翟金永 劉海江

(同濟大學 機械與能源工程學院 上海 201904)

隨著汽車行業(yè)質量管理體系TS16949的不斷發(fā)展，對于產(chǎn)品質量的控制要求更加嚴格，對于缺陷的控制要求更加系統(tǒng)化。要求汽車零部件供應商采用更嚴格的質量控制手法來保證質量安全，尤其對于某些關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達到基本體系要求的基礎上，增加100%檢測的功能來保證產(chǎn)品質量[1]。

另一方面，汽車零部件供應商為了配合汽車整車廠的要求，也自發(fā)開啟各種質量控制活動，例如零缺陷概念，投身質量概念，6sigma概念等等。同時對于質量控制方面的投資也隨之增加，例如100%裂紋探傷，100%全尺寸自動測量，100%外觀檢測，100%噪音檢測等等。

滾動體生產(chǎn)的原材料主要有線材和棒材兩種。整個鋼絲表面缺陷大體可以歸結為兩類，一類是點狀缺陷，是由前期的煉鋼工藝以及運輸過程的碰傷導致，主要是結疤、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，結合渦流探傷的特點以及滾針鋼絲加工過程中的特性，渦流探傷完全適合滾針加工特性方面的要求，從探測速度，檢測能力，檢測精度方面，都適合滾針加工對于鋼絲檢測的要求。結合汽車質量體系對于測量設備的要求，以及對于測量設備的校驗方法，在渦流探傷設備的穩(wěn)定性方面提供了理論支持以及可行性支持，為后續(xù)測量設備大批量應用于生產(chǎn)實踐中奠定了良好的基礎[3]。

1 渦流探傷概述

渦流探傷是把導體接近有交流電的探頭，建立交變磁場，交變磁場通過導體并發(fā)生電磁感應，在導體內(nèi)建立渦流信號，測頭導體中的渦流也會產(chǎn)生磁場，渦流磁場的作用也會改變原磁場的強弱，進而導致電壓和阻抗的變化，當導體出現(xiàn)缺陷或者測量金屬發(fā)生變化時，將影響渦流的強度和分布，渦流的變化又引起檢測線圈電壓和阻抗的變化，根據(jù)這些變化，可以間接地判定導體內(nèi)缺陷和金屬材料缺陷存在。磁場原理如圖1所示。

圖1 渦流探傷磁場原理圖

渦流檢測是一種基于電磁感應原理的無損探傷方法，將導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，交變磁場通過導體，依據(jù)電磁感應原理，導體內(nèi)會產(chǎn)生渦電流（簡稱渦流），渦流又會產(chǎn)生自身的磁場，磁場進而在附近導體內(nèi)產(chǎn)生渦電流（簡稱渦流），渦流產(chǎn)生的磁場會作用于原磁場，改變原磁場的方向、強弱，進而改變探頭的電壓和阻抗，如果導體內(nèi)存在裂紋，或者組織發(fā)生變化，勢必會影響渦流強度，影響探頭電壓、阻抗，可以間接地判定導體表面是否存在缺陷。

渦流檢測作為一種無損探傷方法，具有操作簡單，無污染以及易于實現(xiàn)自動化等特點。但是，渦流檢測也存在很多局限性，會受到所有能影響探頭和導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、磁場、電場。故渦流設備必須放置于恒溫、恒濕，遠離電磁影響的環(huán)境中。

2 鋼絲缺陷分析

滾動體生產(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加工工藝過程中存在各種常見缺陷。

鋼絲表面存在珠光體，在拉拔過程中導致鋼絲表面開裂，或者由于拉拔過程中拉拔粉數(shù)量不足或者缺失，導致鋼絲表面出現(xiàn)鱗片狀缺陷，在拉拔過程中，如果拉刀產(chǎn)生磨損，或者破損，在鋼絲通過拉刀時不能起到良好的導向作用，塑性變形不是平滑過渡，也會導致鋼絲表面出現(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)的加工過程中將被去除，如果大于這個數(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，大于這個深度為不可接受缺陷，反之為可接受缺陷。

