基于脈沖渦流技術的連鑄坯表面缺陷檢測

歐陽奇 張 敏 趙立明 張立志

重慶大學,重慶,400044

0 引言

實現高溫鑄坯熱送熱裝及直接軋制的支撐技術有：無缺陷連鑄坯的生產技術,包括防止鑄坯表面缺陷和內部缺陷的一系列技術措施以及熱態下鑄坯質量的檢測技術;高溫連鑄坯的生產技術,包括鑄坯液芯復熱、鑄坯保溫、鑄坯補償加熱和快速運轉等技術[1]。生產無缺陷鑄坯是實現熱裝和直接軋制的前提。雖然連鑄技術仍在不斷改進,但由于非穩態生產、連鑄技術的不成熟及各類生產事故,使得連鑄坯特別是連鑄板坯的表面缺陷仍難以避免,因而在熱送和直接軋制過程中必然存在缺陷坯,其中,鑄坯純凈度缺陷占到全部缺陷約95%,由于沒有有效的判定手段,此類缺陷坯有時得不到分揀,基本全部流入下道工序,對熱軋板卷的質量危害也最為嚴重,常常是冷軋廠退廢的主要原因。鑄坯純凈度缺陷是與煉鋼、二次精煉、連鑄、軋鋼和熱處理等工藝過程密切相關的,同時受設備、操作、工藝、管理等因素的影響,因此必須嚴格控制工藝和操作等,才能找到提高產品質量的對策。鑄坯表面缺陷約占到全部缺陷的3%,內部缺陷約1%,形狀缺陷約1%,但每年給企業造成的直接和間接經濟損失在100萬元以上。可見,缺陷坯得到及時分揀,避免企業損失擴大化已經成為鋼鐵企業生產線的迫切需要。法國鋼鐵研究院和索里梅公司首次運用電渦流對連鑄半成品進行探傷檢測[2];德國蒂森公司、法國洛林公司和意大利達涅利公司通過使用多通道和多組探頭技術,對鑄坯表面3mm深的裂紋和各種有害缺陷的檢測進行了試驗研究[3];澳大利亞的羅肯希爾公司于1980年開始研制熱板坯渦流檢測系統[4];北京鋼鐵研究總院的賈慧明等[5]進行了1100℃以上高溫連鑄板坯表面缺陷模擬在線無損檢測的實驗研究。北京科技大學的李希勝等[6]在連鑄熱坯雙頻渦流探傷技術方面取得了一定的研究成果。本文借鑒近年來發展的脈沖渦流(pulse eddy current,PEC)檢測技術,提出連鑄坯表面及近表面缺陷脈沖電渦流無損檢測方法,開展了室溫下鑄坯表面及近表面缺陷檢測的實驗研究,為實現高溫鑄坯在線無損檢測提供了理論基礎和技術支撐。

1 脈沖渦流檢測技術的基本原理

脈沖渦流的激勵電流為一個重復的寬帶脈沖,通常為具有一定占空比的方波,激勵線圈中的脈沖電流感生出一個快速衰減的脈沖磁場,變化的磁場在導體試件中感應出瞬時渦流(脈沖渦流),此脈沖渦流向導體試件內部傳播,又會感應出一個快速衰減的渦流磁場,隨著渦流磁場的衰減,檢測線圈上就會感應出隨時間變化的電壓。當被測試件內部結構發生改變時,勢必對渦流分布產生影響,從而影響到磁場分布,感應出的電壓信號就會在幅值、峰值等特征明顯的地方發生改變。所以,通過測量瞬態感應電壓信號就可以得到有關試件的尺寸、類型和結構參數等信息[7]。脈沖渦流作用原理框圖見圖1。

圖1 脈沖渦流作用原理框圖

在渦流無損檢測中,工作頻率選擇關系到渦流是否能夠穿透到存在缺陷的位置,如果穿透深度不夠,就無法實現對缺陷的檢測。穿透深度與激勵頻率、導體的電導率和磁導率有如下關系[8]：

式中,δ0為標準透入深度,m;f為交流電流的頻率;μ為金屬試件的磁導率,H/m;σ為金屬試件的電導率,S/m。

可知,要想增加脈沖渦流的穿透深度,必須增加脈沖的寬度或減小脈沖的頻率,但這樣會導致缺陷檢測靈敏度降低。

根據法拉第電磁感應定律,檢測線圈上的瞬態感應電壓V f為[9]

式中,Vp為點檢測線圈感應電壓;B為感應磁場強度;‖A‖為感應磁場矢量范數;S為感應線圈的截面積。

如果有缺陷存在,就會使感應磁場強度B發生變化,最終使得檢測線圈上的瞬態感應電壓發生變化。由于脈沖包含很寬的頻譜,并且脈沖渦流比單一頻率正弦渦流衰減得慢,所以瞬態感應電壓信號中就包含重要的有關缺陷的信息。

脈沖渦流檢測系統主要由4個部分組成,即脈沖信號發生器、傳感器(激勵和檢測線圈)、被測試件和數據采集與處理模塊。如圖2所示。

圖2 脈沖渦流系統框圖

2 實驗裝置及測試方案

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖3所示。由脈沖信號發生器得到脈沖信號,其信號形式為一定占空比的矩形波,此脈沖信號激勵渦流傳感器的線圈進行檢測;然后,試件感應產生瞬時渦流信號,此渦流信號產生的次生磁場和原生磁場相互作用,系統使用渦流傳感器拾取該磁場特征,并轉換為電壓信號;而后,通過放大器進行放大處理;最后,由信號采集器采得信號并存于計算機中,便于下一步進行信號處理。

