CN106645388A - 一种高频脉冲磁粉探伤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高频脉冲磁粉探伤方法，包括（1）电源模块向主控板提供电源；（2）主控板将电源转换为大于60HZ的高频脉冲信号输出给电磁探头；（3）使用电磁探头对工件表面进行磁粉探伤。本发明彻底打破传统磁粉探伤机的激磁电流信号（传统激磁信号：50Hz正弦波、50Hz半波整流、50Hz以下的低频方波和直流电等），采用高频方波脉冲激磁信号输入到电磁探头进行磁粉探伤。高频激磁电流的稳定性更好，与现有的激磁信号相比，发热量特别低。本发明通过大于60HZ的脉冲进行检测时，对带涂镀层的工件不用打磨出金属光泽，简化检测工序，大大提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁粉探伤的方法，尤其涉及一种利用高频脉冲进行磁粉探伤的方法。
背景技术
磁粉检测简称MT，是无损检测五大常规检测方法之一。主要应用于检测磁性材料表面及近表面缺陷，航空航天、兵器、造船、铁路、建筑、电力、化工、锅炉、压力容器、压力管道的生产、检验等都离不开磁粉探伤机。方便快捷，检测灵敏度高，得到广泛应用。
磁粉检测原理
如图1所示铁磁性材料在磁场中被磁化时，材料表面和近表面的缺陷或组织状态变化会使局部导磁率发生变化，亦即磁阻增大，从而使磁路中的磁通相应发生畸变：一部分磁通直接穿越缺陷，一部分磁通在材料内部绕过缺陷，还有一部分磁通会离开材料表面，通过空气绕过缺陷再重新进入材料，因此在材料表面形成了漏磁场（见右图所示）。一般来说，表面裂纹越深，漏磁通越出材料表面的幅度越高，它们之间基本上呈线性关系。
在漏磁场处，由于磁力线出入材料表面而在缺陷两侧形成两极（S、N极），若在此表面上喷洒细小的铁磁性粉末时，表面漏磁场处能吸附磁粉形成磁痕，显示出缺陷形状，此即磁粉检测的基本原理。
便携式磁粉检测设备现状
目前，国际上便携式磁粉探伤机，按照探头的不同分为两种：磁轭式磁粉探伤机和交叉磁轭探伤机（或称为旋转磁场探伤机）。按照磁化电流（又称激磁电流）的不同有以下几种：
1、~220V/50Hz单相交流电供电：属传统磁化技术。
~220V单相交流电经控制器降压至36V，给磁轭式探头供电，或~220V单相交流电给磁轭式探头直接供电。旋转磁场探头需要经控制器降输出两组36V交流供电，且这两组交流电之间有一定的相位差，经旋转磁场探头在工件表面形成旋转磁场。磁化电流采用工频(50Hz或60Hz)正弦波、全部整流或半波整流信号，如图2所示。
在实际工作中，尤其是，现场进行的磁粉检测，很多的场合，例如：锅炉压力容器的内部检测、压力管道的在线检测，单相交流～220V的电源，使用起来既不安全又不方便。安全方面，一是，压力容器一般装的都是易燃易爆的介质，清洗不净或检验过程中有泄漏渗入，电源接触不好，产生打火，会引起燃烧或爆炸；二是，制造压力容器采用的材料一般是导电的金属材料，若出现漏电，会对人身安全造成危害，所以，在这些场合，采用～220V的交流电源进行磁粉检测，存在很大的安全隐患，万一发生漏电打火，不能保障检验检测人员的安全。另一方面，采用～220V的交流电源在现场进行磁粉检测，很不方便，尤其是，压力管道焊缝的磁粉检测，从事现场检验检测的人员都深有体会。往往是检测的时间没有连接电源的时间长，在检验工期要求紧的情况下，体会更加深刻。
按此思路，国内外生产出以充电电池为能源，用逆变器把直流电逆变50 Hz/220V的单相交流电，给现有的磁轭探头或交叉磁轭探头供电，解决了现场电源不便的问题。存在的问题是，逆变器体积大，重量重，对于高空、容器内部等野外现场检验仍然不是很方便。从技术上讲，仍然属于传统磁化技术。
2、直流供电：另外一种传统磁化技术。
采用充电电池（铅酸电池或锂电池）直接给磁轭式探头供电，产生的是直流磁场，属直流磁化。直流磁化理论上可以检测深埋缺陷，由于其表面趋肤效应差，表面检测灵敏度很低，很容易产生漏检，所以，相关规范规定：直流磁化只能用于工件厚度6mm以内的磁性材料检测，超过6mm检测则限制使用。
另一方面，直流磁化无法应用到交叉磁轭探头，更限制了该方法的应用。
3、低频方波供电
