CN101593603A - 细长铁磁性构件的弱磁规划方法 - Google Patents
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Abstract
细长铁磁性构件的弱磁规划方法,是由弱磁规划装置通过定量磁加载、自适应释载、稳态磁能积三个技术流程实现;其优点是检测效率高,数据科学可靠,技术成本相对较低。由于本发明技术方案的保障,能够通过在细长铁磁性构件上沿中轴方向连续、均匀地分布的单位体积元磁性状态差异而得到客观的反映,这种磁性状态差异与缺陷之间的定性定量关系不受构件原始结构和缺陷位置深浅的影响,为弱磁检测方法提供了优异的检测性能:实现无基噪检测,信号灵敏度高,稳定性好。完成弱磁检测不再需要传统的磁化装置,设备整体体积小,重量轻,十分便于携带、安装、使用和维护。
Description
技术领域
本发明涉及适于细长铁磁性构件的弱磁规划及磁性无损探伤技术领域,特别涉及细长铁磁性构件的弱磁规划方法。
背景技术
目前,传统的磁化手段重点是追求导磁体的强磁性特征,以磁感应强度为标尺,外磁场的场强值H越大,特别是在铁磁质处于饱和或近饱和状态时,磁感应强度B更靠近于Bs,后续技术措施所需要达成的技术特征才更加明显,所以通常意义上的“磁化”主要是高强度磁化,或者所谓饱和磁化手段。按照磁场信号的形成,分为“连续法”和“剩磁法”,连续法是对被测构件连续磁化的同时,对其磁饱和状态的磁性特征实施检测;剩磁法是先对被测构件整体磁化至饱和状态,然后再独立对其剩磁状态的磁性特征实施检测。
由于需要使被测构件的磁性特征(主磁通或缺陷漏磁)更加明显,所以现有方法都需要使被测构件达到饱和或近饱和的磁性响应状态。否则本来就受提离效应影响的磁感应器件很难甚至根本不能提取和识别出有效的磁场信号。因此以上方法也被统称为“强磁检测法”。
然而还有两大因素:一是铁磁性构件的电磁趋肤效应,二是技术原理的固有局限,使得对构件表面缺陷的检测相对容易,而对较深的缺陷,特别是包藏在构件内部的缺陷仍旧很难检测出来。在磁饱和状态下,构件的磁导率变得更低,意味着构件内层材料的磁场变化信息更难甚至不能反应到构件以外。
此外,设备复杂而且笨重、对被测构件的强磁污染、高能耗以及重复检测需要退磁等问题,都是强磁磁化手段为磁性检测带来的负效影响。由于存在这些问题,令强磁检测法在一般性工况现场均难以很方便地实施。
在相关发明中,已经较好地解决了磁检测环境、磁路搭建、磁感应器件等环节的技术难点,实现了对磁场变化信号高稳定、高分辨和高灵敏的响应特性。而要把磁源本身对有效磁场信号的变异以及干扰降到最低,使传感器接收到差异化显著、无基噪、高保真的缺陷磁场信号,则需要再造一种对测试对象添加磁性的新手段。
发明内容
本发明为解决现有磁检测的技术缺陷,提供了一种细长铁磁性构件(如中高含碳量的钢、铁和其它铁合金材料构件)的弱磁规划方法。本发明的技术方案:通过运用弱磁规划装置的定量磁加载、自适应释载、稳态磁能积三个技术过程实现,其工艺流程框图如图1所示。
所述的定量磁加载,即不可逆的磁感应控制过程。在弱磁规划装置的控制和作用下,使细长铁磁性构件的各体积元按流水线方式依序完成磁性加载的过程。对于任意一个体积元的磁加载效应关系如图3上O→P段所示。体积元包含的磁畴由于给定场强的作用向统一方向移动畴壁且并吞整合,直至形成“单一磁畴区”。在操作控制上要求:①使细长铁磁性构件在上述弱磁规划装置中穿过,沿构件的轴向扫描加载;②细长铁磁性构件穿过时,弱磁规划装置内的磁场保持恒定,中心磁场强度为Hμm +(略高于Hμm -,但显著低于饱和磁化的场强),方向与细长铁磁性构件的轴向平行。
注:Hμm代表铁磁性构件材料的最大磁导率μm所对应的磁场强度。所述的体积元,即细长铁磁性构件沿轴向的一系列体积微分。
