CN105890826B - 基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法及装置 - Google Patents

基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法及装置 Download PDF

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Abstract

基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法及装置，属于钢制叶片的残余应力无损检测。通过自动化机械手夹持微磁探头沿钢制叶片扫查，检测微磁信号，提取出增量磁导率以表征残余应力，最终获取叶片整体的残余应力分布情况。检测装置主要包括机械手、微磁探头、系统控制及微磁信号采集处理等部分。可工作于两种模式：叶片运动被检测模式，微磁探头固定安装在工作台底座上，机械手末端安装钳形夹具，夹持叶片相对微磁探头沿预设曲面移动，实现叶片双面检测；探头运动扫查模式，钢制叶片固定安装在开口环形夹具上，机械手末端夹持微磁探头沿钢制叶片表面进行扫查，旋转驱动机构可实现叶片翻转完成双面检测。

Description

基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法及 装置
技术领域：
本发明涉及钢制叶片表面残余应力无损检测技术，具体涉及基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法及装置。
背景技术：
汽轮机在工业应用中，末级叶片工作环境极其恶劣。水蚀、应力腐蚀、疲劳常会造成叶片的损坏和失效。叶片断裂往往导致整个机组发生严重的安全事故。常采用两种工艺措施来提高叶片的抗水蚀能力，首先是在叶片进汽边进行局部高频淬火强化。叶片经局部高频淬火后，虽然其防水蚀能力得到提高，但高频淬火会使组织应力发生变化。在高频淬火区中形成的残余应力为压应力，基材区为压应力，同时使得过渡区产生拉应力。由于过渡区组织的不均匀以及残余应力状态的变化，该区域成为叶片最薄弱的部位。然后采用喷丸强化能够在叶片表层引入有益的残余压应力。从而有效地提高了叶片的疲劳性能和抗应力腐蚀等性能，提高了其使用寿命。
喷丸残余压应力的大小及分布是影响喷丸强化效果的关键因素。因此，残余应力的检测对于汽轮机的钢制叶片来说有着极其重要的意义。当前工程应用中，叶片残余应力的检测多为有损测量。且测量方法复杂，操作繁琐，测量仪器价格较贵。发明一种对叶片残余应力非接触、易测量、无损伤的检测方法及装置是迫切需要的。
发明内容：
本发明的目的是：提出一种基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法，并为该方法的实施提供检测装置，具备两种工作模式，实现对不同尺寸大小钢制叶片表面残余应力的无损、快速检测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于应力改变钢制叶片材料磁导率的物理原理，采用微磁探头对叶片施加高、低频混合磁场进行磁化，通过单一霍尔元件检测叶片表面的磁感应信号，该信号的低频成分为切向磁场强度信号，高频成分解调后得到的虚部只代表材料磁导率的信息；以切向磁场强度信号为横坐标，虚部为纵坐标，得到增量磁导率曲线，曲线的特征参数(峰值、半峰宽等)可用于表征拉、压应力的大小。