3 渦流探傷技術分析與參數(shù)設定

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

導體中的交流電感應渦流電場強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。根據(jù)電磁場理論推導，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為導體表面電流密度，單位：A／m2；Jx為導體距離表面深度為x處的電流密度，單位：A／m2；e為自然對數(shù)的底，e=2.718……，μ為導體的磁導率，單位：H／m；σ為導體的電導率 1／Ω·m；f為電流頻率，單位：Hz；x為電流趨膚效應的深度，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；趨膚深度還隨電流的頻率，導體的磁導率，電導率的增加而減少。進一步研究表明，交流電的趨膚效應不僅與上述因素有關，而且還與交流電的相位和相位滯后現(xiàn)象有關：

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。

相位滯后角與導體趨膚效應深度有關，相位滯后角隨趨膚深度的增加而增大：

交流電在導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)這一理論而設計的：

式中：ωt為相位角，單位：rad；δ為導體標準趨膚深度，單位：m。

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

圖3 渦流密度與趨膚深度的關系

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表明的渦流信號和深度為x處的渦流信號之間的相位差。相位滯后效應說明，不同深度的缺陷信號具有不同的相位滯后，在智能化探傷儀中根據(jù)這個原理可以判斷缺陷所處的深度，并能有效區(qū)分缺陷信號與干擾信號，對準確評價缺陷有著重要作用[7]，如圖4所示。

圖4 相位滯后于趨膚深度的關系

為了更好的選擇合適的參數(shù)，調(diào)整渦流信號相關的影響因素有：通過線圈的電流、電壓，探測頻率、提離、填充比例等。單個參數(shù)的變化都會引起渦流強度的改變，所以在參數(shù)設定前，需要分析以上因素的變化對渦流強度變化的影響。

磁場強度隨著通過線圈的電流大小以及單位長度的圈數(shù)變化而變化，所以在選擇線圈長度時既要考慮足夠的磁場強度，同時也要考慮線圈的大小。電流的設定也要考慮線圈的額定電路，否則易燒壞線圈。

渦流強度的大小也和探測頻率有關，從圖5中可以看出，通過電流的頻率與探測深度的關系，電流頻率越高，探測深度越低，更偏向于對表面缺陷的檢測。所以在選擇電流頻率時也要考慮可接受缺陷與不可接受缺陷的設定值。合適的電流頻率是測量質量的保證。

圖5 渦流強度和探測頻率的關系

渦流強度還與探頭與工件表面的距離有關，簡稱“提離”。 從圖6中可以看出提離對渦流探傷的影響，提離越大，渦流探傷檢測的范圍越小，相反則越大。所以在參數(shù)設定時，要考慮測頭與工件之間的距離，對于通過式測頭，更多的是考慮測頭直徑與鋼絲直徑的大小，這也決定了測頭與鋼絲之間的距離。

圖6 提高對渦流探傷的影響

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

除了以上幾種因素會影響到渦流信號以外，以下幾種情況也會對渦流信號產(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、分選的項目等選配合適的探頭是分選是否能夠成功的關鍵[8]。

（2）頻率和增益的選擇。應根據(jù)不同檢測對象和檢測、分選項目選擇適當?shù)念l率和增益。

（3）標準樣件的選取。標準樣件是否能準確的選好，也是能否進行正確檢測、分選的關鍵。

（4）被測工件在探頭中的位置，被測工件在探頭中的位置非常重要，為了測量的準確性，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、腐蝕性氣體同時使用以免降低測量頭的使用壽命。

（6）儀器可連續(xù)工作，不受使用時間限制，在長時間測試同一種類工件時，每隔2～ 8小時復測一下調(diào)機時使用的樣件，用補償旋鈕校準其原指示值一次。探傷儀、分選儀的準確性和被測材料的品種、熱處理工藝狀態(tài)、爐號的批次、工件的編碼狀態(tài)等有一定的關系。

圖7 填充比例對渦流探傷的影響

4 S公司MSA應用實例

汽車行業(yè)體系中要求，針對特殊工序需要特定的人員資質。由于這些工藝存在專業(yè)性強，需要理論知識才能正確的校驗設備以及測量方法的優(yōu)化，如果原理與實際結合出現(xiàn)問題，將不能有效的使用設備。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方法檢測，所以針對無損探傷進行特殊要求。探傷類人員資質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。同時每種探傷方法又分為三個級別：

（1）一級人員主要負責現(xiàn)場檢測；

（2）二級人員可以對結果簽字解釋；

（3）三級人員負責編制作業(yè)指導書。

一級和二級是單個方法的級別，三級指以上方法中的至少兩種都能會編制探傷工藝流程指導。為了能夠滿足行業(yè)需求，經(jīng)由中國機械工程學會無損檢測協(xié)會進行培訓，獲得二級認可的資質證書。由二級資質人員培訓現(xiàn)場員工作為助理操作工進行日常的上下料工作以及簡單的停機開機操作[9]。

