在鋼(gang)(gang)棒的生(sheng)產過程(cheng)中(zhong)會產生(sheng)裂紋(wen)(wen)、夾(jia)雜和分層等缺陷(xian)而(er)影響鋼(gang)(gang)棒質量(liang)，其中(zhong)，鋼(gang)(gang)棒的表面(mian)縱(zong)向(xiang)裂紋(wen)(wen)約占(zhan)所有缺陷(xian)的70％。針對鋼(gang)(gang)棒的實際(ji)缺陷(xian)類型，一般(ban)采(cai)用復(fu)合檢測(ce)(ce)的方法對其質量(liang)狀況進行綜合評定，如超聲(sheng)法主要檢測(ce)(ce)鋼(gang)(gang)棒的內部(bu)縱(zong)向(xiang)裂紋(wen)(wen)、漏磁法主要檢測(ce)(ce)鋼(gang)(gang)棒的表面(mian)軸向(xiang)裂紋(wen)(wen)。
鋼棒軸(zhou)(zhou)向(xiang)裂(lie)紋(wen)(wen)將(jiang)嚴重影響產品(pin)質量，生(sheng)產過程中有效檢出鋼棒中的(de)(de)軸(zhou)(zhou)向(xiang)裂(lie)紋(wen)(wen)特別(bie)是微裂(lie)紋(wen)(wen)尤為必要(yao)。對于表面精拔(ba)加工的(de)(de)軸(zhou)(zhou)承生(sheng)產用鋼棒，采用交流(liu)漏磁檢測能夠(gou)有效探(tan)測微小裂(lie)紋(wen)(wen)。針對鋼棒表面軸(zhou)(zhou)向(xiang)裂(lie)紋(wen)(wen)，直(zhi)流(liu)磁化(hua)漏磁檢測一般難以(yi)適用。
這(zhe)里，介紹一種基(ji)于鋼棒(bang)螺旋運動、探頭固(gu)定(ding)的(de)鋼棒(bang)縱向裂(lie)紋自動檢測方法與(yu)裝置。采(cai)用C形局部交流磁化器(qi)對鋼棒(bang)進行(xing)勵(li)磁，并采(cai)用相應的(de)陣列傳感(gan)器(qi)來(lai)拾(shi)取裂(lie)紋漏磁信號(hao)，最后通過(guo)計算機處理系統實施定(ding)量化檢測與(yu)評估(gu)，獲得穩定(ding)的(de)檢測靈敏(min)度，具有廣(guang)泛的(de)應用價值。
一、檢測原理(li)
漏(lou)(lou)磁檢(jian)測(ce)方(fang)法分為(wei)直流漏(lou)(lou)磁和(he)交(jiao)流漏(lou)(lou)磁，圖(tu)7-26所示(shi)為(wei)鋼(gang)管和(he)鋼(gang)棒(bang)周向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)直流磁化時磁場(chang)(chang)分布對(dui)比(bi)。由圖(tu)可知(zhi)，鋼(gang)管易被磁化至飽(bao)和(he)狀態，缺陷漏(lou)(lou)磁場(chang)(chang)比(bi)較(jiao)大；而鋼(gang)棒(bang)磁化時，由于(yu)為(wei)實心，磁力線沒有(you)(you)環繞(rao)至鋼(gang)棒(bang)表面，而直接(jie)穿過鋼(gang)棒(bang)中(zhong)心，表面縱(zong)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)裂紋(wen)(wen)幾乎沒有(you)(you)漏(lou)(lou)磁場(chang)(chang)泄漏(lou)(lou)，為(wei)此(ci)，類(lei)似鋼(gang)管軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)裂紋(wen)(wen)的直流漏(lou)(lou)磁方(fang)法難以在鋼(gang)棒(bang)上實施(shi)。由于(yu)趨膚效應，交(jiao)流磁場(chang)(chang)集中(zhong)于(yu)工件表面，對(dui)表面軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)裂紋(wen)(wen)的檢(jian)測(ce)將更(geng)為(wei)敏感，所以，鋼(gang)棒(bang)軸(zhou)向(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)裂紋(wen)(wen)的檢(jian)測(ce)宜(yi)采(cai)用交(jiao)流漏(lou)(lou)磁檢(jian)測(ce)方(fang)法。
