基于交流通電的鋼球微細(xì)裂紋電磁檢測(cè)方法

劉伯承，唐健，王榮彪，康宜華，余平

(1.華中科技大學(xué),武漢 430074;2.數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；3.精進(jìn)電動(dòng)科技(正定)有限公司，河北 正定 050800)

隨著工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)得到長(zhǎng)足發(fā)展，軸承行業(yè)發(fā)展迅猛，同時(shí)也對(duì)工業(yè)生產(chǎn)提出高速、高精的發(fā)展要求。鋼球作為軸承的重要零件，其質(zhì)量對(duì)軸承的精度、傳動(dòng)性能和使用壽命有著重要影響[1]。在高速重載工況下工作時(shí)，鋼球表面缺陷會(huì)影響其工作精度、使用壽命等[2]，并造成裂紋的逐步擴(kuò)大，導(dǎo)致軸承失效，造成重大安全事故。因此，鋼球在出廠前必須進(jìn)行裂紋檢測(cè)。

目前，國(guó)內(nèi)鋼球檢測(cè)大多采用人工目視檢測(cè)方法，檢測(cè)效率低且容易產(chǎn)生漏檢和誤報(bào)，長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)光下工作對(duì)工人眼睛傷害也較大[3]；渦流檢測(cè)法對(duì)鋼球表面麻點(diǎn)等缺陷不敏感，且設(shè)備昂貴，維護(hù)成本高；光電檢測(cè)法采用單點(diǎn)檢測(cè)，效率較低；機(jī)器視覺(jué)法對(duì)圖像采集的精度要求高，且只能檢測(cè)到表面裂紋和麻點(diǎn)，無(wú)法檢測(cè)次表面缺陷；超聲檢測(cè)法需要使用耦合劑且對(duì)試件形狀有一定要求，鋼球表面為曲面，利用超聲檢測(cè)時(shí)存在波形信號(hào)接收誤判的問(wèn)題[4-8]。

針對(duì)以上鋼球缺陷檢測(cè)方法的諸多問(wèn)題，提出了一種基于交流通電測(cè)磁的鋼球表層微細(xì)裂紋檢測(cè)方法，采用交流通電方式提高表面缺陷檢測(cè)的靈敏度，選用高靈敏度隧道磁敏電阻(TMR)傳感器進(jìn)行不同方向缺陷的同時(shí)檢測(cè)，通過(guò)機(jī)械手配合鋼球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)確保全覆蓋檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)鋼球表面的自動(dòng)化無(wú)損檢測(cè)。

1 鋼球交流通電的電磁檢測(cè)原理

1.1 鋼球缺陷特點(diǎn)

對(duì)于大型鋼球，其成形大多要經(jīng)過(guò)冷鐓、熱鐓、鍛造等工序。由于原材料存在缺陷或者加工過(guò)程中操作不當(dāng)?shù)仍?，鋼球表面或者近表面?huì)產(chǎn)生線狀裂紋，主要以表面裂紋、折疊裂紋的形式存在。

1.2 鋼球通電測(cè)磁檢測(cè)機(jī)理

鋼球表面為球面，裂紋不存在方向性。檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)通電電流確定時(shí)，裂紋相對(duì)于電流存在方向性。

1.2.1 交流通電漏磁檢測(cè)原理

根據(jù)安培定律，對(duì)導(dǎo)電導(dǎo)磁材料通電時(shí)電流周?chē)鷷?huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行磁化。當(dāng)工件表面存在裂紋時(shí)，裂紋周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，通過(guò)TMR傳感器檢測(cè)漏磁場(chǎng)進(jìn)而判斷缺陷存在。交流通電漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。穩(wěn)恒電流源產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以通過(guò)安培環(huán)路定理描述，即

圖1 交流通電漏磁檢測(cè)原理圖Fig.1 Diagram of AC energization leakage magnetic detection

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；dl為沿環(huán)路的線積分；μ0為真空磁導(dǎo)率；I為環(huán)路總電流。

電流密度會(huì)影響產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，且電流方向與磁場(chǎng)方向滿足右手螺旋定則[9]。