所述的自适应释载,即定量磁加载后的反磁化过程。在按流水线方式对细长铁磁性构件进行磁性分布的过程中,随着体积元从弱磁规划装置中退出并逐渐远离,自行进入反磁化过程。对于任意一个体积元的磁释载效应关系如图3上P→Q段所示。随作用场强自Hμm +减小到零,相应的磁感应强度减小到Brv≠0(某一B-H叶状小回线的退磁起始点)。
所述的稳态磁能积,即对磁老化的时效性控制过程。在操作控制上要求:①从磁加载完成直到弱磁检测采样结束,须避免较强外磁场、机械应力或高温环境对铁磁性构件上弱磁信号的扰动;②磁老化期较短的(T<δ),需控制磁老化期差为零(ΔT=0),即检测与规划同速进行;③磁老化期相对期差较长的(如T>δ,且/ΔT/<T/K),需控制磁老化期在弱磁信号逐减弱到1Gs级之前,对铁磁性构件实施弱磁检测。
注:①对应于某个体积元,从加载磁场撤离开始直到弱磁检测采样为止的间隔时间为磁老化期(T)。根据作用对象(细长铁磁性构件),技术上采用磁老化快变时间段设定值(δ)控制磁老化最初阶段对磁能积稳定性的影响。
②对应于某两个体积元,它们的磁老化期长短差异为期差(ΔT)。根据作用对象(细长铁磁性构件),技术上采用磁老化期平均值T对期差ΔT的倍率设定值(K)控制磁老化期差对不同体积元上磁能积一致性的影响。
③对于任意两个体积元,各自磁能积(BH)与时间t的关联变化关系如图4所示。
如图2所示,本发明所述的弱磁规划装置,是由直流线圈、永磁体或者它们的组合体所构成的。具体包括:直流单线圈、直流线圈组合、永磁套筒、永磁瓦组合、永磁磁棒组合等结构型式。其特征是:①所述弱磁规划装置由磁源(直流线圈或永磁体)包围形成一个有限长度空芯螺线直流载流管或其等效形式的磁场空间;②细长铁磁性构件或可从装置上特设的开口径向置入,或可从装置的某一端轴向穿入,被包围在所述弱磁规划装置围成的磁场空间当中;③弱磁规划装置被用于对细长铁磁性构件的定量磁加载(对应于“不可逆磁化”)过程。
1、磁畴(Domain)
铁磁性材料的磁性主要来源于电子自旋磁矩(Spin magnetic moment)。根据量子力学理论,铁磁质中相邻电子之间存在着一种很强的交换耦合作用,在居里温度以下,它们的自旋磁矩能在一个个微小区域内“自发地”整齐排列起来,形成自发磁化的微小区域,即磁畴,如图5所示。磁畴的体积约为10-12m3~10-9m3,内含约1017~1020个原子。实际的磁性材料中,磁畴形状五花八门,如条形畴、迷宫畴、楔形畴、环形畴、树枝状畴、泡状畴等。
在未磁化的铁磁性材料中,各磁畴的自发磁化方向是杂乱无章的,所以在宏观上不显示磁性,此时称铁磁性材料处于磁中性状态(Neutral state)。
2、铁磁性材料的磁化过程(to Magnetize)
铁磁性材料在外磁场作用下,从磁中性状态到磁饱和状态的过程称为磁化(tomagnetize)过程。在外磁场作用下,从磁饱和过程返回到退磁状态(Demagnetization)的过程,称为反磁化(to Reverse magnetize)过程。而磁化过程又被分为可逆、急剧、近饱和与饱和磁化四个阶段。如图3所示。
2-1、可逆磁化(to Magnetize reversibly)
当强度很小的外磁场开始作用于铁磁质时,各磁畴会出现畴壁(Domain wall)位移,那些磁矩方向与外磁场方向接近的磁畴(简称为“近向磁畴”)向外扩展,与外磁场方向大致相反的磁畴(简称为“异向磁畴”)向内收缩。但这一过程是可逆的,即去除外磁场时畴壁仍将回到原位,材料还将返回磁中性状态。
2-2、急剧磁化(to Magnetize sharply)