常用的交流漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器有穿(chuan)過(guo)式線圈磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器和(he)局部(bu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)軛(e)式磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器，用于縱(zong)向裂紋檢(jian)測的僅能采用后(hou)者(zhe)。圖7-27所示為(wei)采用局部(bu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)軛(e)式磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器的鋼棒交流漏磁(ci)(ci)(ci)(ci)檢(jian)測原理(li)圖。磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器由C形高導磁(ci)(ci)(ci)(ci)材料和(he)勵(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)線圈組(zu)成，其中勵(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)線圈環繞制在C形高導磁(ci)(ci)(ci)(ci)材料上，勵(li)磁(ci)(ci)(ci)(ci)線圈中施加一(yi)定頻率的交流電流。檢(jian)測元(yuan)件與(yu)磁(ci)(ci)(ci)(ci)化(hua)(hua)器一(yi)起與(yu)鋼棒形成相對螺旋運動，當檢(jian)測元(yuan)件掃查至(zhi)裂紋區域時可獲(huo)得裂紋信號。
二、整體方案
鋼棒(bang)交(jiao)流漏磁檢測系統方案如圖7-28所示。檢測單元由交(jiao)流漏磁磁化器和陣列(lie)傳感器組成；信(xin)號(hao)處理(li)過程(cheng)中，檢測中缺陷處的交(jiao)流漏磁場與交(jiao)流激勵場相疊加，為調制(zhi)信(xin)號(hao)，因此需要對信(xin)號(hao)進行(xing)(xing)解調處理(li)，濾(lv)除原交(jiao)流勵磁信(xin)號(hao)，保留(liu)裂紋(wen)信(xin)號(hao)，然后再(zai)進行(xing)(xing)放大濾(lv)波處理(li)。
為實(shi)現(xian)鋼棒(bang)縱向裂紋的全覆蓋(gai)自動(dong)化(hua)(hua)檢(jian)(jian)測，檢(jian)(jian)測探頭需要在(zai)鋼棒(bang)表面形成螺(luo)(luo)旋線掃查路徑。目前，主(zhu)要有兩種(zhong)(zhong)實(shi)現(xian)方式(shi)：①檢(jian)(jian)測單元靜止(zhi)，鋼棒(bang)做螺(luo)(luo)旋推進(jin)(jin)運(yun)(yun)(yun)動(dong)；②檢(jian)(jian)測單元旋轉(zhuan)，鋼棒(bang)做直(zhi)線運(yun)(yun)(yun)動(dong)。第二種(zhong)(zhong)多出(chu)現(xian)在(zai)進(jin)(jin)口的檢(jian)(jian)測設(she)備中，旋轉(zhuan)機構(gou)包括周向磁(ci)化(hua)(hua)器、檢(jian)(jian)測探靴、集電(dian)環(huan)、初步調理電(dian)路等(deng)，結(jie)構(gou)龐大(da)、價格昂貴。相比之下，采用第一種(zhong)(zhong)運(yun)(yun)(yun)動(dong)方式(shi)可避免主(zhu)機的回轉(zhuan)運(yun)(yun)(yun)動(dong)，使系統結(jie)構(gou)得到大(da)大(da)簡(jian)化(hua)(hua)，檢(jian)(jian)測成本(ben)低。這里(li)采用基于鋼棒(bang)螺(luo)(luo)旋推進(jin)(jin)的運(yun)(yun)(yun)動(dong)方式(shi)。