1.2.2 交流通電磁場(chǎng)擾動(dòng)檢測(cè)原理

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，對(duì)導(dǎo)電材料通電，形狀規(guī)則導(dǎo)體表面空氣中的磁場(chǎng)分布是連續(xù)、均勻的。當(dāng)導(dǎo)體表面或內(nèi)部有缺陷，電流在流經(jīng)缺陷處時(shí)流向會(huì)發(fā)生擾動(dòng)、電流密度改變(圖2)，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)體外部磁場(chǎng)的變化，用TMR傳感器可檢測(cè)到因電流擾動(dòng)導(dǎo)致的磁場(chǎng)變化[10]。

圖2 交流通電擾動(dòng)檢測(cè)原理圖Fig.2 Diagram of AC energization and disturbance detection

1.2.3 缺陷方向性分析

實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，鋼球缺陷相對(duì)于通電電流可能沿任意方向，需要考慮不同方向下缺陷的檢出能力。當(dāng)缺陷與電流方向平行時(shí)(圖1)，漏磁場(chǎng)達(dá)到最大，擾動(dòng)磁場(chǎng)可忽略；當(dāng)缺陷與電流方向垂直時(shí)(圖2)，擾動(dòng)磁場(chǎng)達(dá)到最大，漏磁場(chǎng)可忽略；當(dāng)缺陷與電流方向呈一定夾角時(shí)，缺陷磁場(chǎng)信號(hào)由漏磁場(chǎng)與擾動(dòng)磁場(chǎng)共同作用。

工件通交變電流時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，電流在工件橫截面上的分布不均勻，鋼球表面的電流密度大于中心的密度，磁場(chǎng)明顯地聚集在表層，且交變電流的頻率越高，趨膚效應(yīng)越明顯[11]。因此，為提高鋼球表面及近表面缺陷的檢測(cè)靈敏度，適應(yīng)不同方向的裂紋檢測(cè)，提出了基于交流通電測(cè)磁的鋼球表層微細(xì)裂紋檢測(cè)方法。

2 鋼球微細(xì)裂紋檢測(cè)方法

2.1 裂紋檢測(cè)可行性分析

為分析鋼球表面缺陷的磁場(chǎng)分布，使用COMSOL軟件進(jìn)行有限元頻域仿真，模型選擇直徑50 mm的GCr15鋼球，鋼球上刻有2個(gè)深度為h(取50，75，100 μm)，寬度為100 μm，長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)圓心角為45°的刻槽，刻槽1方向平行于電流方向，刻槽2方向垂直于電流方向。

鋼球兩端通10 A，2 kHz的交流電，在距離鋼球表面0.1 mm的面上設(shè)置如圖3所示的掃描路徑。沿掃描路徑切線方向提取磁場(chǎng)信號(hào)，得到的切向磁感應(yīng)強(qiáng)度Bt如圖4所示，由圖可知：在光滑表面，磁場(chǎng)分布均勻；經(jīng)過(guò)刻槽1時(shí)，感應(yīng)磁場(chǎng)開(kāi)始變化并產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，波形出現(xiàn)一個(gè)單峰，磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度在刻槽正上方達(dá)到最大，且刻槽越深，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大；經(jīng)過(guò)刻槽2時(shí)，電流擾動(dòng)導(dǎo)致磁場(chǎng)變化，波形在刻槽2兩端出現(xiàn)2個(gè)波峰，在刻槽2中間形成1個(gè)波谷，刻槽越深，磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。

圖3 檢測(cè)鋼球示意圖Fig.3 Detection diagram of steel balls

圖4 經(jīng)過(guò)刻槽的切向磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.4 Distribution of tangential magnetic induction intensity after notch

10 A，2 kHz電流源下的背景磁場(chǎng)幅度大約為80 μT，缺陷處磁感應(yīng)強(qiáng)度峰峰值最大為30 μT，且磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著傳感器提離值的增大迅速衰減[12]，常規(guī)的感應(yīng)線圈、霍爾元件均不適用。而TMR傳感器的分辨率可達(dá)0.01 μT，相較于霍爾傳感器、各向異性磁電阻(AMR)傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器,TMR傳感器具有更寬的線性范圍以及良好的溫度穩(wěn)定性[13]，可滿足鋼球缺陷微弱磁場(chǎng)的檢測(cè)需求。