在继续加强的外磁场作用下,磁畴畴壁的移动呈现跳跃式,称为巴克毫森跳跃(Barkhausen jumps)。磁畴结构上的变化表现为近向磁畴依次吞并附近那些异向磁畴,外磁场加大到Hμm时畴壁移动完成,异向磁畴全部被吞并到近向磁畴,成为单一磁畴区,此时这些磁畴的磁矩方向与外磁场方向仍不完全一致。其过程对应于图3所示B-H曲线的k-→m段,磁感应强度B随外加场强H增大而急剧增加,这是因为并吞使磁畴结构突然改组体积大幅增加,在宏观上就表现为材料导磁性能的加速提高。急剧磁化的末期,材料磁导率达到最大值。
上述的急剧磁化为不可逆的磁化过程(irreversible Magnetization),即已经改变的畴壁位置和磁畴结构不会因为外磁场的撤离恢复原样,材料已能产生磁滞。
2-3、磁性饱和(Magnetic saturation),包括近饱和磁化(to Approach to saturationmagnetization)与饱和磁化(to Magnetize reached saturation)
若在急剧磁化的末期继续加大场强,将使并吞后保留下的磁畴磁矩逐渐转向外磁场方向。一般情况下磁畴磁矩的转动既有可逆的,也有不可逆的,同时发生于这一阶段。铁磁性材料经历近饱和磁化达到磁性饱和状态后,磁感应强度随外磁场强度的增加而增加得极少,这是由磁畴磁磁矩最后少量的可逆转动造成的,直至其磁矩取向与外磁场方向完全相同。此时产生的饱和磁化值称为饱和磁感应强度(Bs)。
3、磁滞(Magnetic hystersis)
由于铁磁质中存在掺杂等原因,各个磁畴间存在着某种“摩擦”阻碍各磁畴在去掉外磁场后重新回到原来混乱排列的消磁状态。这就是宏观上剩磁(Remanence)和磁滞现象的产生原因。因而即使将作用于铁磁质的外磁场从饱和对应值上减小到零,其磁矩也不会回到零,而会残留下一些磁化效应。这种残留磁化值称为剩余磁感应强度(remanent magneticinduction)。
4、物体磁导率(permeability of an object)和物质磁导率(permeability of material)
磁导率(Permeability) 又称导磁系数,是一个表示物质(磁介质)导磁性能的物理量,具体反映了物质本身能够帮助磁通通过的能力。其中:μ0=4π×10-7H/m(亨每米)表示“真空磁导率(Magnetic constant)”。μr表示相对磁导率(Relativepermeability),是一个与场强H相关的变量。
根据物体极化理论,物体磁导率与构成它的物质磁导率并非同一概念。它们之间的关系可以通过以下向量式来表达:
其中: 表示磁感应强度取向上的“物体磁导率张量”,N表示由物体几何形状和大小决定的“退磁系数(Demagnetizing factor)”,λ表示物体磁晶的“各向异性系数(Magnetic anisotropy factor)”。
磁体在纯机械载荷作用下,通常不能引起物质导磁率的变化,但是会导致物体磁导率的明显变化,例如永磁体的磁化性能与其常温下几何外形影响的退磁系数N有关,铁磁性构件的磁致伸缩效应与冷轧、冷拔等工艺影响的磁晶方向异性λ有关等。
5、磁能积(BH product curve)
磁能积,也可写作“(BH)”,是在退磁曲线(二象限)任意点上,磁感应强度B与外磁场强度H的数量积,具体反映单位体积的磁体在它产生的外磁场中储存的能量水平,也是磁体对外做功的能力体现。其国际计量单位用“J/m3”(焦耳每立方米)表示。
磁体在脱离外磁场后,其内部存在一个与磁感应强度B相反方向的退磁场Hd,在Hd的作用下,磁感应强度B处于Bd位置,即磁体的工作点(Working point),Bd称为表观剩磁(Apparentremanence)。如图6所示。而Hd与Bd的确定关系只与磁体的退磁系数N(或追溯至物体的几何形状及大小)有关。
