軋輥自動超聲波檢測系統

羅云東

(上海寶鋼工業檢測公司，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[1]。由于渦流檢測技術無需探頭接觸軋輥，亦無需耦合介質，對單一材質檢測靈敏度高，便于實現高速自動檢測。同時，軋輥為導電材質，形狀規則，表面光潔度高，非常適合用渦流技術來檢測其表面缺陷[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，該系統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確定性和精確定量[3]。

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

1 軋輥自動超聲波檢測系統

1.1 自動超聲檢測原理

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

自動超聲檢測原理見圖1所示，設備自動驅動超聲波探頭接近軋輥表面，向軋輥發射縱波、表面波、爬行波類型的超聲波，當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，根據反射信號的幅度可對缺陷大小做出評估。而根據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。這些信號通過數據采集、信號放大/衰減、濾波處理及A/D轉換等，再經過相應的數據分析和專家系統智能判定，形成軋輥缺陷數據及分布圖。還可對檢測數據實現存儲、報表、查詢、打印等后續管理功能。

1.2 自動檢測系統的組成

軋輥自動超聲檢測系統由機械控制單元、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、驅動機構和電機等，用于實現機械臂的移動、檢測過程的實施和耦合介質的開啟等。

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，用于探傷結果的顯示、保存和打印等數據管理工作。檢測系統的結構見圖2。

圖2 檢測系統結構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 探頭單元結構及聲波傳播方向Figure 3 The probe unit structure and sonic direction

2 自動超聲檢測系統技術特點

(1) 缺陷信號動態雙包絡跟蹤技術

基于工業級PCI模塊化設計，創造性地提出了擁有自主知識產權的缺陷動態雙包絡跟蹤技術，通過建立缺陷自逼近包絡與缺陷形貌包絡的動態雙包絡模型，準確區分缺陷與非缺陷回波信號，確保系統具有低缺陷誤報率和高檢測重復率的突出優勢。

(2) 被檢對象參數綜合比對濾波技術

根據被檢對象綜合參數數據庫，建立被檢對象參數綜合比對濾波模型，有效濾除檢測過程中被檢對象非相關參數對缺陷回波信號提取的影響，同時確保濾波技術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

根據缺陷回波的動態A掃描顯示，利用圖像處理技術，合成被檢對象全局C掃描顯示圖譜，準確展示和定位缺陷。

(4)缺陷的精確定量技術

根據系統表面波和爬波的超聲回波信號，結合缺陷信號的動態雙包絡跟蹤技術，精確定位缺陷的同時，可按不同檢測標準要求，建立缺陷尺度定量模型，準確給出包括缺陷長度和深度等尺度參數。

3 檢測應用實例

軋輥自動超聲檢測系統目前已經在冷軋磨輥間成功試用。

圖4給出了該系統對冷軋工作輥的檢測結果。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包絡技術和對缺陷的綜合比對濾波技術，該系統能夠對缺陷進行準確定位和精確定量。

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

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

4 結論

超聲波自動檢測系統是融無損檢測、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，它不但能對缺陷進行準確定性和精確定量，還具有檢測重復率高、檢驗速度快等優點，能在惡劣的環境下代替人工操作。隨著此項技術和設備的完善以及成本的進一步降低，超聲波自動檢測技術將在許多領域得到廣泛應用。

圖5 人工磁粉復驗結果Figure 5 The artificial magnetic powder to reinspect the results

[1] 胡學雄，陶軍，黎潤民，董小明.渦流檢測技術在寶鋼熱軋軋輥上的應用.軋鋼，2004，21(5)：65-67.

[2] 胡學雄，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備與探傷工藝.無損檢測，2010，32(3)：214-21.