2.2 差分陣列探頭設(shè)計(jì)

為適應(yīng)鋼球的曲面，選用3 mm×3 mm的TMR4005傳感器，采用8個(gè)非屏蔽高靈敏度隧道磁電阻傳感元件組成雙路推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)(圖5)。當(dāng)電阻元件R2,R4隨磁場(chǎng)增大而增大時(shí)，R1,R3隨磁場(chǎng)增大而減小，惠斯通電橋?qū)ν饧哟艌?chǎng)沿傳感器敏感方向的梯度值提供差分電壓輸出，增大了輸出電壓信號(hào)。TMR4005傳感器內(nèi)部為雙路電橋連接，可輸出2個(gè)檢測(cè)通道，為降低噪聲干擾、提高信噪比，消除背景磁場(chǎng)，2個(gè)相鄰的通道差分輸出1個(gè)檢測(cè)通道。由于單點(diǎn)TMR傳感器的覆蓋范圍很小，設(shè)計(jì)了弧形條陣列探頭(圖6)，沿弧線方向布置5個(gè)傳感器，覆蓋寬度15 mm，輸出5個(gè)檢測(cè)通道[14-15]。

圖5 推挽式惠斯通全橋結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Diagram of push-pull Wheatstone full bridge structure

圖6 差分陣列探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of differential array probe

3 激勵(lì)電流的參數(shù)優(yōu)化

3.1 交流電頻率對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

通過(guò)仿真研究激勵(lì)頻率對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量的影響。選取寬度b、深度h均為100 μm，長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)圓心角θ為45°的刻槽模型。在鋼球兩端通10 A及不同頻率(0.1，0.5，2，5 kHz)的交流電，記錄不同頻率下磁感應(yīng)強(qiáng)度Bt的變化，結(jié)果如圖7所示。對(duì)于刻槽1，磁化后在裂紋處產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，隨著頻率增大，交變電流在鋼球內(nèi)部感生出渦流，感生渦流感應(yīng)出的磁場(chǎng)反作用于激勵(lì)電流感應(yīng)出的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減小，因此交流電頻率不宜過(guò)高；對(duì)于刻槽2，磁感應(yīng)強(qiáng)度主要為電流流經(jīng)裂紋時(shí)發(fā)生的擾動(dòng)導(dǎo)致的外部磁場(chǎng)變化，隨著交流電頻率增加，趨膚效應(yīng)導(dǎo)致電流集中在鋼球表面，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸增大。綜合考慮2種方向的檢測(cè)效果，選取交流電頻率為2 kHz。

圖7 磁感應(yīng)強(qiáng)度Bt與交流電頻率的關(guān)系Fig.7 Relationship between Bt and AC frequency

3.2 電流強(qiáng)度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響

鋼球兩端分別通2 kHz及不同強(qiáng)度(2，4，6，8，10 A)的交流電，記錄不同強(qiáng)度下磁感應(yīng)強(qiáng)度Bt的變化，結(jié)果如圖8所示。隨著激勵(lì)電流強(qiáng)度的增加，磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之增大，且在一定條件下隨激勵(lì)電流呈線性關(guān)系增大。

圖8 磁感應(yīng)強(qiáng)度Bt與電流強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between Bt and AC intensity

然而，激勵(lì)電流過(guò)大容易燒傷鋼球，產(chǎn)生焦耳熱從而影響檢測(cè)信號(hào)，綜合考慮，選擇10 A的交流激勵(lì)電流。

4 鋼球交流通電測(cè)磁檢測(cè)系統(tǒng)

4.1 鋼球表面展開(kāi)機(jī)構(gòu)

鋼球表面展開(kāi)是鋼球檢測(cè)的基礎(chǔ)，確保檢測(cè)探頭能夠?qū)︿撉虮砻孢M(jìn)行全檢測(cè)，不存在檢測(cè)盲區(qū)，還要求降低重復(fù)檢測(cè)率，提高檢測(cè)效率。同時(shí)，為保證檢測(cè)時(shí)探頭提離值近零且保持恒定，實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，對(duì)掃查機(jī)構(gòu)的要求很高。