基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测装置，其特征在于，包括：机械手(1)、机械手运动控制器(2)、钳形夹具(3)、待测叶片(4)、微磁探头(5)、微磁探头工作台底座(6)、开口环形夹具(7)、驱动轴(8)、滚动轴承(9)、联轴器(10)、驱动电机(11)、系统控制及微磁信号采集处理模块；
机械手(1)与机械手运动控制器(2)固定连接，机械手运动控制器(2)用于控制机械手(1)的运动；机械手(1)的末端能通过钳形夹具(3)并固定待测叶片或通过微磁探头工作台底座(6)固定微磁探头(5)；
微磁探头(5)通过微磁探头工作台底座(6)与系统控制及微磁信号采集处理模块连接；微磁探头主要由U型轭铁(16)、霍尔元件(20)、励磁线圈(15)、屏蔽层(18)等组成。励磁线圈绕在U型轭铁底部，U型轭铁开口端与被测叶片表面贴合，霍尔元件放置于U型轭铁U型口中部以检测叶片表面的磁场变化，霍尔元件与U型轭铁之间各设有一屏蔽层(18)；系统控制及微磁信号采集处理模块包括微磁信号检测模块、电机驱动控制模块、机械手运动控制模块以及计算机；微磁信号检测模块包括采集卡、任意信号发生板卡、双极性电源，计算机与任意信号发生板卡连接，任意信号发生板卡与双极性电源连接，双极性电源与微磁探头的励磁线圈连接；微磁探头的霍尔元件与采集卡连接，采集卡与计算机连接。机械手运动控制器(2)通过机械手运动控制模块与计算机连接；
开口环形夹具(7)能够夹持待测叶片(4)，开口环形夹具(7)的驱动轴通过联轴器与驱动电机的驱动轴联接，实现驱动电机带动开口环形夹具转动并带动待测叶片(4)的翻转。
采用本发明的装置可以实现两种工作模式。
基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测方法，根据叶片的大小可以分为两种工作模式：
叶片运动被检测模式：在该模式下，微磁探头工作台底座固定，微磁探头固定于微磁探头工作台底座上；机械手末端更换为钳形夹具，通过钳形夹具夹持T形叶片叶根部位，依据计算机中运动轨迹控制程序给出的命令，机械手携带T形叶片以预设速度、沿预设曲面移动或偏转，以确保叶片表面被微磁探头全面检测。单次检测过程中，任意信号发生板卡输出高、低频叠加信号，经过双极性电源进行功率放大后，输出至微磁探头的励磁线圈，对钢制叶片进行局域磁化；霍尔元件的检测电压信号输出至采集卡，并最终上传至计算机用于数字信号解调。
探头运动扫查模式。该模式下机械手末端的末端通过微磁探头工作台底座固定住微磁探头；由开口环形夹具夹持T型叶片的叶根部位，并在开口环形夹具对称的两侧配有两个紧固螺钉，以紧固T形叶片。驱动电机通过电机驱动控制模块与计算机连接，开口环形夹具的驱动轴通过联轴器与驱动电机的联接，当电机带动驱动轴旋转时，实现开口环形夹具及其夹持的T型叶片整体翻转。机械手(1)末端的固定微磁探头(5)，与微磁探头(5)连接的微磁信号检测模块与机械手运动控制器均通过计算机连接进行同步协作与参数控制，基本与叶片运动被检测模式装置相同。
本发明微磁探头主要由U型轭铁(16)、霍尔元件(20)、励磁线圈(15)、屏蔽层(18)等组成。励磁线圈绕在U型轭铁底部，U型轭铁开口端与被测叶片表面贴合，霍尔元件放置于U型轭铁U型口中部以检测叶片表面的磁场变化，霍尔元件与U型轭铁之间各设有一屏蔽层(18)。微磁信号检测模块包括采集卡、任意信号发生卡、双极性电源，计算机与任意信号发生板卡连接，任意信号发生板卡与双极性电源连接，双极性电源与微磁探头的励磁线圈连接；微磁探头的霍尔元件与采集卡连接，采集卡与计算机连接。