圖3 實驗裝置圖

2.2 實驗測試方案

測試試件采用 Q235鋼板,長×寬×厚為335mm×135mm×8.5mm。為了實現對不同缺陷的檢測實驗,在這塊鋼板上人為加工點缺陷、線缺陷、星型缺陷等缺陷,采用C1～C7表示,如圖4所示。

本實驗中,采用電渦流傳感器進行檢測,傳感器探頭由線圈、圓柱形鐵氧體組成,漆包線直徑為0.01mm,緊密繞在鐵氧體表面,繞制匝數為50匝,鐵氧體直徑為10mm,通過脈沖信號發生器輸出1.0MHz的脈沖信號(占空比為0.5)。具體實驗操作如下：①將傳感器探頭固定于支架上;②調整探頭與試件間距,使之為0.5mm,旋緊緊固螺釘;③連接放大電路、功率函數信號發生器、電渦流傳感器、LeCroy 6030示波器與功率放大器,并接好供電電源;④移動鋼板使探頭位于無缺陷處,記錄感應電壓;⑤移動鋼板,調整鋼板上的缺陷位于探頭正下方,依次記錄各個缺陷的感應電壓;⑥采用USB存儲器導出示波器存儲的實驗數據作數據處理分析。

圖4 試件缺陷示意圖

3 實驗結果分析

3.1 脈沖渦流差分檢測

為了減小提離效應的影響,本文采用差分方法來處理檢測線圈輸出信號。如果將檢測線圈放置在被檢試樣的無缺陷處,所獲得的基本響應信號為參考信號,參考信號減去被檢試樣的響應信號即為差動信號。圖5所示為本實驗所得的脈沖渦流差動瞬時信號響應。

圖5 脈沖渦流差分檢測波形

實驗中將采集得到的數據取脈沖信號第一次達到最大值的數據段,將缺陷信號與參考信號相減,根據脈沖渦流差分檢測原理得到差分信號。由圖5可以看出,差分信號存在很多毛刺,這是因為脈沖渦流響應信號容易受到外界環境的干擾,產生了較大的隨機誤差,通過曲線擬合的方法可以消除隨機誤差,如圖6a所示。采用多項式法擬合(擬合階數為4,擬合系數為0.95)處理后,可得到圖6b所示的平滑曲線。

3.2 鑄坯表面缺陷時域分析

與常規渦流信號不同,脈沖渦流獲得的是瞬態信號,因此其數值分析主要在時域中進行。檢測線圈上感應的時域瞬態信號波形如圖7所示。

圖6 擬合處理前后的差動信號

圖7 時域波形及特征量

圖8 相同深度不同直徑的點缺陷的電壓變化量

對脈沖渦流信號提取3個特征信號：①電壓峰值的高度即電壓峰值;②電壓第一次到達峰值的時間即峰值時間;③電壓穿過零點的時間即過零時間。脈沖渦流通常提取該信號的峰值和過零時間為特征量對缺陷進行定量檢測。其中,峰值是指脈沖渦流時域瞬態波形的最大值,過零時間是指從脈沖的上升沿激勵開始到脈沖渦流感應信號過零點的時間間隔。

圖8所示為相同深度不同直徑的表面裂紋(點缺陷)的電壓變化波形,表1所示是對圖8所示脈沖渦流信號提取的特征值,從圖8和表1中可以看出,對于相同深度的表面裂紋,其電壓變化量波形最大值出現的時間相同,峰值、過零時間隨著裂紋直徑的增大而變大。

表1 相同深度不同直徑的點缺陷的特征值

圖9所示為相同直徑不同孔深的表面裂紋(點缺陷)的電壓變化波形,表2所示是圖9所示脈沖渦流信號提取的特征值,從圖9和表2中可以看出,對于直徑相同的表面裂紋,隨裂紋深度的增加,峰值變小,峰值時間值隨裂紋深度的增加而增加。

圖9 相同直徑不同深度的點缺陷的電壓變化量

表2 相同直徑不同深度的點缺陷的檢測信號特征值

圖10所示為不同深度和寬度條件下線缺陷的電壓變化量,表3所示為圖10所示脈沖渦流信號提取的特征值。從圖10和表3中可以看出,過零時間變化值隨缺陷體積(長×寬×深)的增大而增大,其電壓變化量波形最大值出現的時間相同,都出現在188ns;電壓峰值隨缺陷體積的增大而增大。

表3 線缺陷的特征值

圖11所示為不同體積的星狀裂紋的檢測波形,表4所示為不同體積的表面星狀裂紋所對應的特征值。從圖11和表4中可以看出,脈沖渦流瞬態感應信號的峰值與缺陷的體積有密切的關系,缺陷體積越大,峰值越大;脈沖渦流瞬態感應信號的過零時間隨缺陷體積的增加而變大;脈沖渦流瞬態感應信號的峰值時間與缺陷的體積無關。

圖10 線缺陷的電壓變化量

圖11 星狀缺陷的電壓變化量

表4 星狀缺陷的特征值

4 結論

(1)實驗研究表明,采用脈沖渦流技術實現連鑄坯表面及近表面缺陷的在線檢測是可行的。脈沖渦流檢測線圈輸出的瞬態感應信號的峰值、過零時間與缺陷的體積密切相關。

(2)在點缺陷深度一定的情況下,隨著點缺陷直徑增大,峰值、過零時間增加,而峰值時間不變。

(3)對于直徑相同的點缺陷,隨著裂紋深度的增加,峰值變小,峰值時間隨裂紋深度的增加而增加。

(4)缺陷體積越大,峰值越大,過零時間值越大。

本研究為采用脈沖電渦流檢測技術檢測高溫鑄坯表面及近表面缺陷提供了理論基礎和技術支撐,但仍需繼續開展脈沖渦流信號提取,特別是高溫脈沖電渦流傳感器開發的研究。

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