作為表面復(fù)雜的工件，鋼球的表面展開(kāi)方式主要有螺旋線展開(kāi)與子午線展開(kāi)[16]，本文采用鋼球表面螺旋線展開(kāi)方式進(jìn)行掃查。鋼球繞固定軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，探頭通過(guò)機(jī)械手固定，繞鋼球表面做半圓掃查，與鋼球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)螺旋掃查。利用機(jī)械手多自由度的特點(diǎn)，保證探頭與鋼球之間具有恒定微小的提離值，并且解決探頭姿態(tài)的調(diào)整問(wèn)題。

當(dāng)鋼球繞x軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成寬度為D的環(huán)形面(圖9a)，其中D為檢測(cè)探頭的覆蓋寬度。當(dāng)探頭繞鋼球旋轉(zhuǎn)一定角度，再繞x軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，形成另一條寬度為D的環(huán)形面(圖9b)。因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與掃查運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)時(shí)，可得到如圖9c所示的掃查軌跡，覆蓋整個(gè)鋼球表面。

圖9 鋼球展開(kāi)示意圖Fig.9 Diagram of steel ball deployment

綜上所示，采用鋼球表面螺旋全展開(kāi)方法，展開(kāi)軌跡線對(duì)應(yīng)檢測(cè)時(shí)的掃描軌跡線，利用直流電動(dòng)機(jī)完成鋼球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手實(shí)現(xiàn)探頭的半圓掃查以及位姿調(diào)整。由于鋼球在展開(kāi)過(guò)程中夾緊的夾持面屬于檢測(cè)盲區(qū)，1個(gè)螺旋展開(kāi)裝置無(wú)法將鋼球表面全部展開(kāi)，因此采用2個(gè)展開(kāi)裝置進(jìn)行正交檢測(cè)，完成對(duì)鋼球表面的全部展開(kāi)。

4.2 檢測(cè)系統(tǒng)

鋼球微細(xì)裂紋交流通電測(cè)磁檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)如圖10所示，主要由機(jī)架、上料機(jī)構(gòu)、下料機(jī)構(gòu)、橫移氣缸、鋼球旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、檢測(cè)探頭等組成，實(shí)現(xiàn)上料、檢測(cè)、分選、下料的自動(dòng)化。

1—機(jī)架；2—橫移氣缸A；3—夾持機(jī)構(gòu)A；4—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)A；5—上料工位；6—機(jī)械手；7—下料工位；8—旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)B；9—夾持機(jī)構(gòu)B；10—翻轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)；11—橫移氣缸B；12—下料機(jī)構(gòu)；13—上料機(jī)構(gòu)圖10 鋼球微細(xì)裂紋交流通電測(cè)磁檢測(cè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.10 Diagram of motion system for AC energization and magnetic measurement of microcracks on steel balls

4.3 檢測(cè)流程

由PLC進(jìn)行檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制，單個(gè)鋼球的檢測(cè)流程如圖11所示：上料機(jī)構(gòu)將鋼球運(yùn)送至上料工位處，夾持機(jī)構(gòu)A夾緊，機(jī)械手校準(zhǔn)完成后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)A帶動(dòng)鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)，配合機(jī)械手運(yùn)動(dòng)開(kāi)始檢測(cè)；上半程檢測(cè)結(jié)束，橫移氣缸A伸出，夾持機(jī)構(gòu)B夾緊鋼球，機(jī)械手再次校準(zhǔn)完成后旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)B帶動(dòng)鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)，配合機(jī)械手運(yùn)動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行檢測(cè)；下半程檢測(cè)結(jié)束，通過(guò)計(jì)算機(jī)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)鋼球進(jìn)行自動(dòng)分選，若鋼球不存在缺陷，橫移氣缸B將鋼球退回至下料工位1處，若鋼球存在缺陷，橫移氣缸B將鋼球退回至下料工位2處，下料機(jī)構(gòu)取走鋼球，檢測(cè)結(jié)束。