微磁探头主要由U型轭铁、霍尔元件、励磁线圈等组成。励磁线圈绕在U型轭铁底部，U型轭铁开口端与被测叶片表面贴合，霍尔元件放置于U型轭铁中部以检测叶片表面的磁场变化。检测时，励磁线圈中通入高、低频正弦波叠加励磁信号，霍尔元件输出电压信号经过低通滤波后，得到的低频成分代表叶片表面切向磁场强度时变信号；霍尔元件输出电压信号经过高通滤波，得到的高频成分经解调后得到实部与虚部时变信号，其中虚部时变信号只反映材料磁导率信息。以切向磁场强度时变信号为横坐标，虚部时变信号为纵坐标，得到的蝶形曲线即为增量磁导率曲线。该曲线为材料固有磁特性曲线，其特征参数(如峰值、半峰宽等)受材料拉、压残余应力应力大小影响，影响规律可通过预先标定实验获取并以关系方程描述。
为钢制叶片制造质量控制提供了一种基于微磁检测的，适用于叶片快速扫查的方法及检测装置。检测原理为利用增量磁导率的变化表征材料表面残余应力分布，检测装置可工作于两种模式：叶片运动被检测模式，适用于小型叶片的检测；探头运动扫查模式，适用于大型叶片的检测。在现有工业自动化装备技术支持下，所公布的检测装置完全可实现自动化操作，对钢制叶片制造质量进行在线、快速评价。
本发明采用以上技术方案，基于应力改变钢制叶片材料磁导率的物理原理，采用微磁探头对叶片施加高、低频混合磁场进行磁化，通过单一霍尔元件检测叶片表面的磁感应信号，该信号的低频成分为切向磁场强度信号，高频成分解调后得到的虚部只代表材料磁导率的信息；以切向磁场强度信号为横坐标，虚部为纵坐标，得到增量磁导率曲线，曲线的特征参数(峰值、半峰宽等)可用于表征拉、压应力的大小。检测装置主要包括机械手、微磁探头、微磁信号检测装置、机械手运动控制器等部分，可工作于两种模式：叶片运动被检测模式(适用于小型叶片)，微磁探头固定安装在工作台底座上，机械手末端安装钳形夹具，夹持叶片相对微磁探头沿预设曲面移动，实现叶片双面检测；探头运动扫查模式(适用于大型叶片)，钢制叶片固定安装在开口环形夹具上，机械手末端夹持微磁探头沿钢制叶片表面进行扫查，旋转驱动机构可实现叶片翻转完成双面检测。检测装置工作于两种模式时，依据预先标定的增量磁导率曲线特征参数与拉、压应力的关系方程，通过检测叶片表面各处的增量磁导率曲线，提取相应特征参数，代入关系方程估算出残余应力分布情况。
附图说明：
图1工作于叶片运动被检测模式下的微磁无损检测装置示意图；
图2，工作于探头运动扫查模式下的微磁无损检测装置示意图；
1、机械手，2、机械手运动控制器，3、钳形夹具，4、T形叶片，5、微磁探头，6、微磁探头工作台底座，7、开口环形夹具，8、驱动轴，9、滚动轴承，10、联轴器，11、驱动电机，12、基座，13、轴承支撑板，14、紧固螺钉；
图3微磁传感器内部主要结构示意图。
图3中所示，15、励磁线圈，16、U型轭铁，17、提离距离，18、屏蔽层，19、被测叶片，20、霍尔元件。
图4(a)为高、低频正弦信号叠加励磁信号波形，(b)为霍尔元件输出电压信号波形。
图5为霍尔元件输出信号经低通滤波后得到的切向磁场强度时变信号。
图6为霍尔元件输出信号经高通滤波后得到的时域波形及其阻抗虚部时变信号。
图7为不同应力条件下的增量磁导率曲线。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步说明。且以下说明只是描述性的，而不是限定性的，不能以此来限定本发明的保护范围。
本发明的装置见附图1和2的综合。包括：机械手1、机械手运动控制器2、钳形夹具3、待测叶片4、微磁探头5、微磁探头工作台底座6、开口环形夹具7、驱动轴8、滚动轴承9、联轴器10、驱动电机11、系统控制及微磁信号采集处理模块；