又由于用磁能积反映的磁体工作性能,取决于退磁场和外磁场的共同作用,所以,磁体在即定外磁场下的工作性能,除了决于退磁曲线上起始点的磁化程度,即剩磁Br的大小以外,就只与磁体本身的几何形状有关。而弱磁检测方法恰恰是从铁磁性构件各局部的磁能积入手,从而可以找出构件内外包括几何变异在内的各种缺陷。
本发明的有益效果:本发明为细长铁磁性构件提供了一种使轴向各体积元具有等势弱磁能积的分布特征,由各体积元磁性状态的差异化信息反映构件内外各处材料及结构的性状变异,为弱磁检测提供前提保证。对细长型铁磁性构件的磁性检测,是利用构件本身的磁特性来检测构件存在缺陷的无损探伤手段。其优点是检测效率高,数据科学可靠,技术成本相对较低。由于本发明技术方案的保障,使得由于拉、弯、扭、压等应力应变主导或同等作用导致的载荷材料及结构性缺陷,都能够通过在细长铁磁性构件上沿中轴方向连续、均匀地分布的单位体积元磁性状态差异而得到客观的反映,这种磁性状态差异与缺陷之间的定性定量关系不受构件原始结构和缺陷位置深浅的影响,为弱磁检测方法提供了优异的检测性能:实现无基噪检测,信号灵敏度高,稳定性好。完成弱磁检测不再需要传统的磁化装置,设备整体体积小,重量轻,十分便于携带、安装、使用和维护。上述方案有效避免了处于工作状态下的铁磁性构件受到强磁污染,从而具有更加优越的适用性、安全性和节能功效。磁规划是通过定量磁加载、自适应释载、稳态磁能积,并最终取得等势弱磁能积的分布特征的技术过程。与强磁磁化-检测技术相比,弱磁规划方法无须更多关注如何得到较强的磁感应强度信号,因为它所要实现的磁加载强度比较容易达到,而且足以满足弱磁检测的需要。
弱磁规划方法:使细长铁磁性构件沿的弱磁释能状态与连续分布的载荷材料组织结构性状保持关联,可测、可比。这种分布特征与构件的不可逆磁化影响直接相关。
1、在基本物理意义上的特征
而本发明所述的“弱磁规划”方法,重点是追求磁性材料最大程度的“不可逆磁化”,需要在特定的磁矩方向上使磁畴相互并吞并扩大成为单一磁畴区。实际上并不考验磁感应强度的高低,而是考验磁感应强度随场强变化程度(即材料磁导率)的极值问题,更不需要达到至近饱和或饱和状态。
2、在工作磁场阈值上的特征
该方法的视在磁化特性(B-H曲线)对应于铁磁性构件的急剧磁化段及其弱磁区的反磁化过程,在工作磁场强度的阈值上以构件最大磁导率对应的场强值为上限,而不同于铁磁性构件的极限磁滞回线特性,尤其是与构件的饱和磁化段无关。
饱和磁化手段与本发明所述“弱磁规划”方法在工作磁场的阈值上具有一个明显的隔离带,如图3所示,即(Hμm +,Hj),饱和磁化场强H需要大于Hj,通常的磁感应强度量级在1T以上,属于强磁范围,而弱磁工作磁场的场强H则小于Hμm,通常的磁感应强度量级在10mT以下,根据现代磁检测技术的学术理念属于弱磁范围(详见《舰船电子工程》2006年第4期“弱磁场检测方法及仪器研究”等文献)
3、在方法运用上的特征
结合弱磁检测,本发明在方法运用上与强磁检测技术的区别特征基本表现为三个方面:
在响应特性方面,强磁检测技术当中的磁化手段遵循铁磁性材料极限磁滞回线特性,弱磁规划方法则符合铁磁性材料“叶状”小回线特性,如图7所示。在能量转化方面,强磁检测技术或者以材料能够达到的最大磁能积(BH)max,或者依赖于外动磁场介入,来衡量其磁化技术对检测的影响,而本发明则以材料最终具有的小磁能积特质的磁性状态均衡度来衡量磁规划对检测的影响,并且不采用外部强磁场介入检测的方式。在信息载体方面,强磁检测技术(以主磁通和漏磁检测为代表)以“铁磁性构件上给定的磁通”为检测的信息载体,而通过本发明将以“铁磁性构件上等势弱磁能积”为检测的信息载体。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细说明:
