翟金永 劉海江

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201904)

隨著汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系TS16949的不斷發(fā)展，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的控制要求更加嚴(yán)格，對(duì)于缺陷的控制要求更加系統(tǒng)化。要求汽車零部件供應(yīng)商采用更嚴(yán)格的質(zhì)量控制手法來(lái)保證質(zhì)量安全，尤其對(duì)于某些關(guān)鍵特性以及安全特性要求，更是要求在保證工藝穩(wěn)定，CPK/CMK達(dá)到基本體系要求的基礎(chǔ)上，增加100%檢測(cè)的功能來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量[1]。

另一方面，汽車零部件供應(yīng)商為了配合汽車整車廠的要求，也自發(fā)開(kāi)啟各種質(zhì)量控制活動(dòng)，例如零缺陷概念，投身質(zhì)量概念，6sigma概念等等。同時(shí)對(duì)于質(zhì)量控制方面的投資也隨之增加，例如100%裂紋探傷，100%全尺寸自動(dòng)測(cè)量，100%外觀檢測(cè)，100%噪音檢測(cè)等等。

滾動(dòng)體生產(chǎn)的原材料主要有線材和棒材兩種。整個(gè)鋼絲表面缺陷大體可以歸結(jié)為兩類，一類是點(diǎn)狀缺陷，是由前期的煉鋼工藝以及運(yùn)輸過(guò)程的碰傷導(dǎo)致，主要是結(jié)疤、裂紋、碰傷等[2]；另一類是線狀缺陷，主要是后續(xù)的拉拔工藝中產(chǎn)生。

綜上所述，結(jié)合渦流探傷的特點(diǎn)以及滾針?shù)摻z加工過(guò)程中的特性，渦流探傷完全適合滾針加工特性方面的要求，從探測(cè)速度，檢測(cè)能力，檢測(cè)精度方面，都適合滾針加工對(duì)于鋼絲檢測(cè)的要求。結(jié)合汽車質(zhì)量體系對(duì)于測(cè)量設(shè)備的要求，以及對(duì)于測(cè)量設(shè)備的校驗(yàn)方法，在渦流探傷設(shè)備的穩(wěn)定性方面提供了理論支持以及可行性支持，為后續(xù)測(cè)量設(shè)備大批量應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中奠定了良好的基礎(chǔ)[3]。

1 渦流探傷概述

渦流探傷是把導(dǎo)體接近有交流電的探頭，建立交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體并發(fā)生電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體內(nèi)建立渦流信號(hào)，測(cè)頭導(dǎo)體中的渦流也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，渦流磁場(chǎng)的作用也會(huì)改變?cè)艌?chǎng)的強(qiáng)弱，進(jìn)而導(dǎo)致電壓和阻抗的變化，當(dāng)導(dǎo)體出現(xiàn)缺陷或者測(cè)量金屬發(fā)生變化時(shí)，將影響渦流的強(qiáng)度和分布，渦流的變化又引起檢測(cè)線圈電壓和阻抗的變化，根據(jù)這些變化，可以間接地判定導(dǎo)體內(nèi)缺陷和金屬材料缺陷存在。磁場(chǎng)原理如圖1所示。

圖1 渦流探傷磁場(chǎng)原理圖

渦流檢測(cè)是一種基于電磁感應(yīng)原理的無(wú)損探傷方法，將導(dǎo)體靠近通入交流電的探頭，從而使探頭周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)體，依據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦電流（簡(jiǎn)稱渦流），渦流又會(huì)產(chǎn)生自身的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)進(jìn)而在附近導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦電流（簡(jiǎn)稱渦流），渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)作用于原磁場(chǎng)，改變?cè)艌?chǎng)的方向、強(qiáng)弱，進(jìn)而改變探頭的電壓和阻抗，如果導(dǎo)體內(nèi)存在裂紋，或者組織發(fā)生變化，勢(shì)必會(huì)影響渦流強(qiáng)度，影響探頭電壓、阻抗，可以間接地判定導(dǎo)體表面是否存在缺陷。

渦流檢測(cè)作為一種無(wú)損探傷方法，具有操作簡(jiǎn)單，無(wú)污染以及易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。但是，渦流檢測(cè)也存在很多局限性，會(huì)受到所有能影響探頭和導(dǎo)體電磁特性的外界因素的影響[4]，例如：溫度、試樣位置、試樣速度、試樣尺寸、邊緣效應(yīng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)。故渦流設(shè)備必須放置于恒溫、恒濕，遠(yuǎn)離電磁影響的環(huán)境中。