机械手1与机械手运动控制器2固定连接，机械手运动控制器2用于控制机械手1的运动；机械手1的末端能通过钳形夹具3并固定待测叶片或通过微磁探头工作台底座6固定微磁探头5；
微磁探头5通过微磁探头工作台底座6与系统控制及微磁信号采集处理模块连接；发明微磁探头主要由U型轭铁16、霍尔元件20、励磁线圈15、屏蔽层18等组成。励磁线圈绕在U型轭铁底部，U型轭铁开口端与被测叶片表面贴合，霍尔元件放置于U型轭铁U型口中部以检测叶片表面的磁场变化，霍尔元件与U型轭铁之间各设有一屏蔽层18；系统控制及微磁信号采集处理模块包括微磁信号检测模块、电机驱动控制模块以及计算机；微磁信号检测模块包括采集卡、任意信号发生卡、双极性电源，计算机与任意信号发生板卡连接，任意信号发生板卡与双极性电源连接，双极性电源与微磁探头的励磁线圈连接；微磁探头的霍尔元件与采集卡连接，采集卡与计算机连接。
机械手运动控制器2与计算机连接；
开口环形夹具7能够夹持待测叶片4，开口环形夹具7的驱动轴通过联轴器与驱动电机的驱动轴联接，实现驱动电机带动开口环形夹具转动并带动待测叶片4的翻转；
实施例1
对于小型的T形叶片4，利用工作于叶片运动被检测模式下的微磁无损检测装置(图1)进行检测。机械手1末端的钳形夹具3夹持T形叶片4叶根部位。机械手1固定在机械手运动控制器2上。微磁探头5固定于工作台底座6上。
上面介绍的检测模式在工作时，机械手1依据计算机中运动轨迹控制程序给出的命令，携带T形叶片4以预设速度、沿预设曲面移动或偏转，以确保T形叶片4表面被微磁探头5全面检测。
对于大型的T型叶片4，利用工作于探头运动扫查模式下微磁无损检测装置(图2)进行检测。机械手1持有微磁探头5，并固定在机械手运动控制器2上。开口环形夹具7夹持T型叶片4的叶根部位，并在其对称的两侧配有两个紧固螺钉14，以达到紧固的目的。同时开口环形夹具7的另一端的驱动轴8，穿过两个轴承支撑板13与驱动电机11通过联轴器10相连，轴承支撑板13内配有滚动轴承9。轴承支撑板13和驱动电机11固定在同一基座12上。
上面介绍的检测装置在工作时，首先将T形叶片4放置在开口环形夹具7上，通过调节两侧的紧固螺钉14进行预紧。机械手2依据计算机中运动轨迹控制程序给出的命令，夹持微磁探头5以预设速度、沿预设曲面移动，以确保叶片表面被微磁探头全面检测。当单侧检测完成时，驱动电机11会带动T型叶片4整体翻转。然后按照同样的方式完成另一侧的检测。
微磁探头的内部主要结构(图3)是由励磁线圈15、U型轭铁16、屏蔽层18、霍尔元件20等组成。励磁线圈15绕在U型轭铁16底部，U型轭铁16开口端与被测叶片表面贴合，霍尔元件20放置于U型轭铁16中部以检测叶片表面的磁场变化。屏蔽层18放置于U型轭铁16内部、霍尔元件20两侧，并平行于两侧的U型轭铁16。磁力线沿U型轭铁16和被测叶片19形成回环。
当上述装置工作时，任意信号发生板卡输出高、低频叠加信号(图4-a)，经过双极性电源进行功率放大后，输出至微磁探头5的励磁线圈15，对T形叶片4进行局域磁化；霍尔元件20的检测电压信号(图4-b)输出至采集卡，并最终上传至计算机用于数字信号解调。
霍尔元件输出电压信号经过低通滤波后，得到的低频成分代表叶片表面切向磁场强度时变信号(图5)；霍尔元件输出电压信号经过高通滤波，得到的高频成分经解调后得到实部与虚部时变信号(图6)，其中虚部时变信号只反映材料磁导率信息。以切向磁场强度时变信号为横坐标，虚部时变信号为纵坐标，得到的蝶形曲线即为增量磁导率曲线(图7)。该曲线为材料固有磁特性曲线，其特征参数(如峰值、半峰宽等)受材料拉、压残余应力应力大小影响，影响规律可通过预先标定实验获取并以关系方程描述。依据预先标定的增量磁导率曲线特征参数与拉、压应力的关系方程，通过检测叶片表面各处的增量磁导率曲线，提取相应特征参数，代入关系方程估算出残余应力分布情况。

