CN104764800A - 一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法及装置。利用单个永磁体2的N、S极与活塞环1组成环型磁回路，用最大磁能量密度实现圆周方向贯穿式磁化，脱离磁体后利用多种空间敏感尺度的磁敏检测单元4’沿圆周方向扫查工件，拾取缺陷产生的漏磁场并转化为电信号,通过信号突变判断活塞环1中是否存在缺陷。本发明通过环绕活塞环1断面的阵列磁敏检测单元4’，实现不同开口间隙以及活塞环1非规则截面中跨尺度缺陷的探伤，缺陷检出率高。本发明解决了活塞环1漏磁检测中的磁噪声和探伤的端部盲区问题,易于实现活塞环1的自动化探伤。

Description

一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法及装置

技术领域

本发明属于漏磁无损检测技术领域，特别涉及一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法及装置。

背景技术

活塞环是用于嵌入活塞槽沟内部的金属环，广泛地用在各种动力机械上，如汽油机、压缩机、液压机以及火车，轮船，游艇等机构，其产品质量对这些动力机械的正常运行至关重要。其规格繁多、厚度、宽度较小，缺陷尺度不一，有极小的点状缺陷，也有沿圆弧分布的线状缺陷，缺陷常常分布在棱边或是端面上，位置无序，若无法对其采取合适的磁化、检测手段，将难以高效探测到缺陷。漏磁检测作为一种强有力而高效的无损探伤手段,但对于活塞环等较小型开口环型导磁构件上的微小缺陷，实现高速自动化探伤还具有一定难度，一是难以实现整个构件的一次性均匀磁化，二是检测过程中磁敏检测单元易受磁化器以及周围磁噪声的影响，难以提取出精确的缺陷信号。同时，对于实现较大半径的活塞环的检测，需要改变步长来实现整个工件磁化及检测，以保证最终效果。现有的漏磁方法中对于同一活塞环不同的检测面，需要多道工序分别进行检测，同时，通常只采用单传感器对工件进行检测，弊端在于只对一定尺度缺陷敏感，对于活塞环上不同程度的缺陷，易产生漏检。

磁激励是漏磁检测的首要关键技术之一，对于结构特殊的检测对象，往往有着不同的磁化方式及结构要求。目前关于环型工件的一种磁化方法是采用大电流低电压的穿棒法实现活塞环的轴向磁化，在活塞环上面产生轴向磁场，但是易在磁化过程中打火烧伤活塞环，并且对设备的需求和消耗较大，实现自动化检测困难。

常用的磁轭式磁化方式，其磁源是由激励线圈产生的整个空间域的磁场，该空间中的磁场作用于由衔铁与待磁化部位构成磁回路，磁轭法极易在检测过程中产生抖动，并且磁轭两触头必须与待检面实现较好的贴合，而对于活塞环这种横截面小且不规则的结构特点，触头与待检面空气隙极大地影响了检测效果。同时较弱的缺陷漏磁场易淹没在较大的背景磁场中，降低了同一工件的检测灵敏度的一致性；最后磁轭法也难以实现整个活塞环这种特殊结构的一次性整体磁化。

现有漏磁检测中的永磁磁化方式均采用永磁磁轭式结构，每个探头由多个独立的磁轭组件固化构成，每个独立的磁轭组件均有衔铁以及两级之间的磁敏元件封装而成，其中，衔铁两端磁极由多块磁铁串联而成，中间为跨度通常大于150mm的磁桥路。这种磁化方式不具有稳定性，磁轭磁极的近距离靠近或者接触被检构件，导致磁吸作用过大，使得检测探头在与被检构建在检测过程中的相对运动变得困难，检测探头不易脱离开被检测体，也难以实现整个活塞环这种特殊结构的一次性整体磁化。

另外一种方式为，杨芸著“轴承套圈局部漏磁检测方法与装置”(中国机械工程学会无损检测分会，2013)，采用永磁局部磁化的方式来实现轴承套圈的检测，但是仍然是磁化和检测同时进行，并且磁化所用的外部连接比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法与装置,实现具有不规则截面的活塞环整体磁化及检测，具有系统结构简单、通用性和互换性强、成本较低、检测精度高、易于实现自动化探伤的优点。

