謝建紅，石 劍，韓志偉，賴迎慶，桂詠梅

(中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000)

0 引言

直徑4～12 mm的小徑絲材常被用于制作航空、航天等軍工領(lǐng)域的鉚釘、螺栓和緊固件[1-3]。由于航空緊固件用絲材，起著結(jié)構(gòu)連接的重要作用[4]，因此為了防止原材料絲材缺陷流入成品緊固件中帶來安全隱患，原材料絲材的質(zhì)量檢測就顯得特別重要。

目前，對小徑絲材檢測一般采用超聲和渦流檢測的方法。危荃等[5]采用SAFT技術(shù)對鈦合金棒材進(jìn)行成像檢測，相比B掃成像具有更高的檢測靈敏度。Beck[6]采用液浸線聚焦傾斜橫波檢測棒材內(nèi)部徑向缺陷。王鐵虎等[7]指出渦流檢測是鎢絲表面質(zhì)量監(jiān)控的有效手段。吳誠[8]將渦流技術(shù)應(yīng)用到鎢錸絲的生產(chǎn)加工和質(zhì)量控制中，效果顯著。聞小德等[9]采用電磁超聲檢測方法能夠檢出棒材內(nèi)部的疏松、夾雜等缺陷。本研究介紹了一種基于預(yù)防性多濾波技術(shù)(Preventive Multi-filter Technology, PMFT)的新型絲材渦流檢測方法，它采用多個(gè)濾波器同時(shí)工作，以此對絲材質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

1 預(yù)防性多濾波渦流檢測原理

與常規(guī)渦流檢測相比，預(yù)防性多濾波渦流檢測的物理基礎(chǔ)也是電磁感應(yīng)原理，差別在信號處理方面采用了預(yù)防性多濾波技術(shù)，即在一個(gè)寬的、全面的頻率帶寬內(nèi)設(shè)置了多個(gè)中心頻率不同的帶通濾波器(Band-Pass Filter，BPF[10])，如圖1所示。檢測時(shí)所有濾波器同時(shí)觸發(fā)工作，這可以保證所有類型缺陷信號都能從其中某個(gè)或某幾個(gè)濾波器中通過，而被設(shè)備識別顯示出來。

在信號顯示方面，對于常規(guī)渦流檢測，其報(bào)警閘門需根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求的人工缺陷信號最大幅值設(shè)定，通常為矩形或圓形。這樣對于小的自然缺陷，因幅值小于驗(yàn)收要求而不會統(tǒng)計(jì)或難以檢出。而對于預(yù)防性多濾波渦流檢測，其公差區(qū)(相當(dāng)于報(bào)警閘門)則是根據(jù)合格信號設(shè)定，邊界與合格信號邊緣形狀相同，當(dāng)有檢測信號超出該公差區(qū)時(shí)，即判定為不合格信號。但渦流檢測是一個(gè)動(dòng)態(tài)采樣的過程，掃查過程中即使同是合格信號也難免會有幅值和相位上的輕微變化，如果公差區(qū)設(shè)定為與某合格信號完全重合，就可能會導(dǎo)致其他合格信號局部超出公差區(qū)而誤報(bào)警。因此可將公差區(qū)按比例放大，一般將公差因子(幅度放大比例)設(shè)置為2，公差相位角(相位放大比例)設(shè)置為12°，就可保證信噪比為2：1的缺陷信號被發(fā)現(xiàn)(優(yōu)于一般渦流檢測信噪比3：1的要求[11])，如圖2所示。

圖1 預(yù)防性多濾波技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of PMFT

圖2 預(yù)防性多濾波渦流檢測信號顯示Fig.2 Preventive multi-filter eddy current signal display

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)絲材渦流檢測的要求，搭建絲材渦流檢測的試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3所示。它采用了預(yù)防性多濾波技術(shù)，檢測時(shí)只需采用合格件進(jìn)行標(biāo)定，具有2個(gè)獨(dú)立的裂紋檢測通道，可驅(qū)動(dòng)2個(gè)裂紋檢測探頭，每一個(gè)通道多達(dá)30個(gè)帶通濾波，濾波頻率為6～20 000 Hz。

圖3 絲材渦流檢測系統(tǒng)Fig.3 System for wire deey current testing

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 周向靈敏度試驗(yàn)

假設(shè)有2個(gè)檢測信號，信號1與信號2幅值的差值X可由式(1)計(jì)算：

(1)

式中：A、B分別表示信號1、2在任一濾波器中的最大信號幅度與公差區(qū)邊界幅度的比值，即為36個(gè)濾波器中偏離值的最大值。

為得到預(yù)防性多濾波渦流檢測系統(tǒng)的周向靈敏度，采用直徑為12 mm，含有規(guī)格為10 mm×0.1 mm×0.1 mm(長×寬×深)人工缺陷的磨光絲材，將缺陷相對探頭分別處于0°、90°、180°、270°位置，以選定的檢驗(yàn)速度通過旋轉(zhuǎn)探頭。檢測出不同周向位置缺陷的最大偏離值結(jié)果分別為2.76、2.76、3.32、3.04。再通過式(1)即可計(jì)算出檢測信號幅值的最大差值約為1.7 dB，小于常規(guī)渦流檢測標(biāo)準(zhǔn)要求的3 dB[11]。

