磁痕成像系統自動無損探傷與判別技術探討

秦春林，孫寶民，任 帥

（神華鐵路裝備有限責任公司包頭車輛維修分公司，內蒙古包頭 014060）

0 引言

磁粉探傷的效果較為明顯，其技術的成熟程度和運行成本具有較好效果，被廣泛應用于工業鐵鑄件的質量檢測環節。基于機器視覺的表面檢測技術已經成為當前無損檢測技術中較為常見的技術之一。一般情況下，對于磁痕的觀察與檢測都是通過人工的觀察和識別進行缺陷判別手段來實現的，其探傷結果受到人工的主觀或專業水平影響而出現判斷失誤和判斷缺陷，無法保證探傷效果的精準性、可靠性和一致性。而且在探傷人員進行磁痕觀察時，由于視覺受到紫外線輻照和強磁場的輻射影響以及長時間處于暗室環境中進行操作，會對工作人員的身體健康帶來極為重大的影響。所以，對于磁痕的探傷和判別技術進行自動化技術的研究有著極為重要的意義。通過利用具備高性能的紫外線光纖燈、高清分辨率的工業用相機和高水平的智能化圖像處理技術、缺陷識別技術等，集中光、機電控制技術于一體的自動化技術進行人工觀察與檢測識別，讓電腦操作代替人工檢查來實現磁粉探傷檢測的全過程操作，以降低人工檢測與觀察所帶來的誤差率，實現高精度的質量檢測。

1 磁粉探傷的原理概述

磁粉探傷，學術角度稱為磁粉檢測，是屬于工業鐵鑄件當中所常用的無損檢測方法之一，常用于鐵鑄件、鐵磁性材料和生產制品的磁痕檢測，從專業角度闡述原理可以概括為:利用鐵鑄件或鐵磁性材料的缺陷處漏磁場與磁粉之間的相互作用力，讓鑄件和磁性材料的工件表面或近表面的缺陷位置存在的磁力線產生一定程度的畸變，該畸變狀態下部分磁力線溢出，并在工件表面位置形成具有一定強度的磁場，當工件表面被噴灑磁粉時，磁粉在缺陷處被強大的磁場所磁化，磁粉吸附在工件表面的缺陷部位，并沿磁感線按照磁場形成的規律進行排列分布，由此形成一條較為明顯的磁痕。磁痕的無損探傷原理主要利用磁場和磁粉的磁化，使其在形成磁場情況下實現對工件表面缺陷的檢測與探查，即為磁粉探傷技術，如果沒有漏磁場的存在，磁粉檢測就無法對工件缺陷做出準確的檢測[1]。目前磁痕成像技術在進行檢測時，其檢測結果常受到人為操作和主觀判斷等因素的影響，存在的誤差會導致檢測精準度下降。因此，實現磁痕成像系統的自動無損探傷與自動判別技術具有十分重要的意義和作用。

2 磁粉探傷技術的特點

磁粉探傷技術的優點，在于其能夠直觀顯現工件表面的缺陷。在LED 紫光燈的照射下觀察磁粉依附的缺陷，對缺陷的形狀、大小和具體位置做出明確檢測，并且依據工件表面缺陷的呈現形態以及加工技術原理確定缺陷分類。磁粉探傷具有極高的檢測靈敏度，利用磁粉可以仔細觀察工件表面的細微缺陷，當缺陷裂紋寬度過大或者裂紋深度太淺等情況，會降低檢測的準確度和靈敏度。但磁粉探傷技術不會受到工件大小和形狀的局限，其原理上的優勢能夠對工件采用合適的磁化方法以及磁化強度進行磁化，大部分狀態下都能夠檢測出工件表面的缺陷和傷痕。

磁粉探傷的傳統操作較為簡單，主要依靠人工進行視覺上的觀察和檢測，操作較為簡單、時間短，成本投入比較低，但人工觀察和操作存在一定程度的人為誤差。磁粉探傷所檢測的工件必須是鐵磁性材料或制品，其裂紋的深度不可以超過1～2 mm。一些不具備磁化條件的材料無法進行磁粉檢測，例如鋁制工件、鈦工件等非磁性材料。此外，磁粉探傷的靈敏度與磁化方向也具有一定聯系，如果裂紋方向與磁化方向保持近似平行的狀態，工件的表面裂紋是極為不容易顯現出來的。而且表面較淺的劃傷或較深的孔洞，磁粉也無法做到較為明顯地吸附，同樣無法進行檢測顯現。還有一種情況是工件的表面如果經過涂層處理，會在較大程度上降低工件的磁性，導致檢測的靈敏度下降，而且工件表面涂層越厚，其磁性和檢測靈敏度就越低[2]。最后一點在于工件如果是利用電流來產生磁場進行磁化的，那么檢測結束后還需要進行退磁處理。