三(san)、檢測(ce)探(tan)頭(tou)
軸(zhou)向(xiang)裂紋(wen)檢測應具備兩大(da)要素：一(yi)是外加磁(ci)場(chang)方(fang)向(xiang)應最(zui)大(da)限度地與軸(zhou)向(xiang)裂紋(wen)垂直，以激勵(li)出(chu)最(zui)大(da)強度的漏磁(ci)場(chang)；二是磁(ci)場(chang)測量單(dan)元應該具有(you)足夠(gou)的靈(ling)敏度。
1. 交(jiao)流漏磁磁化器
鋼棒直徑越小(xiao)，軸向裂紋(wen)的檢(jian)(jian)測(ce)穩定性越難以保證。圖7-29所示為C形磁化器檢(jian)(jian)測(ce)狀態圖。
該方案有如(ru)下優點：
a. 經(jing)過(guo)鋼棒(bang)的有效主磁通更大，并且能保證(zheng)磁場方向同軸向裂紋正交，裂紋漏磁場更大。
磁(ci)(ci)化器所產(chan)生的磁(ci)(ci)通路徑有兩條：一是經過(guo)鋼(gang)棒的主磁(ci)(ci)通，二是不經過(guo)鋼(gang)棒的漏磁(ci)(ci)Φ通，即在磁(ci)(ci)化器兩極之間傳遞的磁(ci)(ci)通。故在磁(ci)(ci)路內(nei)的總磁(ci)(ci)通為(wei)
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常(chang)規交流漏磁(ci)(ci)檢測一(yi)般(ban)使用U型磁(ci)(ci)軛，磁(ci)(ci)極(ji)平面(mian)(mian)一(yi)般(ban)與(yu)鋼(gang)棒(bang)(bang)表面(mian)(mian)相切。本方案的(de)C形磁(ci)(ci)極(ji)用弧面(mian)(mian)與(yu)鋼(gang)棒(bang)(bang)表面(mian)(mian)貼合，氣隙(xi)漏磁(ci)(ci)通量少，有(you)效(xiao)增大(da)進入鋼(gang)棒(bang)(bang)的(de)主磁(ci)(ci)通量。
b. 對于小(xiao)規格鋼棒，磁(ci)極(ji)與鋼棒表面貼合不好，會使傳感器檢(jian)測(ce)區(qu)(qu)域偏離磁(ci)化(hua)中(zhong)心區(qu)(qu)，對信號產生干擾。在自動化(hua)檢(jian)測(ce)中(zhong)，這(zhe)種動態偏離將引起較大的(de)干擾，降低(di)檢(jian)測(ce)信噪比和靈敏度。C形(xing)磁(ci)化(hua)器及其磁(ci)極(ji)實現了較好的(de)對中(zhong)，檢(jian)測(ce)信號穩定，振動干擾小(xiao)。
在檢測(ce)(ce)不同(tong)直徑(jing)的鋼(gang)(gang)(gang)(gang)棒(bang)時(shi)，鋼(gang)(gang)(gang)(gang)棒(bang)中心(xin)高會發生變化，浮動對中機(ji)構可(ke)良好(hao)地實(shi)現探頭(tou)跟蹤，減(jian)少干擾噪聲。利(li)用滑軌滑塊機(ji)構可(ke)實(shi)現檢測(ce)(ce)探頭(tou)裝置的整(zheng)體上下(xia)移(yi)動，以適應鋼(gang)(gang)(gang)(gang)棒(bang)的中心(xin)高變化。氣缸可(ke)使檢測(ce)(ce)單(dan)元在鋼(gang)(gang)(gang)(gang)棒(bang)螺旋前(qian)進過程(cheng)中緊(jin)密貼(tie)合鋼(gang)(gang)(gang)(gang)棒(bang)，避免提離值(zhi)的變化對檢測(ce)(ce)信號的影響，如(ru)圖7-30所示(shi)。
2. 陣列傳感器
