陣列渦流檢測精度控制研究

周立波 石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司

陣列渦流檢測技術(shù)是圓鋼表面缺陷的有效檢測方法之-。它是通過渦流檢測線圈和防磨靴結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì),利用計(jì)算機(jī)化的渦流探傷儀強(qiáng)大的分析、計(jì)箅及處理功能,實(shí)現(xiàn)對材料和零件快速有效的檢測。在圓鋼表面沿月向按-定方式布滿渦流點(diǎn)式探頭,探頭是由多個(gè)獨(dú)立工作的線圈構(gòu)成,這些線圈按照特殊的方式排布,且發(fā)射線圈與接收線圈之間形成兩種方向互相垂直的電磁場傳遞方式,利用電子旋轉(zhuǎn)切換掃描原理,在圓鋼直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí),完成圓鋼表面的渦流探傷。線圈的這種排布方式,具有檢測靈敏度高和檢測速度快的優(yōu)點(diǎn),有利于發(fā)現(xiàn)取向不同的表面缺陷。陣列渦流檢測技術(shù)克服了普通線圈對缺陷方向性敏感的缺點(diǎn)。

一、設(shè)備技術(shù)參數(shù)

（一）棒材工藝參數(shù)

被檢測棒材規(guī)格范圍：棒材直徑 Φ30～Φ110mm，棒材長度4～9m；

棒材表面狀態(tài)：拋丸或修磨處理，表面清潔度（SA2.0—2.5級），表面粗糙度（≤Ra12.5—25μ）；

棒材彎曲度：≤2mm/m，全長總彎曲度不大于鋼材長度的1‰。

（二）設(shè)備技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)

1.性能指標(biāo)

檢測靈敏度：縱向缺陷10mm×0.15mm×0.2mm（長×寬×深）；點(diǎn)狀0.3mm×5mm(深×直徑)；

檢測速度：20～60m/min，連續(xù)可調(diào)；

端部盲區(qū)：≤50mm；

信噪比：≧9db

2.設(shè)備配置

探頭數(shù)目：12個(gè)，12線圈/探頭

線圈尺寸：5×5（長×寬）

激發(fā)頻率：500KHz

本套系統(tǒng)采用一組探頭覆蓋Φ30～Φ110mm全規(guī)格，單個(gè)探頭曲面覆蓋全規(guī)格范圍見示意圖1。

圖1 曲面探頭覆蓋大范圍的圖示Fig.1 lustration of the coverage of a large range by a single curved probe

二、檢測前技術(shù)準(zhǔn)備

（一）設(shè)備校準(zhǔn)

該檢測系統(tǒng)共有檢測線圈120個(gè)，為了使所有檢測線圈對同一缺陷的精度相同，并且相位一致，需要使用同一樣棒上的同一人工缺陷對各通道線圈信號進(jìn)行一致性校準(zhǔn)操作。并且，為了校準(zhǔn)方便，提高更換規(guī)格時(shí)的速度，校準(zhǔn)操作采用所檢測規(guī)格上限Φ110mm為校準(zhǔn)樣棒，樣棒見示意圖2。

圖2 校準(zhǔn)樣棒Fig 2 CALIBRATION BAR

校準(zhǔn)過程比較簡單，在機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)整完以后，進(jìn)入渦流校準(zhǔn)模式，對圖2所示樣棒進(jìn)行檢測，然后利用軟件工具對人工傷信號進(jìn)行增益補(bǔ)償，從而使各通道信號精度一致，見示意圖3。在出現(xiàn)下列情況時(shí)，需要進(jìn)行校準(zhǔn)操作：更換探頭、更換了信號電纜、信號激發(fā)板、更換防磨靴、發(fā)現(xiàn)信號異常時(shí)。

圖3 信號校準(zhǔn)示意Fig3 calibration signal

（二）平衡操作

陣列渦流探頭線圈采用自比較式方形線圈，為了減少棒材表面狀態(tài)對檢測信號的影響，在校準(zhǔn)完以后檢測之前，需要使用被檢測棒材對渦流系統(tǒng)進(jìn)行相位及線圈感應(yīng)電壓的平衡操作。具體操作步驟：進(jìn)入檢測模式，選中平衡操作，待棒材進(jìn)入設(shè)備以后渦流探頭自動(dòng)貼抱于棒材表面，待系統(tǒng)自動(dòng)平衡完以后，棒材自動(dòng)退出，完成平衡操作可以進(jìn)行檢測。

三、檢測精度的優(yōu)化及確定

（一）初設(shè)檢測精度存在問題

針對渦流檢測的精度控制方面，主要是依賴于設(shè)備廠家提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和日常進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，其檢測精度與實(shí)際缺陷之間存在一定的誤差，導(dǎo)致在一定的檢測精度要求下，檢測合格率不能真實(shí)反映質(zhì)量情況；同時(shí)，為了避免出現(xiàn)質(zhì)量異議，在對棒材使用0.3mm檢測精度進(jìn)行檢測時(shí)，出現(xiàn)了100%不合格的情況，但棒材的實(shí)際表面質(zhì)量并不是這種情況，根據(jù)對被檢測缺陷進(jìn)行低倍測量，發(fā)現(xiàn)缺陷實(shí)際深度與檢測設(shè)置靈敏度存在不同層次的非線性關(guān)系。

