預(yù)防性多濾波技術(shù)在絲材渦流檢測中的應(yīng)用研究

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，它采用多個濾波器同時工作，以此對絲材質(zhì)量進行評價。

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)，即在一個寬的、全面的頻率帶寬內(nèi)設(shè)置了多個中心頻率不同的帶通濾波器(Band-Pass Filter，BPF[10])，如圖1所示。檢測時所有濾波器同時觸發(fā)工作，這可以保證所有類型缺陷信號都能從其中某個或某幾個濾波器中通過，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，其報警閘門需根據(jù)驗收標準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，因幅值小于驗收要求而不會統(tǒng)計或難以檢出。而對于預(yù)防性多濾波渦流檢測，其公差區(qū)(相當于報警閘門)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，當有檢測信號超出該公差區(qū)時，即判定為不合格信號。但渦流檢測是一個動態(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)，檢測時只需采用合格件進行標定，具有2個獨立的裂紋檢測通道，可驅(qū)動2個裂紋檢測探頭，每一個通道多達30個帶通濾波，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 試驗結(jié)果與分析

3.1 周向靈敏度試驗

假設(shè)有2個檢測信號，信號1與信號2幅值的差值X可由式(1)計算：

(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)渦流檢測標準要求的3 dB[11]。

3.2 端頭盲區(qū)試驗

考慮到邊緣效應(yīng)及系統(tǒng)響應(yīng)延時等因素，端頭盲區(qū)是絲材渦流檢測過程中的一個重要對象。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

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，進行了3次重復(fù)性試驗。檢測信號的最大偏離值見表3，第2次試驗結(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的缺陷有報警響應(yīng)，但信號響應(yīng)不明顯。分析有以下幾點原因：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 實際檢測應(yīng)用驗證

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

為進一步驗證檢測結(jié)果的正確性，挑選出1根不合格絲材進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)?？梢婎A(yù)防性多濾波渦流檢測能準確可靠地對絲材的表面及近表面缺陷進行檢測。

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 驗證結(jié)果Fig.7 Validation results

5 結(jié)論

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

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