軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

羅云東

(上海寶鋼工業(yè)檢測(cè)公司，上海201900)

目前，對(duì)于在役軋輥的自動(dòng)檢測(cè)通常采用的是自動(dòng)渦流檢測(cè)系統(tǒng)[1]。由于渦流檢測(cè)技術(shù)無(wú)需探頭接觸軋輥，亦無(wú)需耦合介質(zhì)，對(duì)單一材質(zhì)檢測(cè)靈敏度高，便于實(shí)現(xiàn)高速自動(dòng)檢測(cè)。同時(shí)，軋輥為導(dǎo)電材質(zhì)，形狀規(guī)則，表面光潔度高，非常適合用渦流技術(shù)來(lái)檢測(cè)其表面缺陷[2]。渦流可以檢測(cè)軋輥表面劃擦類缺陷以及軟點(diǎn)等缺陷，但與此同時(shí)，對(duì)于像熱軋工作輥等非單一材質(zhì)軋輥，自動(dòng)渦流檢測(cè)則存在誤報(bào)率高的問(wèn)題。同時(shí)，渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)有一定深度的缺陷亦無(wú)能為力。為了解決渦流對(duì)非單一材質(zhì)誤報(bào)率高的問(wèn)題，我們?cè)谀ポ侀g引進(jìn)了用于高速鋼軋輥的自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)軋輥表面及近表面缺陷進(jìn)行檢測(cè)，但不能對(duì)缺陷進(jìn)行進(jìn)一步的準(zhǔn)確定性和精確定量[3]。

基于軋輥質(zhì)量管理過(guò)程中的實(shí)際要求，并結(jié)合目前在役輥檢測(cè)所使用的各類技術(shù)手段，我們提出了軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)利用表面波、爬波及縱波等檢測(cè)技術(shù)全面檢測(cè)軋輥的表面、近表面及內(nèi)部缺陷，并利用動(dòng)態(tài)雙包絡(luò)跟蹤技術(shù)和對(duì)象參數(shù)綜合比對(duì)濾波技術(shù)對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位和精確定量，有效保證缺陷不漏檢、不誤報(bào)。

1 軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 自動(dòng)超聲檢測(cè)原理

軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)是利用超聲波反射方式對(duì)軋輥表面缺陷、近表面缺陷及內(nèi)部缺陷進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的綜合檢測(cè)系統(tǒng)。

自動(dòng)超聲檢測(cè)原理見(jiàn)圖1所示，設(shè)備自動(dòng)驅(qū)動(dòng)超聲波探頭接近軋輥表面，向軋輥發(fā)射縱波、表面波、爬行波類型的超聲波，當(dāng)在軋輥中傳播的聲脈沖遇到聲阻抗特性有變化處(材料變化或不同聲特性界面處往往是缺陷)部分入射聲能可被反射，根據(jù)反射信號(hào)的幅度可對(duì)缺陷大小做出評(píng)估。而根據(jù)測(cè)量入射波與反射波之間的時(shí)差可確定反射面與聲入射點(diǎn)的距離。這些信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)放大/衰減、濾波處理及A/D轉(zhuǎn)換等，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和專家系統(tǒng)智能判定，形成軋輥缺陷數(shù)據(jù)及分布圖。還可對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、報(bào)表、查詢、打印等后續(xù)管理功能。

1.2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成

軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)由機(jī)械控制單元、信號(hào)處理單元、人機(jī)界面和探頭架單元等四部分組成。機(jī)械控制單元主要包括操作面板、控制單元、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電機(jī)等，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的移動(dòng)、檢測(cè)過(guò)程的實(shí)施和耦合介質(zhì)的開(kāi)啟等。

圖1 自動(dòng)超聲檢測(cè)原理示意圖Figure 1 The automatic ultrasonic detection principle diagram

機(jī)械臂下端安裝超聲探頭信號(hào)處理單元，由5通道超聲波信號(hào)觸發(fā)和激勵(lì)模塊、放大模塊和分析處理模塊組成，其中包括2通道超聲表面波、2通道超聲爬波及1通道超聲縱波。人機(jī)界面包括工控機(jī)和打印機(jī)，用于探傷結(jié)果的顯示、保存和打印等數(shù)據(jù)管理工作。檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Figure 2 The detection system structure