（二）確定精度思路

為了解決檢測精度與實(shí)際缺陷之間存在一定的誤差，本項(xiàng)目主體思路是利用人工傷模擬自然缺陷，主要是針對裂紋缺陷；同時(shí)根據(jù)《圓鋼渦流探傷方法》GB/T11260-2008，詳細(xì)了解國標(biāo)準(zhǔn)中對缺陷的尺寸設(shè)計(jì)要求和不同規(guī)格對檢測精度的要求。使人工缺陷信號反映更接近自然缺陷，從而達(dá)到利用人工傷代替經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置靈敏度的目的，最終形成渦流檢測設(shè)置的具體操作方法，規(guī)范渦流檢測精度設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

（三）樣棒制作

1.研究國標(biāo)、確定刻傷機(jī)型號和刀片尺寸

在購置刻傷機(jī)之前，認(rèn)真研究了《圓鋼渦流探傷方法》GB/T11260-2008，詳細(xì)了解了國標(biāo)準(zhǔn)中對缺陷的尺寸設(shè)計(jì)要求和不同規(guī)格對檢測精度的要求。并根據(jù)樣棒長度和規(guī)格范圍與廠家進(jìn)行了詳細(xì)的溝通，確定了刻傷機(jī)的型號和刀片的尺寸型號。

（1）刻傷機(jī)的使用

刻傷機(jī)的技術(shù)參數(shù)包括：

①電機(jī)參數(shù)：功率：60W，轉(zhuǎn)速：2800N=r/mim

②刀片寬度：0.10mm、0.20mm、0.50mm (±0.02mm )

③刻傷深度：0～3.5mm（±0.05mm）

④鋼材刻傷距端部：小于200mm

為了切實(shí)保證人工傷的尺寸誤差范圍在國標(biāo)控制范圍之內(nèi)，在刻傷過程中，反復(fù)對刻傷刀片在深度和缺陷長度的移動(dòng)速度方面進(jìn)行試驗(yàn)，通過反復(fù)試驗(yàn)，確定了根據(jù)鋼種差異刀片給進(jìn)速度的差異，并且解決了刻傷機(jī)0位定位不準(zhǔn)和不能滿足端部50mm內(nèi)不能刻傷的問題。

2.人工傷尺寸鑒定和樣棒設(shè)計(jì)

刻傷尺寸的精確程度，直接影響到檢測設(shè)置的合理性，為此在品質(zhì)部物理實(shí)驗(yàn)室的協(xié)助下，對刻傷尺寸進(jìn)行了高倍測量，確保了缺陷的尺寸。

樣棒的作用是確定儀器的綜合性能指標(biāo)，其中包括：檢測精度、周向靈敏度差、端部盲區(qū)、信噪比等。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)我們的設(shè)備特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了樣棒的缺陷分布，并提出了檢測測試圖形分析方法。

（四）信號分析和精度設(shè)定

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇三個(gè)深度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分別是：0.2mm深×0.1mm寬×20mm長；0.2mm深×0.2mm寬×20mm長；0.2mm深×0.5mm寬×20mm長。圖4為三種缺陷的實(shí)際檢測圖形，根據(jù)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，同樣深度的人工傷，寬度不一樣時(shí)，檢測信號大小不同，但是我們認(rèn)為人工傷寬度越窄越接近于實(shí)際裂紋阻抗反映，同時(shí)對實(shí)際裂紋寬度進(jìn)行測量，其寬度尺寸與0.2mm人工傷寬度基本一致。因此，我們應(yīng)該利用0.2mmD＊0.2mmW＊20mmL的人工傷作為檢測設(shè)置依據(jù)。

圖4 相同深度、不同寬度缺陷信號Fig4 Fig4:Signals of defects with same depth but different widths

利用新設(shè)置的0.2mm深檢測精度軟件對φ90mm，45#進(jìn)行了檢測，檢測合格率40%（該爐鋼材合同沒有要求檢測，根據(jù)生產(chǎn)隨機(jī)選擇了該爐進(jìn)行試驗(yàn)）。對四處檢測出的缺陷進(jìn)行了定位、修磨、低倍、高倍觀察，三個(gè)缺陷性質(zhì)為裂紋，其中一個(gè)為軋痕，根據(jù)對實(shí)際檢測的缺陷進(jìn)行分析，缺陷深度與檢測精度設(shè)置之間線性關(guān)系比較接近，因此，確定帶有0.2mm深×0.2mm寬人工傷制作的樣棒作為精度設(shè)定依據(jù)。

四、優(yōu)化效果

經(jīng)過對檢測精度進(jìn)行優(yōu)化，對實(shí)際檢測的自然缺陷又進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)備性能驗(yàn)證，通過對檢測出的自然缺陷進(jìn)行磁粉探傷對比、定位、修磨、低倍、高倍觀察、測量，繪制了渦流設(shè)備性能分析圖表，見圖5，通過圖表可以看出，雖然出現(xiàn)了一個(gè)漏檢缺陷，但渦流設(shè)備檢測性能總體還是可靠的，線性關(guān)系良好。

圖5 檢測性能分析Fig5 Analysis of inspection performance