本发明的技术解决方案是：

一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法,其步骤包括:

第1步，利用永磁体从活塞环的开口间隙处对其进行饱和磁化，实现串联闭合式磁化；

第2步，活塞环实现整周贯穿式磁化后，将永磁体脱离活塞环开口间隙，形成均匀剩磁；

第3步，磁敏检测单元沿活塞环圆周方向进行扫查,拾取缺陷漏磁场并转化为电信号,信号中的突变表达缺陷的存在。

所述步骤2中永磁体需从活塞环开口间隙撤离，留下最大的均匀剩磁，永磁体对活塞环磁化及撤出磁路由控制装置控制。

所述步骤3中，磁敏检测单元具有跨尺度缺陷识别功能，磁敏检测单元为可以开合的多面探头阵列沿活塞环横截面四周围成无泄漏的扫描体，多个磁敏检测单元分别敏感不同尺度缺陷产生的漏磁场。

所述永磁体从活塞环的开口间隙处磁化活塞环的整周，永磁体从活塞环撤离后留下最大的剩磁；多面探头阵列由机械转动装置控制从活塞环开口的一端开始，扫查轨迹沿圆周方向到另一端结束，多通道漏磁检测依次经过放大器、滤波器、A/D转换器与计算机数据处理系统相连，由计算机给出判断结果、报警和控制分拣。

所述活塞环可采用至少两个以上的活塞环叠加的方式同时磁化。

一种实现该活塞环探伤方法的装置，包括永磁体、磁敏检测单元，磁敏检测单元依次连接放大器、滤波器、A/D转换器与计算机数据处理系统，所述永磁体填充活塞环开口间隙，用于磁化活塞环；所述永磁体活动连接控制装置；所述磁敏检测单元由一组磁传感器构成，所述磁敏检测单元用至少两种以上空间敏感尺度磁检测探头构成，形成至少两个以上磁敏检测单元，磁传感器组以相同的磁敏感方向紧密排列，排列方向沿活塞环圆周方向，磁敏检测单元沿活塞环横截面周向布置成多面探头阵列；每个磁敏检测单元外部采用非导磁材料封装，所述磁敏检测单元共同封装在多面探头阵列的内部；所述多面探头阵列紧贴活塞环的外轮廓面，每个多面探头阵列外侧连接有浮动跟随装置，浮动跟随装置的另一端连接有机械装置。

所述永磁体采用单个永磁体或片状永磁体串联叠加的方式。

所述永磁体为片状永磁体时，多个片状永磁体的N、S极串联叠加，所述永磁体在磁化场有效方向(N，S)上的总厚度，填充满活塞环的开口间隙，N级与活塞环开口一端贴合，S极与活塞环开口的另一端贴合。

所述控制装置包括转动轴和连接杆，连接杆的一端垂直于转动轴的轴向转动连接，连接杆另一端与永磁体活动连接。

所述浮动跟随装置为气浮跟踪控制，包括弹簧、摇臂，摇臂置于弹簧内。

所述多面探头阵列的布置形式与活塞环横截面的形状相匹配，探头阵列的每个面覆盖活塞环横截面的周围，从截面方向看去构成周向阵列；活塞环横截面为矩形时，采用两个直角多面探头阵列沿活塞环横截面对角布置。

所述活塞环主要材料成分为铸铁，由于其尺寸较小，内外侧圆弧面棱角较为尖锐，极易产生崩缺，也极易产生镀层连带本体材料脱落的缺陷。缺陷尺度不一，点状、线状、面积型缺陷都存在，以至于缺陷信号易被磁化过程中的磁噪声淹没。通常横截面积为2mm2-15mm2，圆环半径4-10cm,大批量生产，因此必须提出与之结构特点相适应的磁化及检测方式。