图1是本发明的弱磁规划方法工艺流程图。
图2是本发明的弱磁规划装置结构型式示意图。
图3是本发明的磁加载/释载B-H作用曲线图。
图4是本发明的(BH)-t磁老化控制曲线图。
图5是本发明的磁畴结构示意图。
图6是本发明的退磁曲线与磁能积示意图。
图7是本发明的磁滞曲线特征图。
图1中,定量磁加载环节1、自适应释载环节2、稳态磁能积环节3、弱磁检测环节4。
图2中,直流单线圈型式2-a、直流线圈组合型式2-b、永磁套筒型式2-c、永磁磁瓦组合型式2-d、永磁磁棒组合型式2-e。
图3中,基本磁化曲线O-→∞、可逆磁化阶段O←→k、急剧磁化阶段k-→m、近饱和磁化阶段m-→j、饱和磁化阶段j-→∞。极限磁滞回线∞-→c、反磁化过程∞-→r、退磁过程r-→c。弱磁工作区(-Hμm,Hμm)、强磁工作区(Hj,H∞)。定量磁加载过程O(0,0)-→P(Hμm +,Bm)、自适应释载过程P(Hμm +,Be)-→Q(0,Brv)、磁老化起始点磁能积(BH)t0。
图7中,权限磁滞回线1、“叶状”小回线2。
具体实施方式
本发明所述的弱磁规划装置采用N35牌号Nd-Fe-B棒形磁体作为磁源,沿外径φ46mm的塑料骨架排布成环形,在骨架内形成了φ40mm(直径)×75mm(轴向长度)的磁场空间,装置中心位置的轴向磁场强度为1035A/m(无导磁体介入时测量值1.3mT)。如果将符合φ36mm以下圆截面或者等量面积其它的截面形态、材质为中高含碳量的钢、铁及其它铁合金的细长铁磁性构件(更大截面可能造成装置与构件之间间隙过小,不利于相互运动),从装置上特设的开口径向置入,关闭开口,构件中的一段即被包围在磁场空间当中。
按照上述条件及要求制作的弱磁规划装置,具有结构紧凑、体积小、重量轻、低能耗、没有强磁污染等诸多优点。
实例中实施弱磁规划的细长试件为一组均匀钢丝,组内钢丝数量100根,单根钢丝直径φ1.2mm,材质均为材料供应状态45钢,齐头长度>8m。试件在弱磁规划装置中穿过(定量磁加载与自适应释载过程)时,运行轨迹与弱磁规划装置的中心轴相一致。在中心位置1035A/m场强的作用下,试件局部磁感应强度达到0.78T,说明该部位完成了定量磁加载。注:冷拔状态的45钢最大相对磁导率μm=583,Hμm=960A/m,详见兵器工业无损检测人员技术资格鉴定考核委员会《常见钢材磁特性曲线速查手册》第25页,北京,机械工业出版社,2003年6月第一版。
试件全部穿过弱磁规划装置历时15秒钟(/ΔT/<15秒钟),完成后将弱规划装置移至远处,以避免对试件上弱磁信号的扰动。由于试件中段(不受端部磁极影响的有效段)各单位体积元受到的定量磁加载、自适应释磁作用完全相同,所以它们的起始剩磁状态完全一致,T<δ=25分钟,可随时采用同步运行方式实施弱磁检测。在经过磁老化快变时段25分钟后,T>δ=25min,且K/ΔT/=100/ΔT/<Tmin=25分钟<T,测得试件中段各处的(BH)积均为7.8J/m3,正负偏差<5‰。此时无论同步还是异步运行方式,均可满足弱磁检测的需要。
注:无缺陷情况下,试件的磁性状态体现为各体积元相等的(BH)积。
按照上述工艺方法对试件实施弱磁规划后,在试件上建立了与材料和结构性缺陷具有量价对换关系的磁性状态差异(无缺陷时无差异),并且不受构件原始结构和缺陷位置深浅的影响,为弱磁检测方法提供了前提保证。不但实现了实现无基噪检测,信号灵敏度高,稳定性好,具有优异的检测性能,而且实现了检测设和节能功效。
Claims (9)
1、细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:是通过采用弱磁规划装置的定量磁加载、自适应释载、稳态磁能积三个技术流程而实现的。