2 鋼絲缺陷分析

滾動(dòng)體生產(chǎn)的原材料主要有線材和棒材兩種。從鐵礦石到成型鋼絲的整個(gè)加工工藝過(guò)程中存在各種常見(jiàn)缺陷。

鋼絲表面存在珠光體，在拉拔過(guò)程中導(dǎo)致鋼絲表面開(kāi)裂，或者由于拉拔過(guò)程中拉拔粉數(shù)量不足或者缺失，導(dǎo)致鋼絲表面出現(xiàn)鱗片狀缺陷，在拉拔過(guò)程中，如果拉刀產(chǎn)生磨損，或者破損，在鋼絲通過(guò)拉刀時(shí)不能起到良好的導(dǎo)向作用，塑性變形不是平滑過(guò)渡，也會(huì)導(dǎo)致鋼絲表面出現(xiàn)竹節(jié)型缺陷[5]，如圖2所示。

圖2 鋼絲缺陷示例圖

從成品滾針與鋼絲加工余量可以看出，鋼絲最小磨削余量為0.08mm，單邊磨削深度為0.04 mm。如果表面缺陷的深度低于 0.04 mm，在后續(xù)的加工過(guò)程中將被去除，如果大于這個(gè)數(shù)據(jù)，有可能缺陷將留在成品工件中?？紤]25%的安全系數(shù)，所以探測(cè)深度定義為0.03 mm，可接受缺陷與不可接受缺陷的區(qū)分定義為深度0.03 mm，大于這個(gè)深度為不可接受缺陷，反之為可接受缺陷。

3 渦流探傷技術(shù)分析與參數(shù)設(shè)定

智能化渦流探傷儀及設(shè)備具有阻抗平面顯示和自動(dòng)扇形區(qū)域報(bào)警功能，采用二維顯示方法，配合雙重電子扇形窗技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)“幅度—相位組合”報(bào)警，這種信號(hào)處理方式從根本上提高了探傷結(jié)果的可靠性，完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)鋼絲的自動(dòng)化檢測(cè)要求。阻抗平面顯示技術(shù)的理論依據(jù)是交流電的趨膚效應(yīng)和相位滯后效應(yīng)[6]。

導(dǎo)體中的交流電感應(yīng)渦流電場(chǎng)強(qiáng)度隨著離表面距離的增加而按指數(shù)規(guī)律減少，并產(chǎn)生渦流的相位滯后，這就是趨膚效應(yīng)。根據(jù)電磁場(chǎng)理論推導(dǎo)，交流電在橫截面的電流密度分布是按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減：

式中：J0為導(dǎo)體表面電流密度，單位：A／m2；Jx為導(dǎo)體距離表面深度為x處的電流密度，單位：A／m2；e為自然對(duì)數(shù)的底，e=2.718……，μ為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，單位：H／m；σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率 1／Ω·m；f為電流頻率，單位：Hz；x為電流趨膚效應(yīng)的深度，單位：m。

物體表面層電流密度分布最大，而隨距離表面的深度的增加而減少，這就是交流電的趨膚效應(yīng)；趨膚深度還隨電流的頻率，導(dǎo)體的磁導(dǎo)率，電導(dǎo)率的增加而減少。進(jìn)一步研究表明，交流電的趨膚效應(yīng)不僅與上述因素有關(guān)，而且還與交流電的相位和相位滯后現(xiàn)象有關(guān)：

式中：ω為交流電相位變化的角速度，單位：rad／s；β為相位滯后角，單位：rad。

相位滯后角與導(dǎo)體趨膚效應(yīng)深度有關(guān)，相位滯后角隨趨膚深度的增加而增大：

交流電在導(dǎo)體橫截面上的電流密度分布不僅隨深度按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減，而且隨趨膚深度增加而產(chǎn)生相位滯后，智能化的渦流探傷儀正是根據(jù)這一理論而設(shè)計(jì)的：

式中：ωt為相位角，單位：rad；δ為導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)趨膚深度，單位：m。

