在鋼棒的生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生裂紋、夾雜和分層等缺陷而影響鋼棒質(zhì)量，其中，鋼棒的表面縱向裂紋約占所有缺陷的70％。針對(duì)鋼棒的實(shí)際缺陷類型，一般采用復(fù)合檢測的方法對(duì)其質(zhì)量狀況進(jìn)行綜合評(píng)定，如超聲法主要檢測鋼棒的內(nèi)部縱向裂紋、漏磁法主要檢測鋼棒的表面軸向裂紋。
鋼棒軸向裂紋將嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)過程中有效檢出鋼棒中的軸向裂紋特別是微裂紋尤為必要。對(duì)于表面精拔加工的軸承生產(chǎn)用鋼棒，采用交流漏磁檢測能夠有效探測微小裂紋。針對(duì)鋼棒表面軸向裂紋，直流磁化漏磁檢測一般難以適用。
這里，介紹一種基于鋼棒螺旋運(yùn)動(dòng)、探頭固定的鋼棒縱向裂紋自動(dòng)檢測方法與裝置。采用C形局部交流磁化器對(duì)鋼棒進(jìn)行勵(lì)磁，并采用相應(yīng)的陣列傳感器來拾取裂紋漏磁信號(hào)，最后通過計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)實(shí)施定量化檢測與評(píng)估，獲得穩(wěn)定的檢測靈敏度，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
一、檢測原理
漏磁檢測方法分為直流漏磁和交流漏磁，圖7-26所示為鋼管和鋼棒周向直流磁化時(shí)磁場分布對(duì)比。由圖可知，鋼管易被磁化至飽和狀態(tài)，缺陷漏磁場比較大；而鋼棒磁化時(shí)，由于為實(shí)心，磁力線沒有環(huán)繞至鋼棒表面，而直接穿過鋼棒中心，表面縱向裂紋幾乎沒有漏磁場泄漏，為此，類似鋼管軸向裂紋的直流漏磁方法難以在鋼棒上實(shí)施。由于趨膚效應(yīng)，交流磁場集中于工件表面，對(duì)表面軸向裂紋的檢測將更為敏感，所以，鋼棒軸向裂紋的檢測宜采用交流漏磁檢測方法。
常用的交流漏磁磁化器有穿過式線圈磁化器和局部磁軛式磁化器，用于縱向裂紋檢測的僅能采用后者。圖7-27所示為采用局部磁軛式磁化器的鋼棒交流漏磁檢測原理圖。磁化器由C形高導(dǎo)磁材料和勵(lì)磁線圈組成，其中勵(lì)磁線圈環(huán)繞制在C形高導(dǎo)磁材料上，勵(lì)磁線圈中施加一定頻率的交流電流。檢測元件與磁化器一起與鋼棒形成相對(duì)螺旋運(yùn)動(dòng)，當(dāng)檢測元件掃查至裂紋區(qū)域時(shí)可獲得裂紋信號(hào)。
二、整體方案
鋼棒交流漏磁檢測系統(tǒng)方案如圖7-28所示。檢測單元由交流漏磁磁化器和陣列傳感器組成；信號(hào)處理過程中，檢測中缺陷處的交流漏磁場與交流激勵(lì)場相疊加，為調(diào)制信號(hào)，因此需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，濾除原交流勵(lì)磁信號(hào)，保留裂紋信號(hào)，然后再進(jìn)行放大濾波處理。
為實(shí)現(xiàn)鋼棒縱向裂紋的全覆蓋自動(dòng)化檢測，檢測探頭需要在鋼棒表面形成螺旋線掃查路徑。目前，主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：①檢測單元靜止，鋼棒做螺旋推進(jìn)運(yùn)動(dòng)；②檢測單元旋轉(zhuǎn)，鋼棒做直線運(yùn)動(dòng)。第二種多出現(xiàn)在進(jìn)口的檢測設(shè)備中，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括周向磁化器、檢測探靴、集電環(huán)、初步調(diào)理電路等，結(jié)構(gòu)龐大、價(jià)格昂貴。相比之下，采用第一種運(yùn)動(dòng)方式可避免主機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到大大簡化，檢測成本低。這里采用基于鋼棒螺旋推進(jìn)的運(yùn)動(dòng)方式。
三、檢測探頭