2、根据权利要求1所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的弱磁规划装置,是由磁源包围形成一个有限长度空芯螺线直流载流管或其等效形式的磁场空间;所述的弱磁规划装置被用于对细长铁磁性构件的定量磁加载过程。
3、根据权利要求2所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的弱磁规划装置,由直流线圈、永磁体或者它们的组合体所构成;包括但不限于:直流单线圈,直流线圈组合,永磁套筒,永磁磁瓦组合,永磁磁棒组合等结构型式;细长铁磁性构件或可从装置上特设的开口径向置入,或可从装置的某一端轴向穿入,被包围在所述弱磁规划装置围成的磁场空间当中。
4、根据权利要求1或2所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的定量磁加载,在操作控制上要求:使细长铁磁性构件在所述弱磁规划装置中穿过,沿构件的轴向扫描加载;细长铁磁性构件穿过时,弱磁规划装置内的磁场保持恒定,中心磁场强度为Hμm +(略高于铁磁性构件材料的最大磁导率μm所对应的场强值Hμm,但显著低于饱和磁化的场强),场强方向与细长铁磁性构件的轴向平行。
5、根据权利要求1或2所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的定量磁加载,即不可逆的磁感应控制过程;在所述弱磁规划装置的控制和作用下,使细长铁磁性构件的各体积元按流水线方式依序完成磁性加载的过程;对于任意一个体积元的磁加载效应关系;体积元包含的磁畴由于给定场强的作用向统一方向移动畴壁且并吞整合,直至形成单一磁畴区;基于量子力学的磁畴理论。
6、根据权利要求1所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的自适应释载,即定量磁加载后的反磁化过程。在按流水线方式对细长铁磁性构件进行磁性加载的过程中,随着体积元从弱磁规划装置中退出并远离,自行进入反磁化过程;对于任意一个体积元的磁释载效应关系;随作用场强自Hμm +减小到零,相应的磁感应强度减小到Brv≠0(某一B-H叶状小回线的退磁起始点)。
7、根据权利要求1所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的稳态磁能积,即磁老化的时效性控制过程;对于任意两个体积元,各自磁能积与时间的关联变化关系;在操作控制上要求:从磁加载完成直到弱磁检测采样结束,须避免较强外磁场、机械应力或高温环境对铁磁性构件上弱磁信号的扰动;磁老化期较短的(T<δ),需控制磁老化期差为零(ΔT=0),即检测与规划同速进行;磁老化期相对期差较长的(如T>δ,且/ΔT/<T/K),需控制磁老化期在弱磁信号逐减弱到1Gs级之前,对铁磁性构件实施弱磁检测。
8、根据权利要求7所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的磁老化磁老化期(T),即对应于某个体积元,从加载磁场撤离开始直到弱磁检测采样为止的间隔时间;根据作用对象(细长铁磁性构件),技术上采用磁老化快变时间段设定值(δ)控制磁老化最初阶段对磁能积稳定性的影响。
9、根据权利要求7所述的细长铁磁性构件的弱磁规划方法,其特征在于:所述的磁老化磁老化期差(ΔT),即对应于某两个体积元的磁老化期长短差异。根据作用对象(细长铁磁性构件),技术上采用磁老化期平均值T对期差ΔT的倍率设定值(K)控制磁老化期差对不同体积元上磁能积一致性的影响。
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