Claims (4)

1.基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测的装置，其特征在于，包括：机械手(1)、机械手运动控制器(2)、钳形夹具(3)、待测叶片(4)、微磁探头(5)、微磁探头工作台底座(6)、开口环形夹具(7)、驱动轴(8)、滚动轴承(9)、联轴器(10)、驱动电机(11)、系统控制及微磁信号采集处理模块；
机械手(1)与机械手运动控制器(2)固定连接，机械手运动控制器(2)用于控制机械手(1)的运动；机械手(1)的末端能通过钳形夹具(3)固定待测叶片或通过微磁探头工作台底座(6)固定微磁探头(5)；
微磁探头(5)通过微磁探头工作台底座(6)与系统控制及微磁信号采集处理模块连接；微磁探头主要由U型轭铁(16)、霍尔元件(20)、励磁线圈(15)、屏蔽层(18)组成；励磁线圈绕在U型轭铁底部，U型轭铁开口端与被测叶片表面贴合，霍尔元件放置于U型轭铁U型口中部以检测叶片表面的磁场变化，霍尔元件与U型轭铁之间各设有一屏蔽层(18)；系统控制及微磁信号采集处理模块包括微磁信号检测模块、电机驱动控制模块、机械手运动控制模块以及计算机；微磁信号检测模块包括采集卡、任意信号发生板卡、双极性电源，计算机与任意信号发生板卡连接，任意信号发生板卡与双极性电源连接，双极性电源与微磁探头的励磁线圈连接；微磁探头的霍尔元件与采集卡连接，采集卡与计算机连接；
机械手运动控制器(2)通过机械手运动控制模块与计算机连接；
开口环形夹具(7)能够夹持待测叶片(4)，开口环形夹具(7)的驱动轴通过联轴器与驱动电机的驱动轴联接，实现驱动电机带动开口环形夹具转动并带动待测叶片(4)的翻转。
2.利用权利要求1所述的基于增量磁导率的钢制叶片残余应力微磁无损检测的装置进行检测的方法，其特征在于，实现两种工作模式：叶片运动被检测模式和探头运动扫查模式。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，叶片运动被检测模式：在该模式下，微磁探头工作台底座固定，微磁探头固定于微磁探头工作台底座上；机械手末端更换为钳形夹具，通过钳形夹具夹持T形叶片叶根部位，依据计算机中运动轨迹控制程序给出的命令，机械手携带T形叶片以预设速度、沿预设曲面移动或偏转，以确保叶片表面被微磁探头全面检测；单次检测过程中，任意信号发生板卡输出高、低频叠加信号，经过双极性电源进行功率放大后，输出至微磁探头的励磁线圈，对钢制叶片进行局域磁化；霍尔元件的检测电压信号输出至采集卡，并最终上传至计算机用于数字信号解调。
4.按照权利要求2的方法，其特征在于，探头运动扫查模式，该模式下机械手末端通过微磁探头工作台底座固定住微磁探头；由开口环形夹具夹持T型叶片的叶根部位，并在开口环形夹具对称的两侧配有两个紧固螺钉，以紧固T形叶片；驱动电机通过电机驱动控制模块与计算机连接，开口环形夹具的驱动轴通过联轴器与驱动电机的联接，当电机带动驱动轴旋转时，实现开口环形夹具及其夹持的T型叶片整体翻转；机械手(1)末端的固定的微磁探头(5)，与微磁探头(5)连接的微磁信号检测模块与机械手运动控制器均通过计算机连接进行同步协作与参数控制。
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