軸向裂紋檢測應(yīng)具備兩大要素：一是外加磁場方向應(yīng)最大限度地與軸向裂紋垂直，以激勵(lì)出最大強(qiáng)度的漏磁場；二是磁場測量單元應(yīng)該具有足夠的靈敏度。
1. 交流漏磁磁化器
鋼棒直徑越小，軸向裂紋的檢測穩(wěn)定性越難以保證。圖7-29所示為C形磁化器檢測狀態(tài)圖。
該方案有如下優(yōu)點(diǎn)：
a. 經(jīng)過鋼棒的有效主磁通更大，并且能保證磁場方向同軸向裂紋正交，裂紋漏磁場更大。
磁化器所產(chǎn)生的磁通路徑有兩條：一是經(jīng)過鋼棒的主磁通，二是不經(jīng)過鋼棒的漏磁Φ通，即在磁化器兩極之間傳遞的磁通。故在磁路內(nèi)的總磁通為
Φo=Φs+Φ, (7-1)
常規(guī)交流漏磁檢測一般使用U型磁軛，磁極平面一般與鋼棒表面相切。本方案的C形磁極用弧面與鋼棒表面貼合，氣隙漏磁通量少，有效增大進(jìn)入鋼棒的主磁通量。
b. 對(duì)于小規(guī)格鋼棒，磁極與鋼棒表面貼合不好，會(huì)使傳感器檢測區(qū)域偏離磁化中心區(qū)，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾。在自動(dòng)化檢測中，這種動(dòng)態(tài)偏離將引起較大的干擾，降低檢測信噪比和靈敏度。C形磁化器及其磁極實(shí)現(xiàn)了較好的對(duì)中，檢測信號(hào)穩(wěn)定，振動(dòng)干擾小。
在檢測不同直徑的鋼棒時(shí)，鋼棒中心高會(huì)發(fā)生變化，浮動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)可良好地實(shí)現(xiàn)探頭跟蹤，減少干擾噪聲。利用滑軌滑塊機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)檢測探頭裝置的整體上下移動(dòng)，以適應(yīng)鋼棒的中心高變化。氣缸可使檢測單元在鋼棒螺旋前進(jìn)過程中緊密貼合鋼棒，避免提離值的變化對(duì)檢測信號(hào)的影響，如圖7-30所示。
2. 陣列傳感器
為提高檢測速度并滿足全覆蓋一致性檢測，傳感器設(shè)計(jì)成陣列式，以增加探頭軸向覆蓋范圍，防止缺陷漏檢。鋼棒螺旋前進(jìn)的螺距一般稍小于探頭軸向覆蓋范圍，鋼棒運(yùn)行螺距越大，系統(tǒng)檢測速度越高。
由于檢測過程中會(huì)出現(xiàn)多種機(jī)械電氣干擾而形成背景噪聲，將傳感器單元設(shè)計(jì)為差分式結(jié)構(gòu)來消除部分干擾信號(hào)。如圖7-31所示，檢測單元由扁平線圈及聚磁鐵心組成，虛線框?yàn)橐粋€(gè)差分單元。探頭耐磨層采用陶瓷片，實(shí)踐證明具有很好的耐磨效果，在具體應(yīng)用過程中只需定期更換陶瓷片，即可延長探頭的使用壽命。
四、現(xiàn)場應(yīng)用
鋼棒軸向裂紋自動(dòng)檢測裝置如圖7-32所示，系統(tǒng)由信號(hào)勵(lì)磁源、計(jì)算機(jī)、采集卡、信號(hào)處理電路、輔機(jī)裝置和檢測單元等組成。圖中所示裝置僅用了1個(gè)檢測單元，其軸向覆蓋范圍為50mm，調(diào)節(jié)輥道的擺角，使ф24mm鋼棒行駛螺距小于50mm。當(dāng)檢測單元增加到8個(gè)時(shí)，檢測螺距達(dá)到500mm，檢測直線速度可提升到60m／min。
待檢鋼棒如圖7-33所示，表面共有四個(gè)軸向裂紋，長均為40mm，寬均為0.2mm，裂紋深依次為0.30mm、0.15mm、0.25mm和0.30mm。
對(duì)鋼棒表面進(jìn)行自動(dòng)化檢測，所得信號(hào)如圖7-34所示。由檢測信號(hào)可知，該裝置對(duì)表面不同深度的軸向裂紋有穩(wěn)定可靠的檢測能力，且信噪比較好。
交流漏磁法對(duì)鋼棒表面軸向裂紋具有較高的檢測靈敏度。局部磁軛磁化器易與陣列傳感器實(shí)現(xiàn)一體化，采用C形局部磁化器和陣列傳感器設(shè)計(jì)，使得檢測結(jié)構(gòu)更簡單、小型化，有利于自動(dòng)化檢測的實(shí)施。該系統(tǒng)裂紋檢測深度最淺可達(dá)0.15mm，檢測速度可達(dá)60m／min，滿足鋼棒自動(dòng)化檢測需求。
