基于交流通電的鋼球微細裂紋電磁檢測方法

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)國家重點實驗室，武漢 430074；3.精進電動科技(正定)有限公司，河北 正定 050800)

隨著工業(yè)現(xiàn)代化進程的不斷深入，我國基礎(chǔ)建設(shè)得到長足發(fā)展，軸承行業(yè)發(fā)展迅猛，同時也對工業(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)量對軸承的精度、傳動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，鋼球表面缺陷會影響其工作精度、使用壽命等[2]，并造成裂紋的逐步擴大，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行裂紋檢測。

目前，國內(nèi)鋼球檢測大多采用人工目視檢測方法，檢測效率低且容易產(chǎn)生漏檢和誤報，長時間在強光下工作對工人眼睛傷害也較大[3]；渦流檢測法對鋼球表面麻點等缺陷不敏感，且設(shè)備昂貴，維護成本高；光電檢測法采用單點檢測，效率較低；機器視覺法對圖像采集的精度要求高，且只能檢測到表面裂紋和麻點，無法檢測次表面缺陷；超聲檢測法需要使用耦合劑且對試件形狀有一定要求，鋼球表面為曲面，利用超聲檢測時存在波形信號接收誤判的問題[4-8]。

針對以上鋼球缺陷檢測方法的諸多問題，提出了一種基于交流通電測磁的鋼球表層微細裂紋檢測方法，采用交流通電方式提高表面缺陷檢測的靈敏度，選用高靈敏度隧道磁敏電阻(TMR)傳感器進行不同方向缺陷的同時檢測，通過機械手配合鋼球的旋轉(zhuǎn)運動確保全覆蓋檢測，從而實現(xiàn)鋼球表面的自動化無損檢測。

1 鋼球交流通電的電磁檢測原理

1.1 鋼球缺陷特點

對于大型鋼球，其成形大多要經(jīng)過冷鐓、熱鐓、鍛造等工序。由于原材料存在缺陷或者加工過程中操作不當(dāng)?shù)仍颍撉虮砻婊蛘呓砻鏁a(chǎn)生線狀裂紋，主要以表面裂紋、折疊裂紋的形式存在。

1.2 鋼球通電測磁檢測機理

鋼球表面為球面，裂紋不存在方向性。檢測過程中，當(dāng)通電電流確定時，裂紋相對于電流存在方向性。

1.2.1 交流通電漏磁檢測原理

根據(jù)安培定律，對導(dǎo)電導(dǎo)磁材料通電時電流周圍會感應(yīng)出磁場，感應(yīng)磁場對工件進行磁化。當(dāng)工件表面存在裂紋時，裂紋周圍會產(chǎn)生漏磁場，通過TMR傳感器檢測漏磁場進而判斷缺陷存在。交流通電漏磁檢測原理如圖1所示。穩(wěn)恒電流源產(chǎn)生的磁場可以通過安培環(huán)路定理描述，即

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

式中：B為磁感應(yīng)強度；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。

電流密度會影響產(chǎn)生磁場的磁場強度，且電流方向與磁場方向滿足右手螺旋定則[9]。

1.2.2 交流通電磁場擾動檢測原理

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

圖2 交流通電擾動檢測原理圖Fig.2 Diagram of AC energization and disturbance detection

1.2.3 缺陷方向性分析

實際檢測過程中，鋼球缺陷相對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(圖1)，漏磁場達到最大，擾動磁場可忽略；當(dāng)缺陷與電流方向垂直時(圖2)，擾動磁場達到最大，漏磁場可忽略；當(dāng)缺陷與電流方向呈一定夾角時，缺陷磁場信號由漏磁場與擾動磁場共同作用。

工件通交變電流時，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靈敏度，適應(yīng)不同方向的裂紋檢測，提出了基于交流通電測磁的鋼球表層微細裂紋檢測方法。

2 鋼球微細裂紋檢測方法

2.1 裂紋檢測可行性分析

為分析鋼球表面缺陷的磁場分布，使用COMSOL軟件進行有限元頻域仿真，模型選擇直徑50 mm的GCr15鋼球，鋼球上刻有2個深度為h(取50，75，100 μm)，寬度為100 μm，長度對應(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信號，得到的切向磁感應(yīng)強度Bt如圖4所示，由圖可知：在光滑表面，磁場分布均勻；經(jīng)過刻槽1時，感應(yīng)磁場開始變化并產(chǎn)生漏磁場，波形出現(xiàn)一個單峰，磁場磁感應(yīng)強度在刻槽正上方達到最大，且刻槽越深，磁感應(yīng)強度越大；經(jīng)過刻槽2時，電流擾動導(dǎo)致磁場變化，波形在刻槽2兩端出現(xiàn)2個波峰，在刻槽2中間形成1個波谷，刻槽越深，磁感應(yīng)強度越大。

