的工件；表面覆盖层无法除掉（涂层厚度均匀不超过0.05mm）的工件。操作时，应注意先用磁悬液润湿工件表面；磁化过程中施加磁悬液，磁化时间1～3s；磁化停止前完成施加操作并形成磁痕，时间至少1s；至少反复磁化两次。

（4）剩磁法。停止磁化后，施加磁粉或磁悬液进行检测。适用范围是矫顽力Hc在1 000A/m以上，并保持剩磁B_r在0.8T以上的工件，如经过热处理的高碳钢和合金结构钢（淬火、回火、渗碳、渗氮、局部正火）；成批的中小型零件进行磁粉检测时，因工件几何形状限制连续法难以检验的部位。低碳钢、处于退火状态或热变形后的钢材都不能采用剩磁法。操作时，应注意磁化结束后施加磁悬液；磁化后、检验完成前，任何磁性物体不得接触被检工件；磁化时间一般控制在0.25～1s；浇磁悬液2～3遍，或浸入磁悬液中10～20s，保证充分润湿；交流磁化时，必须配备断电相位控制器。

（5）轴向通电法。属于周向磁化，工件夹在无损检测机两电极之间，电流沿轴向通过工件，工件内部及周围建立闭合的周向磁场。适合棒材、管材外表面的纵向缺陷（或与电流平行方向的缺陷）或夹角小于45°的缺陷。操作时，注意工件与电极之间接触要良好，最好有较大的导电接触面，必要时在电极上安装接触垫；对空心类工件（如管材）无法检测内表面缺陷。

（6）线圈法。分为低填充、高填充、中填充。线圈法的有效磁化区是从线圈端部向外延伸到150mm的范围内。超过150mm以外区域，磁化强度应采用标准试片确定。对于长径比（L/D）小于2的工件，若要使用线圈法时，可利用磁极加长块来提高长径比的有效值或采用标准试片实测来决定电流值。对于长径比（L/D）大于等于15的工件，可按下式来计算线圈的匝数：

式中：N——线圈匝数/匝；

　　　I——电流/A；

　　　L/D——取15。

当被检工件太长时，应进行分段磁化，且应有一定的重叠区。重叠区应不小于分段检测长度的10%。检测时，磁化电流应根据标准试片实测结果来确定。

（7）中心导体法。周向磁化利用导电材料（如铜棒）作芯棒，穿过带孔的工件（如钢管），让电流从芯棒中通过，从而产生周向磁场磁化工件。适用检测带孔工件的内表面或外表面的纵向缺陷（或与电流平行方向的缺陷）、（或夹角小于45°的缺陷）以及端面的径向缺陷。操作特点是芯棒置工件中心获得比较均匀的磁化场；内壁灵敏度高于外壁灵敏度；可将数个工件一起穿在芯棒上一次磁化；外表面检测时应尽量使用直流电或整流电；芯棒中心放置如电流不能满足要求时可偏心放置，这时芯棒应靠近内壁，导体与内壁接触时应采取绝缘措施，每次有效检测区长度约为4倍芯棒直径，且应有一定的重叠区，重叠区长度应不小于有效检测区的10%（0.4d），计算磁化电流时“D”值取芯棒直径加两倍工件壁厚。

（8）磁轭法（包括交叉磁轭）。其磁化电流应根据标准试片实测结果来选择，如果采用固定式磁轭磁化工件时，应根据标准试片实测结果来校验灵敏度是否满足要求。磁轭的磁极间距应控制在75～200mm之间，检测的有效区域为两极连线两侧各50mm的范围内，磁化区域每次应有不少于15mm的重叠。

2）磁化规范

选择磁化规范应考虑被检工件的材料、热处理状态和磁特性，确定采用连续法还是剩磁法。根据工件的尺寸、形状、表面状态和欲检出缺陷的种类、位置、形状、大小确定磁化方法、电流种类、有效检测范围及响应的磁化规范。

确定磁化规范（磁场强度值）的方法有公式计算法、磁场强度计测量法、标准试片（块）法，以及利用材料的磁特性曲线，确定合适的磁场强度，在磁特性曲线上，剩磁法要磁化到基本饱和，连续法要磁化到出现磁导率所需的磁场强度，一般连续法所要求的磁场强度是剩磁法的1/3（周向磁化）。

