軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及軋輥質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種軋輥疲勞硬化層無損檢測(cè)方法。一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，首先準(zhǔn)備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標(biāo)準(zhǔn)試塊，在已知的、帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標(biāo)準(zhǔn)試塊上，進(jìn)行聲表面波二次諧波的檢測(cè)，得到二次諧波的發(fā)生強(qiáng)弱與硬化層厚度的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用聲表面波對(duì)被測(cè)軋輥進(jìn)行檢測(cè)，將結(jié)果與對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)比得到對(duì)應(yīng)的疲勞硬化層的厚度值。本發(fā)明采用超聲表面波傳播過程中的非線性二次諧波發(fā)生效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥疲勞硬化層的檢測(cè)，為實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)軋輥疲勞硬化層提供一種有效的無損檢測(cè)手段，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以很好的配合鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)軋輥的優(yōu)化磨削工作，節(jié)約了生產(chǎn)成本，保證了生產(chǎn)安全。
【專利說明】軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及軋輥質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種軋輥疲勞硬化層無損檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軋機(jī)是現(xiàn)代化冶金企業(yè)的關(guān)鍵工藝設(shè)備，而軋輥又是軋機(jī)的關(guān)鍵核心部件，其使用性能直接決定著軋機(jī)穩(wěn)定、產(chǎn)線順行、生產(chǎn)消耗及產(chǎn)品質(zhì)量。軋輥?zhàn)罱?jīng)濟(jì)安全的使用對(duì)生產(chǎn)意義很大，軋輥工作時(shí)較大的接觸疲勞應(yīng)力會(huì)造成軋輥表層產(chǎn)生疲勞層，其引起的接觸疲勞損壞是國內(nèi)許多鋼鐵企業(yè)普遍發(fā)生的現(xiàn)象。為了預(yù)防軋輥開裂、剝落事故，必須開發(fā)能夠確保軋輥安全穩(wěn)定運(yùn)行的針對(duì)軋輥疲勞損傷的無損檢測(cè)技術(shù)，尤其是能夠在可見開裂的起始階段就能實(shí)現(xiàn)有效的檢測(cè)。
[0003]目前，與軋輥有關(guān)的檢測(cè)技術(shù)主要包括渦流檢測(cè)、輥身硬度檢測(cè)、超聲波探傷檢測(cè)、以及X-ray檢測(cè)，各種方法側(cè)重不同，檢測(cè)能力存在差異，而針對(duì)軋輥疲勞硬化層的檢測(cè)評(píng)價(jià)，資料檢索顯示在此【技術(shù)領(lǐng)域】國內(nèi)外尚無有效的檢測(cè)技術(shù)信息，因此，目前鋼鐵生產(chǎn)尚缺乏有效的方便鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的軋輥疲勞硬化層檢測(cè)方法和設(shè)備。各種檢測(cè)軋輥的無損檢測(cè)方法有:
I)渦流檢測(cè):目前軋輥檢測(cè)很大程度上依賴自動(dòng)渦流檢測(cè)技術(shù)，因?yàn)槠錆B透率低，所以主要用于檢測(cè)輥面缺陷，渦流檢測(cè)可用于檢測(cè)肉眼不可見的缺陷，如剝落裂紋、熱裂紋等。渦流檢測(cè)可以用于不同材質(zhì)、不同直徑的工作輥和軋輥。渦流檢測(cè)速度高、成本低，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，探頭不用接觸輥面。但是由于疲勞硬化層分布深度最大也不過幾百微米，采用渦流方法難以滿足對(duì)如此薄層材質(zhì)電磁性質(zhì)的改變進(jìn)行探測(cè)的要求，并且渦流檢測(cè)信號(hào)容易被外界干擾，更會(huì)增加檢測(cè)難度。
[0004]2)硬度檢測(cè):常規(guī)硬度檢測(cè)跟蹤可以了解軋輥的工作硬化程度。通過硬度檢測(cè)，將軋輥修磨后硬度與供貨硬度的差別控制在一定范圍內(nèi)，可以有效避免加工硬化裂紋的產(chǎn)生。硬度檢測(cè)是一種動(dòng)態(tài)力檢測(cè)，常用的肖氏硬度計(jì)是一種輕便的手提式儀器，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，測(cè)試效率高，但與布、洛、維等靜態(tài)力試驗(yàn)法相比，準(zhǔn)確度稍差，受測(cè)試時(shí)的垂直性、試樣表面光潔度等因素的影響，數(shù)據(jù)分散性較大，其測(cè)試結(jié)果的比較只限于彈性模量相同的材料，對(duì)試樣的厚度和重量都有一定要求，不適于較薄的疲勞硬化層，而且軋輥輥身各處硬度存在差異，硬度檢測(cè)難以精確量化分析評(píng)價(jià)微觀的疲勞層。