采用充电电池做能源，经逆变器将直流电逆变成低频方波（40Hz以下），可以给磁轭式探头直接提供磁化电流，也可以通过延时移相给交叉磁轭提供磁化电流，这项技术是目前最流行的现有技术，是申请人和郑州大学郑国恒教授、杨洁博士等前几年的研究成果。磁化电流如图3所示。
若采用如图3所示a或b的双向脉冲，尽管可以调节脉宽或占空比控制磁化电流，检测灵敏度基本可以保证，但是，提升力不能满足检测标准要求，要想达到标准要求的提升力，有生产厂商把电压升压至200V以上，提升力满足要求了， 但是，要把充电电池的低压先变频再升压，电路复杂，电路板体积大，无法实现一体机体积小的基本要求。若采用如图3c的单向方波作为磁化电流，提升力很大，检测灵敏度很低，磁化电流不稳定，空载电流很大，要增加空载过流保护电路，电路板体积就更大了，实现一体机更是困难，即使实现了一体机，体积也大，不便于现场使用。
这种设备解决了现场、高空等野外检测电源不便的问题，大大提高了工作效率，但也存在问题：一套设备包括探头、移动电源（逆变控制器+电池）及连线，设备沉重，劳动强度大，现场使用依然不是很方便。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种全新的激磁电流技术，采用使用充电电池进行直流供电、并将充电电池置于电磁探头内部，设置为一体式磁粉探伤设备进行磁粉检测的方法，以解决现有技术存在的问题。
本发明采用以下技术方案：
一种高频脉冲磁粉探伤方法，包括：
电源模块向主控板提供电源；
主控板将电源转换为大于60HZ的高频脉冲信号输出给电磁探头；
使用电磁探头对工件表面进行磁粉探伤。
所述电源模块为可充电电池组，可充电电池组为主控板提供直流电源。
所述可充电电池组电压为12V~36V。
所述电源模块为12V的可充电电池组。
所述高频脉冲信号为不低于300HZ的方波脉冲信号。
所述电磁探头包括电磁轭探头和交叉磁轭探头。
所述电磁轭探头为Π型电磁轭探头。
所述交叉磁轭探头由两个Π型电磁轭形成的交叉磁轭探头，主控板输出两路具有一定相位差的高频脉冲信号分别输出给两个Π型电磁探头。
所述电磁轭探头和交叉磁轭探头的铁芯均由高导磁超薄硅钢材料构成。
所述相位差为π/2或2π/3。
本发明实现的有益实用效果：
1.本发明彻底打破传统磁粉探伤机的激磁电流信号（传统激磁信号：50Hz正弦波、50Hz半波整流、50Hz以下的低频方波和直流电等），采用高频方波脉冲激磁信号输入到电磁探头进行磁粉探伤。
2.本发明使用12V~36V的充电电池直接给电磁探头供电，不需要再进行升压，减少了元器件，使设备更加稳定可靠。
3.本发明采用高频方波脉冲，大大增加了磁粉探伤机的提升力，提升力是传统设备的2倍以上。
4.本发明采用直流电源供电，不但表面的检测灵敏度很高，而且，可以检测深埋缺陷，检测的缺陷深度可以达到5mm，填补了无损检测的空白。
5.高频激磁电流的稳定性更好，与现有的激磁信号相比，发热量特别低。
6.本发明通过大于60HZ的脉冲进行检测时，对带涂镀层的工件不用打磨出金属光泽，可直接进行磁粉检测，简化检测工序，大大提高了工作效率。
7.空载电流比闭路电流更小，省去了空载过流保护，减少了电路元器件，提高了设备的工作可靠性。
8.采用高频移相技术，使交叉磁轭探头不用形成旋转磁场即可发现检测区域内各个方向的缺陷。
附图说明
图1为磁粉探伤的原理。
图2为工频磁化电流波形，其中a为正弦波，b为半波整流，c为全波整流。
图3为低频磁化电流波形，其中a为双向方波，b为带延迟的双向方波，c为单向方波。
图4为磁化电流频谱示意图。
图5为高频方波磁化电流波形。
图6为交叉磁轭探头结构原理图。
图7为交叉磁轭磁化电流波形。
具体实施方式
下面结合附图1~7和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种高频脉冲磁粉探伤方法，其方法包括：STP1：电源模块向主控板提供电源；STP2：主控板将电源转换为大于60HZ的高频脉冲信号输出给电磁探头；STP3：使用电磁探头对工件表面进行磁粉探伤。