趨膚深度是與探傷激勵(lì)頻率的平方根成反比，在渦流探傷中，缺陷的檢測(cè)靈敏度與缺陷的渦流密度有關(guān)，當(dāng)量相同的缺陷如處在不同深度，則檢測(cè)靈敏度是不同的，深度越大，檢測(cè)靈敏度越低.如圖3所示。

圖3 渦流密度與趨膚深度的關(guān)系

渦流是由交流電產(chǎn)生的，所以，除了具有頻率以外，還有一個(gè)相位參數(shù)，不同深度的渦流具有不同的相位滯后，較深處的渦流相位滯后較大。

β表明的渦流信號(hào)和深度為x處的渦流信號(hào)之間的相位差。相位滯后效應(yīng)說(shuō)明，不同深度的缺陷信號(hào)具有不同的相位滯后，在智能化探傷儀中根據(jù)這個(gè)原理可以判斷缺陷所處的深度，并能有效區(qū)分缺陷信號(hào)與干擾信號(hào)，對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)缺陷有著重要作用[7]，如圖4所示。

圖4 相位滯后于趨膚深度的關(guān)系

為了更好的選擇合適的參數(shù)，調(diào)整渦流信號(hào)相關(guān)的影響因素有：通過(guò)線圈的電流、電壓，探測(cè)頻率、提離、填充比例等。單個(gè)參數(shù)的變化都會(huì)引起渦流強(qiáng)度的改變，所以在參數(shù)設(shè)定前，需要分析以上因素的變化對(duì)渦流強(qiáng)度變化的影響。

磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著通過(guò)線圈的電流大小以及單位長(zhǎng)度的圈數(shù)變化而變化，所以在選擇線圈長(zhǎng)度時(shí)既要考慮足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)也要考慮線圈的大小。電流的設(shè)定也要考慮線圈的額定電路，否則易燒壞線圈。

渦流強(qiáng)度的大小也和探測(cè)頻率有關(guān)，從圖5中可以看出，通過(guò)電流的頻率與探測(cè)深度的關(guān)系，電流頻率越高，探測(cè)深度越低，更偏向于對(duì)表面缺陷的檢測(cè)。所以在選擇電流頻率時(shí)也要考慮可接受缺陷與不可接受缺陷的設(shè)定值。合適的電流頻率是測(cè)量質(zhì)量的保證。

圖5 渦流強(qiáng)度和探測(cè)頻率的關(guān)系

渦流強(qiáng)度還與探頭與工件表面的距離有關(guān)，簡(jiǎn)稱“提離”。 從圖6中可以看出提離對(duì)渦流探傷的影響，提離越大，渦流探傷檢測(cè)的范圍越小，相反則越大。所以在參數(shù)設(shè)定時(shí)，要考慮測(cè)頭與工件之間的距離，對(duì)于通過(guò)式測(cè)頭，更多的是考慮測(cè)頭直徑與鋼絲直徑的大小，這也決定了測(cè)頭與鋼絲之間的距離。

圖6 提高對(duì)渦流探傷的影響

渦流強(qiáng)度的大小還有線圈的填充比例有關(guān)系，如圖7所示，對(duì)于通過(guò)式探頭而言，探頭的填充系數(shù)是影響探傷靈敏度與探傷結(jié)果的重要因素之一。

除了以上幾種因素會(huì)影響到渦流信號(hào)以外，以下幾種情況也會(huì)對(duì)渦流信號(hào)產(chǎn)生一定的影響。

（1）探頭的選配。根據(jù)工件的規(guī)格尺寸、表面狀況、檢測(cè)、分選的項(xiàng)目等選配合適的探頭是分選是否能夠成功的關(guān)鍵[8]。

（2）頻率和增益的選擇。應(yīng)根據(jù)不同檢測(cè)對(duì)象和檢測(cè)、分選項(xiàng)目選擇適當(dāng)?shù)念l率和增益。

（3）標(biāo)準(zhǔn)樣件的選取。標(biāo)準(zhǔn)樣件是否能準(zhǔn)確的選好，也是能否進(jìn)行正確檢測(cè)、分選的關(guān)鍵。

（4）被測(cè)工件在探頭中的位置，被測(cè)工件在探頭中的位置非常重要，為了測(cè)量的準(zhǔn)確性，可以根據(jù)工件的形狀、探頭的種類制作夾具。