渦流設備作為測量設備的一種，需要滿足汽車行業(yè)對于測量設備穩(wěn)定性的要求，具體是指用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具、標準、操作、方法、軟件、人員、環(huán)境和假設的集合；用來獲得測量結果的整個過程。如圖8 所示為本次測量中設計到的原料記為缺陷樣件，同時要保證同樣的人，同樣的設備，同樣的測試環(huán)境以及同樣的測試方法，基于此進行設備的重復性測量，測量結果的一致性來說明測量儀器的穩(wěn)定性[10]。

圖8 測量儀儀器穩(wěn)定性干涉因素

在進行具體的測量儀器分析前，需要對渦流探傷儀器基礎的信號穩(wěn)定性進行驗證，具體驗證結果如圖9所示。

通過以上30個數(shù)據(jù)的結果，可以看出，當缺陷樣件通過時，能夠反饋信號，進行報警，當無缺陷樣件通過時，信號正常。 基于這樣的測試，可以判定測量設備的穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定的判定出缺陷，并進行相應的操作，滿足了測量設備最基礎的穩(wěn)定性要求。

圖9 渦流探傷信號檢測結果

渦流探傷儀穩(wěn)定性得到驗證后，為了定量的判定缺陷的大小，我們需要對渦流信號和缺陷大小進行對應，以制定相應的標準來規(guī)范測量。這需要對于工件產(chǎn)生的渦流信號進行定量的判定。

該公司基于渦流探傷儀器基于所有缺陷收集的信號與具體缺陷尺寸的對應關系，將缺陷樣件初步定義為深度0.03 mm，長度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重要的參數(shù)，為了保證穩(wěn)定的頻率輸入，對于渦流探傷設備渦流探傷的頻率進行檢驗，來確定線圈實際的輸入頻率與面板中設定的頻率一致。同時在軟件功能性設計中，為了屏蔽機床震動引起的誤差，需要對于濾波進行針對性的過濾。為了檢測渦流探傷儀器濾波過濾能力，需要對濾波過濾能力針對高頻，中頻，低頻進行校驗[7]。在軟件設計時，為了能夠更好的進行信號采集，對采集到的渦流信號進行放大處理，同時為了保證信號放大比例不失真，需要對信號放大比例進行校驗。

渦流探傷儀的實際效果需要通過對比來呈現(xiàn)。主要通過兩個方面來比較，一方面比較最終成品最終檢測時缺陷發(fā)生的數(shù)量，另一方面比較設備利用率的影響，為后續(xù)批量推廣進行評估，平衡設備利用率以及各種生產(chǎn)成本的變化與產(chǎn)品質量和客戶投訴。

對于設備利用率方面，鋼絲渦流探傷與設備系統(tǒng)連接后實現(xiàn)了自動停止功能，缺陷被探測時，切斷設備能夠自動停止，這對于設備的綜合利用率以及每日產(chǎn)量也會產(chǎn)生相應的影響。經(jīng)過對設備利用的跟蹤記錄發(fā)現(xiàn)，設備的整體利用率并沒有因為鋼絲渦流探傷的安裝而產(chǎn)生明顯的下降，具體跟蹤結果如圖10所示。

圖10 渦流探傷設備對機器利用率的影響

結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備的優(yōu)化變得逐月下降，同時渦流探傷儀器的增加并沒有造成切斷機停機次數(shù)的增加，設備整體利用率維持在之前的水平。

為了便于鋼絲質量的改善，具體使用過程中增加記錄功能，詳細記錄每次缺陷的詳細批次信息以及缺陷類型和缺陷圖片，同時針對每種缺陷整理成曲線圖，能夠長時間的觀測供應商質量的穩(wěn)定性以及改善效果。

5 結語

渦流探傷技術的逐步成熟與廣泛應用大大滿足了汽車行業(yè)中對質量零缺陷的要求。由于渦流探傷的無損特性，讓 100%檢測變成可能。本文通過對渦流探傷技術的分析以及對鋼絲缺陷的概述，結合實際案例闡述渦流探傷的應用。基于對于鋼絲缺陷探測而研究實現(xiàn)的渦流探傷設備，同時在實際的工業(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行改善優(yōu)化。