上述中的高频脉冲信号中的高频，并非指传统意义上的高频，而是如图4所示，根据进行磁粉检测时使用的检测频率进行的人为划分。现有的技术中，国内进行磁粉检测时，使用的频率为不高于50HZ的频率，而国外，美国、日本等国家使用的是不高于60HZ的频率，因此，发明人将60HZ以下的频率段依次定义为磁粉探伤中的工频段、低频段，高于60HZ的频段定义为磁粉探伤频率中的高频段。
而上述步骤STP3中使用电磁探头进行磁粉探伤获取探伤结果的过程为现有的过程，不再详细描述。
电源模块采用现有常用的现有可充电电池，可以为12V~36V的任意一个直流电源模块，直流模块为主控板提供直流电源。不同的实施方式中，其余结构不变，仅电池电压采用12V或者24V或者36V。
上述的主控板中，不含有对电源进行升压的装置和器件，需含有对直流电流逆变为高频脉冲信号的逆变器或者逆变电路，而不使用升压器件，可以大大减小探伤仪器的质量，减少了元器件，0使设备更加稳定且方便各种场合使用。
同时，本发明采用直流电源供电，不但表面的检测灵敏度很高，而且，与现有的直流电源直接为磁轭探头供电相比，本发明可以检测深埋缺陷，检测的缺陷深度可以达到5mm，填补了无损检测的空白。
STP2中，高频脉冲信号为大于60HZ的方波脉冲信号。在不同实施方式中，可选择不同的频率信号。例如，在一些实施例中，可选择使用60HZ~100HZ范围的频率，但是此时，由于输出的频率会发生较大的抖动，为获取好的效果，可添加消除波形抖动的电路，而选用100HZ~300HZ范围以内（不包括端值）的频率时，抖动较小，可直接使用或者添加消除抖动的电路。又如，在一些实施例中，选择300HZ~2000HZ的频率范围内（包含端值）的频率，波形稳定无抖动，可直接进行磁粉探伤，不需要消除抖动。又如，另一些实施例中，也可选择大于2000HZ的频率，但是因为大于2000HZ的频率产生的效果与2000HZ时无区别，因此，通常不选择过高的频率进行探伤。
使用高频脉冲信号时，由于高频激磁电流的稳定性更好，与现有的激磁信号相比，发热量特别低，使设备更加稳定耐用。
同时，由于现有磁粉探伤行业规范中，要求磁粉检测时必须进行打磨，使涂镀层下的金属面裸漏出来进行磁粉检测，在磁粉检测中，不仅速度慢，使用场景限制大，而且对工件表面进行打磨后，后期需要花费较大代价对打磨的范围进行重新涂镀，会造成浪费资源。而本发明中通过高频脉冲信号进行磁粉检测，不需要打磨便可以对至少1mm以内的涂层直接进行磁粉检测，简化检测工序，大大提高了工作效率。
电磁探头包括电磁轭探头和交叉磁轭探头。本发明的方法可应用于电磁轭探头或者交叉磁轭探头。
应用于电磁轭探头时，选择电磁轭探头为Π型电磁轭探头，此时电磁轭探头的铁芯材料由高导磁的铁芯材料构成。把充磁线圈分成2个线圈串联，套在π型铁芯两端；充电电池组输出的直流电直接给主控板供电，主控板输出信号如图5所示，而电压根据装置中的电池结构而定，12V~36V均可，不需要再升压。
主控板输出的磁化电流波形为高频方波脉冲，高频方波脉冲频率100Hz-2000 Hz中的任意数值；充磁电流大小可以通过调节高频方波脉冲的占空比来实现。
使用图5的高频方波脉冲信号进行探伤时，经实验，提升力可以达到120N以上，远远超过NB/T47013.4-2015《承压设备无损检测 磁粉检测》标准对交流磁轭提升力≥45N的要求。
磁粉检测的灵敏度起决定因素的是漏磁场磁感应强度的峰值Bm，根据电磁学理论： QUOTE ，Qm-磁通量峰值，S-铁芯的截面积。 QUOTE ，N-充磁线圈的匝数，I-磁化电流， QUOTE L-磁路长度，µ-磁路磁导率，S-铁芯的截面积。所以有QUOTE 。
磁路长度L在满足使用要求的情况下，尽量缩短，L越短，Bm就越大。磁路一定，L是个常数，决定因素是线圈匝数、磁化电流和铁芯磁导率的乘积。磁路磁导率µ不是常数，是磁感应强度、磁场强度和磁化强度的函数，本发明中选取高导磁的铁芯材料，µ越大，Bm越大，检测灵敏度就越高。
铁芯材料确定后，决定Bm大小的就是线圈匝数N和磁化电流I的乘积。N和I又是一对矛盾，匝数多，线圈的电阻大，在供电电源一定的情况下，I就小，要通过试验确定N和I的大小。即在保证检测灵敏度和提升力的前提下，尽量降低充磁电流，起到节能，节约电池容量的目的。