為提高檢測(ce)速度(du)并滿足全覆(fu)蓋一(yi)致性檢測(ce)，傳感器設(she)計成陣列式，以增加(jia)探頭軸向覆(fu)蓋范圍(wei)(wei)，防(fang)止缺(que)陷漏檢。鋼棒(bang)螺(luo)(luo)旋前進的(de)螺(luo)(luo)距一(yi)般稍(shao)小于(yu)探頭軸向覆(fu)蓋范圍(wei)(wei)，鋼棒(bang)運行螺(luo)(luo)距越(yue)大，系統檢測(ce)速度(du)越(yue)高。
由于(yu)檢(jian)測過程中(zhong)會出(chu)現(xian)多種機械電氣干(gan)擾而形成(cheng)(cheng)背景噪聲，將傳感器單元設計為差分(fen)(fen)式結構來消除部分(fen)(fen)干(gan)擾信號(hao)。如圖7-31所(suo)示，檢(jian)測單元由扁平線(xian)圈(quan)及聚磁鐵心(xin)組成(cheng)(cheng)，虛(xu)線(xian)框(kuang)為一個差分(fen)(fen)單元。探頭耐(nai)磨層采(cai)用(yong)(yong)陶瓷片，實(shi)踐(jian)證明(ming)具(ju)有很好的(de)耐(nai)磨效果，在具(ju)體應用(yong)(yong)過程中(zhong)只需定期更換陶瓷片，即可延長探頭的(de)使(shi)用(yong)(yong)壽命(ming)。
四(si)、現場應用
鋼棒軸(zhou)(zhou)向(xiang)裂紋自動檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)如圖(tu)7-32所示，系統由信號勵磁源(yuan)、計算機(ji)、采集卡、信號處理電路、輔機(ji)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)和檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)單元(yuan)等(deng)組成。圖(tu)中所示裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)僅用了1個(ge)檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)單元(yuan)，其軸(zhou)(zhou)向(xiang)覆蓋(gai)范圍為50mm，調節輥道的擺(bai)角，使ф24mm鋼棒行駛(shi)螺距(ju)小于50mm。當檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)單元(yuan)增加到(dao)8個(ge)時，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)螺距(ju)達(da)到(dao)500mm，檢(jian)(jian)測(ce)(ce)(ce)直線速度(du)可提升到(dao)60m／min。
待檢鋼棒如(ru)圖7-33所示，表面(mian)共有(you)四個軸(zhou)向(xiang)裂(lie)(lie)紋，長均為40mm，寬均為0.2mm，裂(lie)(lie)紋深依次為0.30mm、0.15mm、0.25mm和0.30mm。
對鋼棒表面進行(xing)自動化檢(jian)測，所得信(xin)號(hao)如圖7-34所示。由檢(jian)測信(xin)號(hao)可(ke)(ke)知(zhi)，該裝置對表面不(bu)同深度的軸(zhou)向裂(lie)紋有穩定可(ke)(ke)靠的檢(jian)測能(neng)力，且信(xin)噪比較好。
交流漏磁(ci)法(fa)對(dui)鋼(gang)棒表面軸向裂紋具有較高(gao)的(de)檢(jian)測靈敏度(du)。局(ju)部磁(ci)軛磁(ci)化(hua)器(qi)易(yi)與陣列(lie)傳感(gan)器(qi)實(shi)現一(yi)體化(hua)，采用C形局(ju)部磁(ci)化(hua)器(qi)和陣列(lie)傳感(gan)器(qi)設計，使得檢(jian)測結構(gou)更簡單、小(xiao)型(xing)化(hua)，有利于自(zi)動化(hua)檢(jian)測的(de)實(shi)施。該系統裂紋檢(jian)測深度(du)最淺可(ke)達0.15mm，檢(jian)測速度(du)可(ke)達60m／min，滿足鋼(gang)棒自(zi)動化(hua)檢(jian)測需(xu)求。