3 磁粉探傷技術的應用現狀

3.1 磁粉探傷檢測方法的現狀

磁粉探傷是工業用工件缺陷檢測極為常用的檢測技術之一，其應用的時間較長，技術方法的運用也較為成熟，絕大多數工廠和生產磁性工件的制造廠都在使用磁粉探傷技術進行鐵磁性零部件的表面和近表面缺陷檢測。科學技術和生產技術一直在不斷地研究與發展，生產技術的進步促使所生產的工件質量提升、缺陷存在率逐漸降低，缺陷的尺寸與形狀也越來越小。基于此點，發達國家研制了一種利用脈沖式磁化與退磁技術進行巨大尺寸的工件檢測，并設計和生產出質量較輕、方便攜帶的針對小型工件檢測的磁粉探傷設備，其設計理念是基于交叉和正交線圈相結合的工件磁化技術，實現對尺寸較大工件和特異形狀工件進行檢測的功能[3]。

就技術性來講，目前國內具有世界級影響力和競爭力的磁粉探傷設備生產技術的企業和制造商數量極少，具有頂尖競爭力的磁粉探傷設備生產和研發技術的企業多數分布在歐美等國家，如德國、意大利、美國等。而在缺陷檢測的識別方法上，我國的一些科研機構嘗試研究將技術成熟的機器視覺檢測技術應用到磁粉探傷領域中，其主要涉及數字圖像處理和識別技術模式的融合應用，并且取得了一定成果，但還無法做到推廣應用，仍需完善。

3.2 其他無損檢測探傷的研究

目前，我國對于磁粉探傷技術的研究通過對國外發達國家先進技術的借鑒和實際的檢測方法研究，在磁粉耗材和設備儀器上都做出了很大水平的改善。國外國家大多習慣使用具有較高濃度的磁懸液進行稀釋配置來實現磁化標準和磁粉附著效果的實現，而國內目前所使用的是干磁粉兌油基進行磁懸液的配置。由于磁粉處于長時間在磁懸液的浸泡下，其表面的染料會自行脫落，并導致熒光粉的效果降低，以致無法實現磁粉檢測過程中相關精準度的提升。國內的設備儀器在穩定性上也與發達國家存在一定的差距，國外的磁粉探傷設備多數是由美、德、日等發達國家生產和研制的，其技術相比國內的領先程度較高。整體來講，國內目前具有較高技術水平和高質量設備的制造商較少，對于磁粉探傷設備的研究方向也各有不同[4]。目前，我國位于上海的企業已經逐漸向磁粉檢測設備的便攜化方向研究，自動化水平和自動判別技術已經取得一定成果，在很大程度上改善和提升了磁粉探傷檢測技術的精度、效率和檢測效果。

3.3 當前人工視覺檢測方法的問題與難點分析

目前的人工視覺檢測方法仍存在很多問題，首先是工件的磁化方面受到很多因素的限制，尤其是工件的材質要求較高，只能針對部分磁化程度較高的金屬工件進行檢測；其次是人工視覺檢測會受到人為因素、視覺疲勞和檢測環境的影響，人眼的視覺識別存在長時間觀察下所形成的視覺差，對檢測精度造成較大影響。

4 自動無損探傷和自動判別技術構成

4.1 磁痕成像系統自動無損探傷的磁粉采集部分

磁粉采集和磁痕成像系統的構成主要是依靠LED 紫外光燈、以太網口交換機、高清晰分辨率的工業用相機和工業鏡頭所組成的。紫外光照明燈由多個紫外光LED 照明燈燈珠組成，采用的紫外燈必須達到較高的照明度才能滿足磁痕成像的光照度要求。另一方面，工業用高分辨率的工業相機的分辨率不能低于1920×1080，要求其攝像速率必須達到一定幀率，并具有較廣的視角、成像精度和良好的成像質量，可以按照不同現場、不同工件表面狀態進行鏡頭的選擇和設定，相機接口要以以太網口為佳，配合交換機和電腦同時連接多臺高清相機，以提升成像速度，確保磁粉檢測和磁粉的采集精度[5]。

4.2 磁痕成像系統自動無損探傷的磁痕缺陷判別部分

缺陷判別是整個磁痕成像系統自動無損探傷檢測的重要組成部分，因其檢測的工件表面所具有的缺陷會呈現不同性質、不同位置和不同的磁痕特征，要求磁痕成像系統自動缺陷判別的功能能夠隨位置變化指標的缺陷選擇識別算法，將工件的目標位置作為識別的主要特征，并依據圖像中的工件區域預先分割感應區，針對不同感應區選取不同算法，確保磁痕特征值和工件缺陷的熒光亮度等因素確定。