（5）避免與高頻、電焊機(jī)、腐蝕性氣體同時(shí)使用以免降低測(cè)量頭的使用壽命。

（6）儀器可連續(xù)工作，不受使用時(shí)間限制，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試同一種類工件時(shí)，每隔2～ 8小時(shí)復(fù)測(cè)一下調(diào)機(jī)時(shí)使用的樣件，用補(bǔ)償旋鈕校準(zhǔn)其原指示值一次。探傷儀、分選儀的準(zhǔn)確性和被測(cè)材料的品種、熱處理工藝狀態(tài)、爐號(hào)的批次、工件的編碼狀態(tài)等有一定的關(guān)系。

圖7 填充比例對(duì)渦流探傷的影響

4 S公司MSA應(yīng)用實(shí)例

汽車行業(yè)體系中要求，針對(duì)特殊工序需要特定的人員資質(zhì)。由于這些工藝存在專業(yè)性強(qiáng)，需要理論知識(shí)才能正確的校驗(yàn)設(shè)備以及測(cè)量方法的優(yōu)化，如果原理與實(shí)際結(jié)合出現(xiàn)問(wèn)題，將不能有效的使用設(shè)備。為了保障汽車行業(yè)零件的安全性，保證缺陷件能夠被有效的探測(cè)方法檢測(cè)，所以針對(duì)無(wú)損探傷進(jìn)行特殊要求。探傷類人員資質(zhì)以具體探傷方法劃分，主要分射線RT，超聲波UT，磁粉MT，滲透MT，渦流ET。同時(shí)每種探傷方法又分為三個(gè)級(jí)別：

（1）一級(jí)人員主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；

（2）二級(jí)人員可以對(duì)結(jié)果簽字解釋；

（3）三級(jí)人員負(fù)責(zé)編制作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。

一級(jí)和二級(jí)是單個(gè)方法的級(jí)別，三級(jí)指以上方法中的至少兩種都能會(huì)編制探傷工藝流程指導(dǎo)。為了能夠滿足行業(yè)需求，經(jīng)由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)協(xié)會(huì)進(jìn)行培訓(xùn)，獲得二級(jí)認(rèn)可的資質(zhì)證書(shū)。由二級(jí)資質(zhì)人員培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)員工作為助理操作工進(jìn)行日常的上下料工作以及簡(jiǎn)單的停機(jī)開(kāi)機(jī)操作[9]。

渦流設(shè)備作為測(cè)量設(shè)備的一種，需要滿足汽車行業(yè)對(duì)于測(cè)量設(shè)備穩(wěn)定性的要求，具體是指用來(lái)對(duì)被測(cè)特性定量測(cè)量或定性評(píng)價(jià)的儀器或量具、標(biāo)準(zhǔn)、操作、方法、軟件、人員、環(huán)境和假設(shè)的集合；用來(lái)獲得測(cè)量結(jié)果的整個(gè)過(guò)程。如圖8 所示為本次測(cè)量中設(shè)計(jì)到的原料記為缺陷樣件，同時(shí)要保證同樣的人，同樣的設(shè)備，同樣的測(cè)試環(huán)境以及同樣的測(cè)試方法，基于此進(jìn)行設(shè)備的重復(fù)性測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的一致性來(lái)說(shuō)明測(cè)量?jī)x器的穩(wěn)定性[10]。

圖8 測(cè)量?jī)x儀器穩(wěn)定性干涉因素

在進(jìn)行具體的測(cè)量?jī)x器分析前，需要對(duì)渦流探傷儀器基礎(chǔ)的信號(hào)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，具體驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示。

通過(guò)以上30個(gè)數(shù)據(jù)的結(jié)果，可以看出，當(dāng)缺陷樣件通過(guò)時(shí)，能夠反饋信號(hào)，進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)無(wú)缺陷樣件通過(guò)時(shí)，信號(hào)正常。 基于這樣的測(cè)試，可以判定測(cè)量設(shè)備的穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定的判定出缺陷，并進(jìn)行相應(yīng)的操作，滿足了測(cè)量設(shè)備最基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求。