1.3 自動(dòng)超聲檢測(cè)探頭單元

軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)探頭單元主要由周向表面波、軸向表面波、周向爬波、軸向爬波以及縱波直探頭等組成。探頭布局見(jiàn)圖3。周向和軸向表面波探頭分別用于檢測(cè)軋輥軸向和周向表面裂紋。周向和軸向爬波探頭則分別用于檢測(cè)軋輥近表面具有一定深度的軸向和周向缺陷。縱波直探頭則用于檢測(cè)軋輥內(nèi)部具有一定深度的缺陷。各探頭超聲波傳播方向亦見(jiàn)圖3。

圖3 探頭單元結(jié)構(gòu)及聲波傳播方向Figure 3 The probe unit structure and sonic direction

2 自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

(1) 缺陷信號(hào)動(dòng)態(tài)雙包絡(luò)跟蹤技術(shù)

基于工業(yè)級(jí)PCI模塊化設(shè)計(jì)，創(chuàng)造性地提出了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的缺陷動(dòng)態(tài)雙包絡(luò)跟蹤技術(shù)，通過(guò)建立缺陷自逼近包絡(luò)與缺陷形貌包絡(luò)的動(dòng)態(tài)雙包絡(luò)模型，準(zhǔn)確區(qū)分缺陷與非缺陷回波信號(hào)，確保系統(tǒng)具有低缺陷誤報(bào)率和高檢測(cè)重復(fù)率的突出優(yōu)勢(shì)。

(2) 被檢對(duì)象參數(shù)綜合比對(duì)濾波技術(shù)

根據(jù)被檢對(duì)象綜合參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立被檢對(duì)象參數(shù)綜合比對(duì)濾波模型，有效濾除檢測(cè)過(guò)程中被檢對(duì)象非相關(guān)參數(shù)對(duì)缺陷回波信號(hào)提取的影響，同時(shí)確保濾波技術(shù)不影響回波信號(hào)的波幅和精度。

(3) 缺陷的全局C掃描顯示圖譜技術(shù)

根據(jù)缺陷回波的動(dòng)態(tài)A掃描顯示，利用圖像處理技術(shù)，合成被檢對(duì)象全局C掃描顯示圖譜，準(zhǔn)確展示和定位缺陷。

(4)缺陷的精確定量技術(shù)

根據(jù)系統(tǒng)表面波和爬波的超聲回波信號(hào)，結(jié)合缺陷信號(hào)的動(dòng)態(tài)雙包絡(luò)跟蹤技術(shù)，精確定位缺陷的同時(shí)，可按不同檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，建立缺陷尺度定量模型，準(zhǔn)確給出包括缺陷長(zhǎng)度和深度等尺度參數(shù)。

3 檢測(cè)應(yīng)用實(shí)例

軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)目前已經(jīng)在冷軋磨輥間成功試用。

圖4給出了該系統(tǒng)對(duì)冷軋工作輥的檢測(cè)結(jié)果。該軋輥表面存在兩處長(zhǎng)度和深度各不同的表面缺陷，通過(guò)利用表面波與爬波的雙動(dòng)態(tài)包絡(luò)技術(shù)和對(duì)缺陷的綜合比對(duì)濾波技術(shù)，該系統(tǒng)能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行準(zhǔn)確定位和精確定量。

圖5給出了對(duì)于缺陷的人工磁粉復(fù)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)各類軋輥缺陷的檢測(cè)能力及智能判定能力。

圖4 軋輥?zhàn)詣?dòng)超聲系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)績(jī)Figure 4 The automatic ultrasonic detection system roll achievements

4 結(jié)論

超聲波自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是融無(wú)損檢測(cè)、機(jī)械自動(dòng)化、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)軟硬件等為一體的綜合性智能系統(tǒng)，它不但能對(duì)缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定性和精確定量，還具有檢測(cè)重復(fù)率高、檢驗(yàn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能在惡劣的環(huán)境下代替人工操作。隨著此項(xiàng)技術(shù)和設(shè)備的完善以及成本的進(jìn)一步降低，超聲波自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)將在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖5 人工磁粉復(fù)驗(yàn)結(jié)果Figure 5 The artificial magnetic powder to reinspect the results

[1] 胡學(xué)雄，陶軍，黎潤(rùn)民，董小明.渦流檢測(cè)技術(shù)在寶鋼熱軋軋輥上的應(yīng)用.軋鋼，2004，21(5)：65-67.

[2] 胡學(xué)雄，鄒曉東，陶軍，李振剛.熱軋精軋工作輥缺陷的渦流探傷襝測(cè).中國(guó)設(shè)備工程，2006，11：34-35.

[3] 陶軍.高速鋼軋輥表面和近表面缺陷自動(dòng)超聲探傷設(shè)備與探傷工藝.無(wú)損檢測(cè)，2010，32(3)：214-21.