圖3 檢測鋼球示意圖Fig.3 Detection diagram of steel balls

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

10 A，2 kHz電流源下的背景磁場幅度大約為80 μT，缺陷處磁感應(yīng)強度峰峰值最大為30 μT，且磁感應(yīng)強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的檢測需求。

2.2 差分陣列探頭設(shè)計

為適應(yīng)鋼球的曲面，選用3 mm×3 mm的TMR4005傳感器，采用8個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隨磁場增大而增大時，R1,R3隨磁場增大而減小，惠斯通電橋?qū)ν饧哟艌鲅貍鞲衅髅舾蟹较虻奶荻戎堤峁┎罘蛛妷狠敵觯龃罅溯敵鲭妷盒盘枴MR4005傳感器內(nèi)部為雙路電橋連接，可輸出2個檢測通道，為降低噪聲干擾、提高信噪比，消除背景磁場，2個相鄰的通道差分輸出1個檢測通道。由于單點TMR傳感器的覆蓋范圍很小，設(shè)計了弧形條陣列探頭(圖6)，沿弧線方向布置5個傳感器，覆蓋寬度15 mm，輸出5個檢測通道[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 激勵電流的參數(shù)優(yōu)化

3.1 交流電頻率對磁感應(yīng)強度的影響

通過仿真研究激勵頻率對磁感應(yīng)強度測量的影響。選取寬度b、深度h均為100 μm，長度對應(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)強度Bt的變化，結(jié)果如圖7所示。對于刻槽1，磁化后在裂紋處產(chǎn)生漏磁場，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)出的磁場反作用于激勵電流感應(yīng)出的磁場，磁感應(yīng)強度逐漸減小，因此交流電頻率不宜過高；對于刻槽2，磁感應(yīng)強度主要為電流流經(jīng)裂紋時發(fā)生的擾動導(dǎo)致的外部磁場變化，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)強度逐漸增大。綜合考慮2種方向的檢測效果，選取交流電頻率為2 kHz。

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

3.2 電流強度對磁感應(yīng)強度的影響

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

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

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

4 鋼球交流通電測磁檢測系統(tǒng)

4.1 鋼球表面展開機構(gòu)

鋼球表面展開是鋼球檢測的基礎(chǔ)，確保檢測探頭能夠?qū)︿撉虮砻孢M行全檢測，不存在檢測盲區(qū)，還要求降低重復(fù)檢測率，提高檢測效率。同時，為保證檢測時探頭提離值近零且保持恒定，實現(xiàn)非接觸檢測，對掃查機構(gòu)的要求很高。

作為表面復(fù)雜的工件，鋼球的表面展開方式主要有螺旋線展開與子午線展開[16]，本文采用鋼球表面螺旋線展開方式進行掃查。鋼球繞固定軸做旋轉(zhuǎn)運動，探頭通過機械手固定，繞鋼球表面做半圓掃查，與鋼球的旋轉(zhuǎn)運動聯(lián)動實現(xiàn)螺旋掃查。利用機械手多自由度的特點，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)整問題。

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

圖9 鋼球展開示意圖Fig.9 Diagram of steel ball deployment

綜上所示，采用鋼球表面螺旋全展開方法，展開軌跡線對應(yīng)檢測時的掃描軌跡線，利用直流電動機完成鋼球的旋轉(zhuǎn)運動，機械手實現(xiàn)探頭的半圓掃查以及位姿調(diào)整。由于鋼球在展開過程中夾緊的夾持面屬于檢測盲區(qū)，1個螺旋展開裝置無法將鋼球表面全部展開，因此采用2個展開裝置進行正交檢測，完成對鋼球表面的全部展開。

4.2 檢測系統(tǒng)

鋼球微細裂紋交流通電測磁檢測運動系統(tǒng)如圖10所示，主要由機架、上料機構(gòu)、下料機構(gòu)、橫移氣缸、鋼球旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、夾持機構(gòu)、機械手、檢測探頭等組成，實現(xiàn)上料、檢測、分選、下料的自動化。