10.4.3.5　船舶磁粉检测工艺

1）预处理

被检工件表面不得有油脂、铁锈、氧化皮或其他黏附磁粉的物质。表面的不规则状态不得影响检测结果的正确性和完整性，否则应作适当处理，即预处理。如打磨，则打磨后被检工件的表面粗糙度Ra≤25μm。如果被检工件表面残留有涂层，当涂层厚度均匀且不超过0.05mm，不影响检测结果时，经合同各方同意，可以带涂层进行磁粉检测。

2）磁化

选择磁化方法，确定磁化规范。磁化时间为1～3s，停施磁悬液至少1s后方可停止磁化；为保证磁化效果，至少反复磁化2次（连续法）。分段磁化时，必须注意相邻部位的检测需有重叠。对于单磁轭磁化和触头法磁化，均只能实现单方向磁化，在同一部位，必须作2次互相垂直的磁化检测。对于通电法包括触头法，注意烧伤问题。对于交叉磁轭法，四个磁极端面与检测面之间应尽量贴合，最大间隙不应超过1.5mm。连续拖动检测时，检测速度应尽量均匀，一般不应大于4m/min。

3）施加磁粉或磁悬液

施加磁粉或磁悬液可采用喷、洒、浇，但不能刷，磁粉或磁悬液不能流得过快，被检件必须先湿润。

4）磁痕的显示

磁痕的显示分为相关显示、非相关显示和伪显示。

（1）相关显示。磁粉检测时，由缺陷（裂纹、未熔合、气孔、夹渣等）产生的漏磁场吸附磁粉形成的磁痕显示，或渗透检测时由缺陷产生的渗透剂显示，通常称之为相关显示。一般也叫做缺陷显示。

（2）非相关显示。由磁路截面突变以及材料磁导率差异等原因产生的漏磁场吸附磁粉形成的磁痕显示，或是由于加工工艺、零件结构、外形或机械损伤等所引起的显示，通称为非相关显示。

非相关显示产生的原因：

①磁极和电极附近的漏磁场，鉴别方法：改变磁极位置，不再出现；

②工件截面突变，鉴别方法：根据工件的几何形状同一部位出现；

③磁泄，两个已磁化的工件相接触或已磁化的工件与铁磁性材料接触、碰撞致使此部位的磁场改变形成漏磁场；

④工件磁导率不均匀，包括两种材料交界面（用渗透检测法PT验证）；

⑤磁化电流过大，金属流线显示出来；

⑥局部冷作硬化；

⑦金相组织不均匀（导致磁导率变化）。

（3）伪显示。不是由漏磁场吸附磁粉形成的磁痕显示，也叫假显示。

伪显示产生的原因：

①工件表面粗糙，磁粉堆积；

②表面油污等黏附磁粉；

③氧化皮、锈蚀、油漆皮滞流磁粉；

④浓度过大，施加方式不当造成背景过度；

⑤工件上形成排液沟滞留磁粉。

伪显示的鉴别：擦除后重新检验不再出现。

5）磁痕的观察

（1）非荧光磁粉检测时，磁痕的观察应在可见光下进行，通常，工件被检表面可见光照度应大于等于1 000lx；当现场采用便携式设备检测，由于条件所限无法满足时，可见光照度可以适当降低，但不得低于500lx。

（2）荧光磁粉检测时，磁痕的观察应在黑光灯下进行，工件表面的辐照度大于或等于1 000μW/cm²，并应在暗室或暗处进行，暗室或暗处可见光照度应不大于20lx。

检测人员进入暗区，至少经过3min的黑暗适应后，才能进行荧光磁粉检测。观察荧光磁粉检测显示时，检测人员不准戴对检测有影响的眼镜。

当辨认细小磁痕时，应用2～10倍放大镜进行观察。磁痕的显示记录可采用照相、录像和可剥性塑料薄膜等方式记录，同时用草图标示。

6）缺陷评级和退磁

（1）缺陷评级。参照相应标准评级。

（2）退磁。退磁就是将剩磁减小到不影响使用或下道工序加工的操作。退磁方法常用的有交流退磁和直流退磁。另外，还有高温退磁（工件加热到居里点以上），这是一种最有效的退磁方法。

交流退磁是线圈不动工件移动或工件不动线圈移动的方法，让磁场衰减到零。一般退磁方法有线圈、工件都不移动，衰减电流到零；两电极夹持工件，衰减电流到零；两触头接触工件，衰减电流到零；交流电磁轭通电时离开工件，衰减磁场到零；扁平线圈通电时离开工件，衰减磁场到零。

7）后处理

包括磁粉、磁悬液的清洗处理，水悬液如工件有防锈要求须做脱水防锈，如使用封堵应取除，反差增强剂应清洗掉，不合格工件应隔离。