所述串联闭合式磁化方式，利用单个永磁体的N、S极直接与活塞环实现圆周方向的串联，构成磁回路。其特点是磁源作为一个“点源”，整体充当串联闭合磁路的一部分，接触作用于活塞环的细小横截面，磁力线从永磁体的N极出发，通过活塞环内部到达永磁体自身的S极，该贯穿式磁化过程，以“点式”局部磁化的方式在客观上提供了整体磁化的效果，除此之外，串联闭合式磁化法可以对多个活塞环同时进行均匀磁化，为活塞环微小缺陷的检测可靠性提供了保证。而通常采取的磁轭式磁化方式，其磁源是由激励线圈产生的整个空间域的磁场，该空间中的磁场作用于由衔铁与待磁化部位构成磁回路。因此，从磁源和作用方式来讲，它与常规磁轭法磁化之间是存在较大差异的。从能量损耗角度考虑，磁轭法总是需要额外的供电系统并且需要体积较大的线圈产生合适的磁场，最显著的特点是再次化过程中要持续对磁化器进行供电，在大批量的检测中，磁化器的大量电能消耗和散热都是面临的劣势。而该串联闭合式磁化方法只需要体积较小的永磁体完成前者较大结构所实现的相同功能，只需要极少的永磁体消耗。

所述串联式“点磁源”提供的激励最大特点是其磁能密度较大，在磁路中只存在极小的损失，活塞环作为永磁体自身N极到S极磁力线的分布介质，能够实现最均匀的剩磁分布，提高了检测元件灵敏度一致性。所述永磁体具有较高磁能积，由其构成的串联式磁化器能够提供不同尺寸环型工件所需的磁场，其结构特征为采用单个或片状永磁体串联叠加的方式，实现与不同大小开口间隙活塞环的串联闭合。

所述串联闭合式磁化过程之后，从闭合环型回路中撤出磁化器，在活塞环中留下静态剩磁场，为下一步的探头扫查提供了较低的磁噪声及良好的稳定性。

所述无泄漏的扫描体，是基于活塞环横截面不规则，存在梯形，矩形工字型等多种形状的特征，将磁敏检测单元沿活塞环周向布置成多面探头阵列，从截面方向看去构成周向阵列，在其沿活塞环进行圆周扫查的时候，扫查过程中的每个时间点，实现不规则活塞环不规则截面周向上的同时检测。活塞环每个面的探头阵列均为浮动跟随紧贴活塞环的外轮廓面，沿活塞环横截面四周围成无泄漏的扫描体。当检测完一个活塞环后，该多面探头阵列可以由机械装置控制开合，自动从沿活塞环横截面环绕状态改变为打开状态，等待下一个活塞环到达，多面探头阵列恢复浮动压紧状态，如此反复，实现自动化扫查过程。

所述磁敏检测单元为线圈、磁头、霍尔传感器等灵敏度较高、体积较小的传感器构成。单个传感器的灵敏度比较单一，如有的磁传感器对线状缺陷较为敏感，而有的则对点状缺陷较为敏感。利用活塞环的结构特点，用至少两组不同空间敏感度的磁检测探头组成一组，分别敏感不同尺度缺陷产生的漏磁场，探头沿其轴向阵列布置，实现跨尺度的缺陷检测，避免漏检。

本发明的技术效果是:

本发明提出的一种基于串联闭合式磁化方法，实质是利用单个永磁体的N、S极与活塞环构成环型磁回路，以“点式”局部贴合的方式，用最大磁能量密度实现圆周方向最大程度的贯穿式均匀磁化。

串联闭合式磁化方法可同时实现多个活塞环的均匀磁化，提高了磁化效率，撤离磁化器后直接利用工件静态剩磁检测，避免了常规磁化过程中的空间磁场干扰，减小了活塞环开口处端部检测盲区，提升了检测信噪比。

通过采用环绕的阵列磁敏检测单元构成无泄漏的扫描体，探头阵列沿圆周扫查实现不同的不规则横截面的活塞环探伤。采用多种空间敏感尺度的磁敏检测单元实现跨尺度缺陷的探伤，缺陷检出率高。

整个磁化及检测过程操作简便，易于实现高速自动化漏磁探伤，降低了检测成本,具有较广阔的应用前景。

附图说明

图1为串联闭合式磁化方法的环型磁路示意图

图2为多永磁体N,S极串联叠加示意图

图3为永磁体的转动控制装置示意图

图4为多个活塞环叠加同时磁化示意图

图5为工件剩磁法实施漏磁检测的示意图

图6为磁敏检测单元沿活塞环轴向阵列布置示意图

图7为磁敏检测单元沿活塞环周向阵列布置示意图

图8为一种基于串联闭合式磁化的活塞环探伤方法的装置示意图

图中：1.活塞环；2.永磁体；3.控制装置；4.多面探头阵列；5.剩磁；6.磁力线；7.机械装置；8.浮动跟随装置；9.转动轴；10.连接杆；11.电信号；12.弹簧；13.摇臂；1’.至少两个以上的活塞环；2’.片状永磁体；4’.磁敏检测单元；4”.磁传感器；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明：