圖9 渦流探傷信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

渦流探傷儀穩(wěn)定性得到驗(yàn)證后，為了定量的判定缺陷的大小，我們需要對(duì)渦流信號(hào)和缺陷大小進(jìn)行對(duì)應(yīng)，以制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范測(cè)量。這需要對(duì)于工件產(chǎn)生的渦流信號(hào)進(jìn)行定量的判定。

該公司基于渦流探傷儀器基于所有缺陷收集的信號(hào)與具體缺陷尺寸的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將缺陷樣件初步定義為深度0.03 mm，長(zhǎng)度1 mm，寬度0.05 mm。

由于在渦流探傷儀器調(diào)節(jié)中，探傷頻率是其中一個(gè)重要的參數(shù)，為了保證穩(wěn)定的頻率輸入，對(duì)于渦流探傷設(shè)備渦流探傷的頻率進(jìn)行檢驗(yàn)，來(lái)確定線圈實(shí)際的輸入頻率與面板中設(shè)定的頻率一致。同時(shí)在軟件功能性設(shè)計(jì)中，為了屏蔽機(jī)床震動(dòng)引起的誤差，需要對(duì)于濾波進(jìn)行針對(duì)性的過(guò)濾。為了檢測(cè)渦流探傷儀器濾波過(guò)濾能力，需要對(duì)濾波過(guò)濾能力針對(duì)高頻，中頻，低頻進(jìn)行校驗(yàn)[7]。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，為了能夠更好的進(jìn)行信號(hào)采集，對(duì)采集到的渦流信號(hào)進(jìn)行放大處理，同時(shí)為了保證信號(hào)放大比例不失真，需要對(duì)信號(hào)放大比例進(jìn)行校驗(yàn)。

渦流探傷儀的實(shí)際效果需要通過(guò)對(duì)比來(lái)呈現(xiàn)。主要通過(guò)兩個(gè)方面來(lái)比較，一方面比較最終成品最終檢測(cè)時(shí)缺陷發(fā)生的數(shù)量，另一方面比較設(shè)備利用率的影響，為后續(xù)批量推廣進(jìn)行評(píng)估，平衡設(shè)備利用率以及各種生產(chǎn)成本的變化與產(chǎn)品質(zhì)量和客戶投訴。

對(duì)于設(shè)備利用率方面，鋼絲渦流探傷與設(shè)備系統(tǒng)連接后實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)停止功能，缺陷被探測(cè)時(shí)，切斷設(shè)備能夠自動(dòng)停止，這對(duì)于設(shè)備的綜合利用率以及每日產(chǎn)量也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)備利用的跟蹤記錄發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的整體利用率并沒(méi)有因?yàn)殇摻z渦流探傷的安裝而產(chǎn)生明顯的下降，具體跟蹤結(jié)果如圖10所示。

圖10 渦流探傷設(shè)備對(duì)機(jī)器利用率的影響

結(jié)合以上信息可以看出，鋼絲渦流探傷儀器使用后，內(nèi)部缺陷數(shù)量隨著員工技能水平的提高與設(shè)備的優(yōu)化變得逐月下降，同時(shí)渦流探傷儀器的增加并沒(méi)有造成切斷機(jī)停機(jī)次數(shù)的增加，設(shè)備整體利用率維持在之前的水平。

為了便于鋼絲質(zhì)量的改善，具體使用過(guò)程中增加記錄功能，詳細(xì)記錄每次缺陷的詳細(xì)批次信息以及缺陷類型和缺陷圖片，同時(shí)針對(duì)每種缺陷整理成曲線圖，能夠長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)供應(yīng)商質(zhì)量的穩(wěn)定性以及改善效果。

5 結(jié)語(yǔ)

渦流探傷技術(shù)的逐步成熟與廣泛應(yīng)用大大滿足了汽車行業(yè)中對(duì)質(zhì)量零缺陷的要求。由于渦流探傷的無(wú)損特性，讓 100%檢測(cè)變成可能。本文通過(guò)對(duì)渦流探傷技術(shù)的分析以及對(duì)鋼絲缺陷的概述，結(jié)合實(shí)際案例闡述渦流探傷的應(yīng)用?；趯?duì)于鋼絲缺陷探測(cè)而研究實(shí)現(xiàn)的渦流探傷設(shè)備，同時(shí)在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中也存有類似的產(chǎn)品，例如鋼棒、管材等，都可參照和利用該課題研究的成果進(jìn)行改善優(yōu)化。