3.2 端頭盲區(qū)試驗(yàn)

考慮到邊緣效應(yīng)及系統(tǒng)響應(yīng)延時(shí)等因素，端頭盲區(qū)是絲材渦流檢測過程中的一個(gè)重要對象。為此，選用4根性能、尺寸完全相同的絲材，加工了距端頭不同距離、尺寸為φ2.0 mm×3.0 mm盲孔缺陷，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 缺陷位置Table 1 Defect position

為研究絲材兩端不可測的盲區(qū)大小，將盲孔缺陷作為首末端分別經(jīng)過旋轉(zhuǎn)探頭，其中盲孔缺陷作為首端的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4所示結(jié)果可以看出，距離絲材端部3、5、8、10 mm的盲孔缺陷檢測信號的偏離值均大于1，且被系統(tǒng)識別報(bào)警，因此可得以下結(jié)論：預(yù)防性多濾波渦流檢測能夠有效地檢出距離試樣端部3 mm的盲孔缺陷，能夠滿足現(xiàn)場絲材的實(shí)際應(yīng)用檢測。

圖4 盲區(qū)測試結(jié)果Fig.4 Test results of blind area

3.3 檢測靈敏度試驗(yàn)

為獲取采用預(yù)防性多濾波渦流檢測對冷拉制表面絲材的檢測靈敏度，以矩形槽模擬裂紋，選用4根等規(guī)格的材質(zhì)為GH2132、有效檢測長度為800 mm、直徑為5 mm的絲材，用電火花方式，分別加工出不同深度的縱向裂紋，研究絲材渦流檢測的檢出能力，其裂紋尺寸參數(shù)見表2。

為獲取絲材檢測靈敏度，僅改變裂紋深度，進(jìn)行了3次重復(fù)性試驗(yàn)。檢測信號的最大偏離值見表3，第2次試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

表2 裂紋參數(shù)Table 2 Flaw parameters mm

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)容易看出，預(yù)防性多濾波渦流檢測能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)冷拉制表面絲材表面深度不小于0.3 mm的缺陷，對于深度為0.2 mm的缺陷有報(bào)警響應(yīng)，但信號響應(yīng)不明顯。分析有以下幾點(diǎn)原因：被檢絲材的表面粗糙度較大，降低了檢測系統(tǒng)的信噪比；被檢絲材直線度較低，改變了探頭與絲材間的提離距離，降低了系統(tǒng)的周向靈敏度。因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，為保證檢測靈敏度，應(yīng)對被檢絲材的表面狀態(tài)、直線度以及探頭的周向靈敏度作出具體要求。

表3 檢測信號的最大偏離值Table 3 Maximum separation values of detection signal

圖5 檢測靈敏度測試結(jié)果Fig.5 Test results of sensitivity

將表3中數(shù)據(jù)繪制成缺陷深度與最大偏離值的關(guān)系曲線見圖6，由圖可見，裂紋檢測信號的最大偏離值與裂紋的深度成正比關(guān)系，隨著裂紋深度的增加，檢測信號的最大偏離值也相應(yīng)增大，與理論相符合。

4 實(shí)際檢測應(yīng)用驗(yàn)證

為驗(yàn)證預(yù)防性多濾波渦流檢測的實(shí)際檢測效果，任意選取了現(xiàn)場一批牌號為GH738、規(guī)格為φ5 mm的送檢絲材進(jìn)行渦流檢測，發(fā)現(xiàn)了8根不合格品。

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測結(jié)果的正確性，挑選出1根不合格絲材進(jìn)行酸腐蝕和金相檢查。經(jīng)檢查，該絲材上存在縱向裂紋，寬度約為30 μm，深度為225.7 μm(圖7)。可見預(yù)防性多濾波渦流檢測能準(zhǔn)確可靠地對絲材的表面及近表面缺陷進(jìn)行檢測。

圖6 缺陷深度與最大偏離值的關(guān)系曲線 Fig.6 Relation curve between defect depth and maximum separation values

圖7 驗(yàn)證結(jié)果Fig.7 Validation results

5 結(jié)論

作為一項(xiàng)新型絲材渦流檢測方法，預(yù)防性多濾波渦流檢測能夠準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)絲材表面深度不小于0.3 mm的裂紋缺陷，其周向靈敏度達(dá)到1.7 dB，優(yōu)于常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的3 dB，并且具有快速檢測、靈敏度高、盲區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)，因而可廣泛應(yīng)用于原材料絲材的質(zhì)量檢測。

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