5 磁痕成像系統的應用分析

5.1 磁痕成像系統自動化水平的應用

實現磁痕成像系統的自動化水平，首先需要采集磁粉。根據磁粉的采集進行磁粉探傷結果的圖像化，對超過原有質量要求的缺陷磁痕進行自動篩選和分類，此過程中需要注意對其自動操作的過程進行記錄、存儲、打印和圖像處理，并按照缺陷磁痕的探測部位、長度、形狀、范圍、性質等進行自動篩選、歸類，并按照標準要求判斷是否符合探傷標準，如果達到輪軸磁粉探傷的自動識別裂紋缺陷和自動判傷的標準就能夠確定其缺陷程度，借此來實現磁粉探傷檢測過程的自動化運行和精準效果的達成。

其主要的應用技術難點在于磁粉的檢測效果是基于磁痕圖像來進行顯示和判定，磁痕缺陷是否能夠清晰地顯現和檢測，磁密度的保證極為重要。必須在工件磁化時選擇最佳的磁化方向，并使工件達到足夠磁化的強度，使工件得到完全合適的磁化。磁化的方法也是選擇最佳的產生漏磁場的方向，并確保磁化電流值的適當調整和設置。

5.2 磁粉檢測的探傷結果準確應用

按照磁痕成像系統的運行質量和對圖像處理軟件的應用，能夠有效地實現對磁痕圖像的自動采集，并依據原始圖像進行缺陷的對比和自動判別，這一過程中要注意對原始磁痕圖像的采集精度控制設定，確保其圖像的清晰度和位置的精準錄入，使其所形成的原始圖像的處理能夠依據缺陷磁痕的位置、尺寸和形狀進行自動對比和判別顯示，并且按照輪軸、輪對圖形中的分布進行精準的位置確認，此功能可避免因人工觀察檢測而導致的人為誤差，也是對檢測效率的有效提升，最大程度上降低因漏報、錯報缺陷而導致探傷結果的準確性下降情況。

5.3 提高LED 紫外線燈與高清工業相機的組合應用

磁痕成像系統的運行和高精度圖像的成像處理的基礎，在于LED 紫外線燈與高清工業相機的組合使用。LED 紫外線燈的照射能夠使磁粉形成較為明顯的狀態，并通過高清晰度的工業相機進行快速的影像捕捉，由此形成磁粉探傷的原始圖像，才能夠進行自動探傷的檢測和探傷的自動判別技術。因此，對于LED 紫外線燈與高清工業相機的組合應用，必須要做到高標準地設定與調試，確保LED 紫外線燈光線的標準設定和冷光源、無熱輻射、響應時間快和點量無延遲等標準點的具備，而且要能夠實現高清相機與LED 紫外線燈之間的高速同步，使其能夠形成磁痕采集的基本單元，實現對高清晰度、高質量磁痕圖像的獲取。

進行磁痕影像的快速捕捉時，注意對一些工件幾何形狀引起的非相關顯示的判別準確性技術調整。非相關顯示主要指不屬于缺陷所引起的，而是與工件材質、形狀結構、磁化方式或者加工技術等因素有關。一般來講，存在非相關顯示不會影響工件正常投入使用，大多數存在非相關顯示的工件在質量和安全上都屬于合格品。但值得注意的是，非相關顯示與相關顯示較為相似，常會造成判別技術中將其與磁痕探傷相混淆，從而造成誤判。所以在應用高清成像技術設備時要注意將這一問題進行有效解決。

5.4 磁粉檢測探傷結果的判定依據

磁痕圖像的應用是實現計算機控制的自動化技術在線文檔記錄、檢測時間、節點、操作人員、檢測工件數、廢品率、合格率以及圖像數據查詢等信息數據的獲取和存儲，尤其是能夠進行磁痕圖像的自動粘貼和生成格式的設定，并形成極為詳細的磁粉探傷記錄與檢測報告，使磁粉檢測的探傷結果能夠有據可查，提供判定依據的數據支持。從技術層面來講，磁粉檢測探傷結果的判定依據具有較高的科學性、精確性和可靠性，從磁粉采集到成像，從判別和最終磁痕探傷的準確識別，再到檢測報告等一系列的操作可以看出，每一個環節都能夠做到合理和有序，并保留下相關的操作和流程記錄，確保檢測結果的精確程度。

6 結束語

對于工業生產中的鐵鑄件質量檢測，其工作環境和工作方式對質量檢測結果和工作人員的身體健康都會帶來極大影響。磁痕成像系統的自動化技術研究以及自動無損探傷和自動判別技術的應用，能夠在最大程度上提高缺陷磁痕的檢測結果和精準的自動捕捉，并進行高精度的自動識別與自送判別，能夠實現對檢測效率、檢測質量和檢測精確度的最大程度提升。磁痕成像系統的自動化技術還能夠廣泛應用到多種工業生產和鐵鑄件的生產檢測當中，能夠全面提高機械生產和機械設備、車輛維修制造等生產質量的整體技術水平，對制造質量和行車安全有著極為重大的作用與實際意義。