如图1所示开口活塞环，其规格大小不一，截面形状不规则，厚度和宽度较小，常见缺陷较小。采用图1所示的串联闭合式磁化方法，永磁体2串联入活塞环1的开口间隙处，其N级与活塞环1开口一端贴和，S极与活塞环1开口的另一端贴合，形成完整的闭合环型磁回路，从而对活塞环进行所需强度的贯穿式均匀磁化。

根据具体的活塞环1开口间隙大小，采用图2所示的多个片状永磁体2’的N、S极串联叠加的方式，调节永磁体在磁化场有效方向(N,S)上的总厚度，从开口间隙处与活塞环串联。

对被检活塞环磁化后，采用图3所示的控制装置3，其一端与连接杆10相连，另一端连接外部的机电结构(图中未显示)，连接杆10垂直于转动轴9的轴向，连接杆10另一端与永磁体2相连，永磁体2的N、S级之间连线垂直于连接杆10。整个控制过程为：控制装置3的转动轴9实现连接杆10的转动，永磁体撤离开口间隙，对缺陷采用剩磁进行检测。外部机电结构控制转动角度，根据实际空间确定。若转动180°，则由图3中所示d位置转动到d’位置。

活塞环的厚度比较小，采用图4所示的至少两个以上的活塞环1’叠加的方式(c1，c2，…cn)，同时实现对多个活塞环的磁化，在大批量的检测中提高磁化效果和磁化效率。

依据上述方法完成磁化工序后，撤离外界磁场后，工件中留下最大剩磁5，在微小缺陷存在的地方，产生泄漏的磁力线6。采用多面探头阵列4(具体形态示意在图6中给出)，沿图5所示箭头e所示的方向扫查整个活塞环1。磁敏检测单元4'捕获到这种漏磁场信号后，转化为电信号11，电信号11(如图8所示)依次经过放大器、滤波器、A/D转换器与计算机数据处理系统相连，由计算机给出判断结果、报警和控制分拣。

采用磁传感器4”构成图7所示的磁敏检测单元4'，分别敏感不同尺度缺陷产生的漏磁场，俯视图6中a1,a2…an代表一组分别对不同尺度缺陷敏感的磁传感器4”，磁传感器4”采用小体积磁头或小型封装的霍尔传感器。磁传感器4”a1,a2…an以相同的磁敏感方向紧密排列，排列方向沿活塞环1圆周方向，磁传感器4”通过信号线与外部信号处理电路连接。单个磁敏检测单元4'单次仅能扫查一个端面，多个磁敏检测单元4'沿活塞环1截面周向排列构成图6所示多面探头阵列4(图6所示为多面探头阵列4以及活塞环1的截面)，各磁敏检测单元4'的有效检测范围进行叠加，形成无泄漏的扫描体。每组磁敏检测单元4'外部均采用非导磁材料进行封装，多组磁敏检测单元4'共同封装在多面探头阵列内部。

一种实施例为两个直角探头阵列4沿活塞环1截面的对角布置，压紧后共同完成对截面周向的覆盖，实现对横截面为矩形的活塞环多个待检面同时检测。多面阵列探头4的内侧贴合活塞环1进行扫查，每个多面探头阵列4外侧连接有浮动跟随装置8，可设计为气浮跟踪控制，由弹簧12和摇臂13来实现探头阵列4紧贴活塞环1的外轮廓面，实现稳定的扫查过程。如图8所示，浮动跟随装置8的另一端连接有机械装置7，机械装置7一种方案为位于活塞环1中心位置处的转动轴控制转动臂，从而带动探头阵列沿活塞环1轮廓面的浮动跟踪扫查，同时位于转动臂端部的控制器可实现探头阵列沿活塞环1的圆周方向运动以及即时开合功能，检测完成后，处于对称位置的两个直角探头阵列4沿浮动压紧的反向张开，等待下一个待检活塞环1，重复之前的检测过程。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本方案，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法,其特征步骤包括:

第1步，利用永磁体(2)内插入活塞环(1)的开口间隙处实现串联闭合式磁化；

第2步，活塞环(1)实现整周贯穿式磁化后，将永磁体(2)脱离活塞环(1)开口间隙，形成均匀剩磁(5)；

第3步，磁敏检测单元(4')环绕活塞环(1)端面沿圆周方向扫查,拾取缺陷信号并转化为电信号(11)，信号中的突变表达缺陷的存在。

2.根据权利要求1所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法，其特征在于:所述步骤2中永磁体(2)需从活塞环(1)开口间隙撤离，留下最大的均匀剩磁(5)，永磁体(2)对活塞环(1)磁化及撤出磁路由控制装置(3)控制。

3.根据权利要求1所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法,其特征在于:所述步骤3中的磁敏检测单元(4')为可以开合的多面探头阵列(4)沿活塞环(1)横截面四周围成无泄漏的扫描体，磁敏检测单元(4’)分别敏感不同尺度缺陷产生的漏磁场。

4.根据权利要求1和3所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法,其特征在于:永磁体(2)从活塞环(1)的开口间隙处磁化活塞环(1)的整周，永磁体(2)从活塞环(1)撤离后留下最大的剩磁；多面探头阵列(4)由机械装置(7)控制从活塞环(1)开口的一端开始，扫查轨迹沿圆周方向到另一端结束，多通道漏磁检测依次经过放大器、滤波器、A/D转换器与计算机数据处理系统相连，由计算机给出判断结果、报警和控制分拣。

5.根据权利要求1所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤方法,其特征在于活塞环(1)可采用至少两个以上的活塞环(1’)叠加的方式同时磁化。

6.一种实现权利要求1-5所述的基于串联闭合式磁化的活塞环探伤装置，包括永磁体(2)、磁敏检测单元(4')，磁敏检测单元(4')依次连接放大器、滤波器、A/D转换器与计算机数据处理系统，其特征在于：所述永磁体(2)填充活塞环(1)开口间隙，用于磁化活塞环(1)；所述永磁体(2)活动连接控制装置(3)；所述磁敏检测单元(4')由一组磁传感器(4”)构成，所述磁敏检测单元(4')用至少两种以上空间敏感尺度磁检测探头构成，形成至少两个以上磁敏检测单元(4')，磁传感器(4”)组以相同的磁敏感方向紧密排列，排列方向沿活塞环(1)圆周方向，磁敏检测单元(4')沿活塞环(1)横截面周向布置成多面探头阵列(4)；每个磁敏检测单元(4')外部采用非导磁材料封装，所述磁敏检测单元(4')共同封装在多面探头阵列(4)的内部；所述多面探头阵列(4)紧贴活塞环(1)的外轮廓面，每个多面探头阵列(4)外侧连接有浮动跟随装置(8)，浮动跟随装置(8)的另一端连接有机械装置(7)。

7.根据权利要求6所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤装置，其特征在于所述永磁体(2)采用单个永磁体或片状永磁体(2’)串联叠加的方式；所述永磁体(2)为片状永磁体(2’)时，每个片状永磁体(2’)的N、S极串联叠加，所述永磁体(2)在磁化场有效方向(N，S)上的总厚度，填充满活塞环(1)的开口间隙，N级与活塞环(1)开口一端贴合，S极与活塞环(1)开口的另一端贴合。

8.根据权利要求6所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤装置，其特征在于所述控制装置(3)包括转动轴(9)和连接杆(10)，连接杆(10)的一端垂直于转动轴(9)的轴向转动连接，连接杆(10)另一端与永磁体(2)活动连接。

9.根据权利要求6所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤装置，其特征在于所述浮动跟随装置(8)为气浮跟踪控制，包括弹簧(12)、摇臂(13)，摇臂(13)置于弹簧(12)内。

10.根据权利要求6所述的一种基于串联闭合式磁化的活塞环剩磁探伤装置，其特征在于活塞环(1)横截面为矩形时，两个直角多面探头阵列(4)沿活塞环(1)横截面对角布置。