采用高脉冲方波的激磁信号，大大增加了磁粉探伤机的提升力，提升力是传统设备的2倍以上。同时，由于本发明中采用高频脉冲信号，使得开路磁化电流比闭路磁化电流更小，可保护电路，避免烧坏电路。因此，本发明中不用设置开路磁化过流保护电路，这就使电路更加简单，减少了元器件，使设备工作更加可靠。上述中，“闭路”指电磁探头接触被检工件，形成闭路；相反，“开路” 是指电磁探头未接触被检工件，。
本发明还可应用于交叉磁轭（又称旋转磁场探头）探伤中，此时电磁轭探头由两个Π型电磁轭探头形成的交叉磁轭探头，该磁轭探头的铁芯同样采用高导磁的铁芯材料，为了使交叉磁轭不用形成旋转磁场即可检测各个方向的缺陷，主控板输出两路具有一定相位差的高频脉冲信号分别输出给两个Π型电磁轭探头。经过实验证明，相位差最好为π/2或2π/3。
根据磁粉检测基本原理，缺陷延伸方向与磁力线夹角θ大于30度的缺陷才能被发现，夹角θ为90度时检测灵敏度最高。所以把2个磁轭式探头按照90度交叉布置，形成交叉磁轭探头，就能发现检测区域各个方向的缺陷。如图6所示。在检测大工件焊缝或纵缝检测时，交叉磁轭探头检测效率高，被广泛采用。
本发明中应用于交叉磁轭探伤仪的方法与应用于磁轭探伤仪的方法基本一致。但是由于交叉磁轭探头结构的特殊性，如图6所示，交叉磁轭探头是2个磁轭式探头的叠加，因此尽管公用一个高导磁的铁芯，有2组线圈，L1和L2一组，L3和L4为另一组，主控板需要输出2路磁化电流信号u1和u2，u1和u2是相同的高频方波信号，即频率、占空比和电压幅值相同的方波信号，如图7所示，采用程控移相技术，使u1和u2保持固定的相位差Ø，相位差Ø选用π/2或2π/3，这样，可保证实现一次磁化，能发现检测区域出各个方向的缺陷。
本发明的铁芯材料为现有的高导磁铁芯材料，该材料一般指含硅量＞ 2.8%的冷轧晶粒取向硅钢片、0.28mm、0.3mm或0.35mm的薄板。磁探机常规采用铁损3.6 w/kg，厚度为0.5mm及以上的冷轧无取向硅钢，例如本发明中的采用铁损1.0 w/kg，厚度为0.3mm的冷轧取向硅钢片，重量明显变轻，更方便手持使用。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于，包括：
电源模块向主控板提供电源；
主控板将电源转换为大于60HZ的高频脉冲信号输出给电磁探头；
使用电磁探头对工件表面进行磁粉探伤。
2.根据权利要求1所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述电源模块为可充电电池组，可充电电池组为主控板提供直流电源。
3.根据权利要求2所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述可充电电池组电压为12V~36V。
4.根据权利要求1所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述电源模块为12V的可充电电池组。
5.根据权利要求1所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述高频脉冲信号为不低于300HZ的方波脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述电磁探头包括电磁轭探头和交叉磁轭探头。
7.根据权利要求7所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述电磁轭探头为Π型电磁轭探头。
8.根据权利要求7所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述交叉磁轭探头由两个Π型电磁轭形成的交叉磁轭探头，主控板输出两路具有一定相位差的高频脉冲信号分别输出给两个Π型电磁探头。
9.根据权利要求6所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述电磁轭探头和交叉磁轭探头的铁芯均由高导磁超薄硅钢材料构成。
10.根据权利要求8所述的一种高频脉冲磁粉探伤方法，其特征在于：所述相位差为π/2或2π/3。
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