1—機架；2—橫移氣缸A；3—夾持機構(gòu)A；4—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)A；5—上料工位；6—機械手；7—下料工位；8—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)B；9—夾持機構(gòu)B；10—翻轉(zhuǎn)電動機；11—橫移氣缸B；12—下料機構(gòu)；13—上料機構(gòu)圖10 鋼球微細裂紋交流通電測磁檢測運動系統(tǒng)示意圖Fig.10 Diagram of motion system for AC energization and magnetic measurement of microcracks on steel balls

4.3 檢測流程

由PLC進行檢測系統(tǒng)的運動控制，單個鋼球的檢測流程如圖11所示：上料機構(gòu)將鋼球運送至上料工位處，夾持機構(gòu)A夾緊，機械手校準完成后旋轉(zhuǎn)機構(gòu)A帶動鋼球轉(zhuǎn)動，配合機械手運動開始檢測；上半程檢測結(jié)束，橫移氣缸A伸出，夾持機構(gòu)B夾緊鋼球，機械手再次校準完成后旋轉(zhuǎn)機構(gòu)B帶動鋼球轉(zhuǎn)動，配合機械手運動繼續(xù)進行檢測；下半程檢測結(jié)束，通過計算機信號處理系統(tǒng)對鋼球進行自動分選，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，下料機構(gòu)取走鋼球，檢測結(jié)束。

圖11 鋼球檢測流程圖Fig.11 Flow diagram of steel ball detection

4.4 試驗測試

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

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

試驗平臺如圖12所示，試驗前先利用退磁器對鋼球進行退磁處理，使鋼球剩磁不高于100 μT。信號發(fā)生器連接夾持電極，輸出大小10 A、頻率2 kHz的正弦信號，檢測傳感器采用TMR4005，沿圖3掃描路徑進行掃查，檢測信號經(jīng)過交流放大板放大、濾波處理后通過示波器采集，結(jié)果如13所示。

圖12 交流通電測磁試驗平臺Fig.12 Experimental platform for AC energization and magnetic measurement

無缺陷處的噪聲主要來自檢測過程中的振動以及電磁干擾等，TMR4005對磁場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，無缺陷處梯度變化為零，電壓信號經(jīng)過差分放大電路后輸出為零，過缺陷時漏磁信號先增大后減小，出現(xiàn)一個波峰，輸出電壓亦出現(xiàn)一個波峰；當(dāng)缺陷與電流方向夾角為45°時，無缺陷處梯度變化為零，電壓信號經(jīng)過差分放大電路后輸出為零，過缺陷時漏磁信號先增大后減小，出現(xiàn)一個波峰，輸出電壓亦出現(xiàn)一個波峰，信號相較于0°，90°方向略有減小；當(dāng)缺陷與電流方向夾角為90°時，無缺陷處梯度變化為零，電壓信號輸出為零，過缺陷時漏磁信號先減小并在缺陷中保持恒定，離開缺陷時信號增大，輸出電壓出現(xiàn)一個正向波峰，缺陷中間電壓信號經(jīng)過差分放大電路后輸出為零，離開缺陷時輸出電壓出現(xiàn)一個反向峰。總體來看，刻槽深度越小，檢測信號越弱，與理論分析結(jié)果一致。

圖13 鋼球表面不同刻槽處的檢測信號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磁的鋼球表層微細裂紋檢測方法，通過COMSOL仿真分析了鋼球表面不同方向缺陷的磁場特性，得到交變電流源激勵下的磁場磁感應(yīng)強度，驗證了采用TMR傳感器測量的可行性，并設(shè)計了弧形差分陣列探頭。

2)對激勵參數(shù)進行優(yōu)化，分析了通電電流頻率和強度對缺陷處磁場的影響，選取10 A，2 kHz作為合適的電流激勵參數(shù)。

3)基于通電磁化以及電流擾動原理，傳感器對于平行、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)計了一種基于交流通電測磁的鋼球表層微細裂紋檢測系統(tǒng)，利用夾持的電極通電，通過機械手半圓掃查與鋼球的旋轉(zhuǎn)運動聯(lián)動，實現(xiàn)一次掃查鋼球的全表面，通過人工刻樣試驗驗證了該檢測系統(tǒng)的可行性，能夠滿足鋼球檢測需求。