軋輥自動超聲波檢測系統(tǒng)

羅云東

(上海寶鋼工業(yè)檢測公司，上海201900)

目前，對于在役軋輥的自動檢測通常采用的是自動渦流檢測系統(tǒng)[1]。由于渦流檢測技術(shù)無需探頭接觸軋輥，亦無需耦合介質(zhì)，對單一材質(zhì)檢測靈敏度高，便于實現(xiàn)高速自動檢測。同時，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)來檢測其表面缺陷[2]。渦流可以檢測軋輥表面劃擦類缺陷以及軟點等缺陷，但與此同時，對于像熱軋工作輥等非單一材質(zhì)軋輥，自動渦流檢測則存在誤報率高的問題。同時，渦流檢測技術(shù)對有一定深度的缺陷亦無能為力。為了解決渦流對非單一材質(zhì)誤報率高的問題，我們在磨輥間引進了用于高速鋼軋輥的自動超聲檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對軋輥表面及近表面缺陷進行檢測，但不能對缺陷進行進一步的準(zhǔn)確定性和精確定量[3]。

基于軋輥質(zhì)量管理過程中的實際要求，并結(jié)合目前在役輥檢測所使用的各類技術(shù)手段，我們提出了軋輥自動超聲波檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過利用表面波、爬波及縱波等檢測技術(shù)全面檢測軋輥的表面、近表面及內(nèi)部缺陷，并利用動態(tài)雙包絡(luò)跟蹤技術(shù)和對象參數(shù)綜合比對濾波技術(shù)對缺陷進行準(zhǔn)確定位和精確定量，有效保證缺陷不漏檢、不誤報。

1 軋輥自動超聲波檢測系統(tǒng)

1.1 自動超聲檢測原理

軋輥自動超聲檢測系統(tǒng)是利用超聲波反射方式對軋輥表面缺陷、近表面缺陷及內(nèi)部缺陷進行自動檢測的綜合檢測系統(tǒng)。

自動超聲檢測原理見圖1所示，設(shè)備自動驅(qū)動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)反射信號的幅度可對缺陷大小做出評估。而根據(jù)測量入射波與反射波之間的時差可確定反射面與聲入射點的距離。這些信號通過數(shù)據(jù)采集、信號放大/衰減、濾波處理及A/D轉(zhuǎn)換等，再經(jīng)過相應(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。還可對檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)存儲、報表、查詢、打印等后續(xù)管理功能。

1.2 自動檢測系統(tǒng)的組成

軋輥自動超聲檢測系統(tǒng)由機械控制單元、信號處理單元、人機界面和探頭架單元等四部分組成。機械控制單元主要包括操作面板、控制單元、驅(qū)動機構(gòu)和電機等，用于實現(xiàn)機械臂的移動、檢測過程的實施和耦合介質(zhì)的開啟等。

圖1 自動超聲檢測原理示意圖Figure 1 The automatic ultrasonic detection principle diagram

機械臂下端安裝超聲探頭信號處理單元，由5通道超聲波信號觸發(fā)和激勵模塊、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。人機界面包括工控機和打印機，用于探傷結(jié)果的顯示、保存和打印等數(shù)據(jù)管理工作。檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2。

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

1.3 自動超聲檢測探頭單元

軋輥自動超聲檢測系統(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。探頭布局見圖3。周向和軸向表面波探頭分別用于檢測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 自動超聲檢測系統(tǒng)技術(shù)特點

(1) 缺陷信號動態(tài)雙包絡(luò)跟蹤技術(shù)

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

(2) 被檢對象參數(shù)綜合比對濾波技術(shù)

根據(jù)被檢對象綜合參數(shù)數(shù)據(jù)庫，建立被檢對象參數(shù)綜合比對濾波模型，有效濾除檢測過程中被檢對象非相關(guān)參數(shù)對缺陷回波信號提取的影響，同時確保濾波技術(shù)不影響回波信號的波幅和精度。

(3) 缺陷的全局C掃描顯示圖譜技術(shù)

根據(jù)缺陷回波的動態(tài)A掃描顯示，利用圖像處理技術(shù)，合成被檢對象全局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，結(jié)合缺陷信號的動態(tài)雙包絡(luò)跟蹤技術(shù)，精確定位缺陷的同時，可按不同檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，建立缺陷尺度定量模型，準(zhǔn)確給出包括缺陷長度和深度等尺度參數(shù)。

3 檢測應(yīng)用實例

軋輥自動超聲檢測系統(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)對冷軋工作輥的檢測結(jié)果。該軋輥表面存在兩處長度和深度各不同的表面缺陷，通過利用表面波與爬波的雙動態(tài)包絡(luò)技術(shù)和對缺陷的綜合比對濾波技術(shù)，該系統(tǒng)能夠?qū)θ毕葸M行準(zhǔn)確定位和精確定量。

圖5給出了對于缺陷的人工磁粉復(fù)驗結(jié)果，進一步驗證了軋輥自動超聲檢測系統(tǒng)對各類軋輥缺陷的檢測能力及智能判定能力。

圖4 軋輥自動超聲系統(tǒng)檢測實績Figure 4 The automatic ultrasonic detection system roll achievements

4 結(jié)論

超聲波自動檢測系統(tǒng)是融無損檢測、機械自動化、自動控制、計算機軟硬件等為一體的綜合性智能系統(tǒng)，它不但能對缺陷進行準(zhǔn)確定性和精確定量，還具有檢測重復(fù)率高、檢驗速度快等優(yōu)點，能在惡劣的環(huán)境下代替人工操作。隨著此項技術(shù)和設(shè)備的完善以及成本的進一步降低，超聲波自動檢測技術(shù)將在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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

[1] 胡學(xué)雄，陶軍，黎潤民，董小明.渦流檢測技術(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.中國設(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超聲探傷設(shè)備與探傷工藝.無損檢測，2010，32(3)：214-21.