圖11 鋼球檢測(cè)流程圖Fig.11 Flow diagram of steel ball detection

4.4 試驗(yàn)測(cè)試

選取直徑50 mm的GCr15鋼球進(jìn)行試驗(yàn)，在鋼球表面刻上不同深度的槽(表1)，刻槽長(zhǎng)度為10 mm，寬度為0.1 mm，夾角為電流方向與刻槽長(zhǎng)度方向之間的夾角。

表1 鋼球表面人工刻槽參數(shù)Tab.1 Parameters of artificial notch on steel ball surface

試驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示，試驗(yàn)前先利用退磁器對(duì)鋼球進(jìn)行退磁處理，使鋼球剩磁不高于100 μT。信號(hào)發(fā)生器連接夾持電極，輸出大小10 A、頻率2 kHz的正弦信號(hào)，檢測(cè)傳感器采用TMR4005，沿圖3掃描路徑進(jìn)行掃查，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)交流放大板放大、濾波處理后通過(guò)示波器采集，結(jié)果如13所示。

圖12 交流通電測(cè)磁試驗(yàn)平臺(tái)Fig.12 Experimental platform for AC energization and magnetic measurement

無(wú)缺陷處的噪聲主要來(lái)自檢測(cè)過(guò)程中的振動(dòng)以及電磁干擾等，TMR4005對(duì)磁場(chǎng)的梯度值提供差分電壓輸出。由圖13可知：當(dāng)缺陷與電流方向夾角為0°時(shí)，無(wú)缺陷處梯度變化為零，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大電路后輸出為零，過(guò)缺陷時(shí)漏磁信號(hào)先增大后減小，出現(xiàn)一個(gè)波峰，輸出電壓亦出現(xiàn)一個(gè)波峰；當(dāng)缺陷與電流方向夾角為45°時(shí)，無(wú)缺陷處梯度變化為零，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大電路后輸出為零，過(guò)缺陷時(shí)漏磁信號(hào)先增大后減小，出現(xiàn)一個(gè)波峰，輸出電壓亦出現(xiàn)一個(gè)波峰，信號(hào)相較于0°，90°方向略有減?。划?dāng)缺陷與電流方向夾角為90°時(shí)，無(wú)缺陷處梯度變化為零，電壓信號(hào)輸出為零，過(guò)缺陷時(shí)漏磁信號(hào)先減小并在缺陷中保持恒定，離開(kāi)缺陷時(shí)信號(hào)增大，輸出電壓出現(xiàn)一個(gè)正向波峰，缺陷中間電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大電路后輸出為零，離開(kāi)缺陷時(shí)輸出電壓出現(xiàn)一個(gè)反向峰?？傮w來(lái)看，刻槽深度越小，檢測(cè)信號(hào)越弱，與理論分析結(jié)果一致。

圖13 鋼球表面不同刻槽處的檢測(cè)信號(hào)Fig.13 Detection signal of different notches on steel ball surface

5 結(jié)論

1)提出了一種基于交流通電測(cè)磁的鋼球表層微細(xì)裂紋檢測(cè)方法，通過(guò)COMSOL仿真分析了鋼球表面不同方向缺陷的磁場(chǎng)特性，得到交變電流源激勵(lì)下的磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度，驗(yàn)證了采用TMR傳感器測(cè)量的可行性，并設(shè)計(jì)了弧形差分陣列探頭。

2)對(duì)激勵(lì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析了通電電流頻率和強(qiáng)度對(duì)缺陷處磁場(chǎng)的影響，選取10 A，2 kHz作為合適的電流激勵(lì)參數(shù)。

3)基于通電磁化以及電流擾動(dòng)原理，傳感器對(duì)于平行、垂直于電流方向以及呈一定夾角的缺陷均可一次性檢出。

4)設(shè)計(jì)了一種基于交流通電測(cè)磁的鋼球表層微細(xì)裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，利用夾持的電極通電，通過(guò)機(jī)械手半圓掃查與鋼球的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一次掃查鋼球的全表面，通過(guò)人工刻樣試驗(yàn)驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)的可行性，能夠滿足鋼球檢測(cè)需求。