[0005]3)x-ray檢測(cè):早在上世紀(jì)80年代，國外鋼鐵業(yè)界就對(duì)軋輥疲勞硬化層采用X_ray方法進(jìn)行了深入研究，對(duì)疲勞應(yīng)變期間材料晶格結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的變化和疲勞極限進(jìn)行了 X -ray檢測(cè)分析，但基于上述檢測(cè)手段能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)疲勞損傷進(jìn)行定量判定的辦法卻很少。有技術(shù)人員采用對(duì)X-ray衍射線的半高寬進(jìn)行測(cè)量的方法，對(duì)疲勞破壞的機(jī)理進(jìn)行了深入研究分析，試圖實(shí)現(xiàn)疲勞硬化層的無損檢測(cè)并能夠定量評(píng)價(jià)，當(dāng)時(shí)該方法的硬件計(jì)數(shù)系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)，似乎可以用于實(shí)踐。相比其它檢測(cè)手段而言，X-ray衍射方法在疲勞發(fā)展成為可見的開裂之前是一種有效的檢測(cè)手段，但是該方法的最大問題在于其檢測(cè)深度有限，只能夠?qū)Ρ砻嫦录s20微米的深度范圍內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，相比軋輥幾百微米的疲勞硬化層，實(shí)現(xiàn)徹底檢測(cè)的工作量很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，該方法采用超聲表面波傳播過程中的非線性二次諧波發(fā)生效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥疲勞硬化層的檢測(cè)，為實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)軋輥疲勞硬化層提供一種有效的無損檢測(cè)手段，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)
確可靠。
[0007]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，包括以下步驟:
步驟一、準(zhǔn)備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標(biāo)準(zhǔn)試塊，系列標(biāo)準(zhǔn)試塊上疲勞硬化層的厚度為已知的；
步驟二、采用聲表面波對(duì)系列標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行探測(cè)得到與系列標(biāo)準(zhǔn)試塊一一對(duì)應(yīng)的一系列基頻和二次諧波信號(hào)，并對(duì)該一系列的基頻和二次諧波信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到與系列標(biāo)準(zhǔn)試塊一一對(duì)應(yīng)的一系列標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)，該一系列標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)即為對(duì)應(yīng)厚度的疲勞硬化層的標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)；
步驟三、采用聲表面波對(duì)被測(cè)軋輥進(jìn)行檢測(cè)，得到被測(cè)軋輥的基頻和二次諧波信號(hào)，將該基頻和二次諧波信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到實(shí)測(cè)頻域信號(hào)；
步驟四、將實(shí)測(cè)頻域信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)進(jìn)行對(duì)比得到對(duì)應(yīng)的疲勞硬化層的厚度值。
[0008]所述步驟二和步驟三之間還包括對(duì)被測(cè)軋輥表面進(jìn)行磨光的步驟。
[0009]所述步驟四后還包括繪制軋輥周身疲勞硬化層厚度分布的步驟，具體為在被測(cè)軋輥上的不同位置進(jìn)行重復(fù)步驟三、四，得到被測(cè)軋輥周身各位置點(diǎn)上的疲勞硬化層分布。
[0010]該檢測(cè)方法最后還包括驗(yàn)證步驟，具體為將被測(cè)軋輥逐層減薄后重復(fù)步驟三、四，得到每次減薄后的疲勞硬化層的厚度值，比較逐層減薄的結(jié)果與測(cè)量結(jié)果是否一致。
[0011]所述逐層減薄為使用固定型號(hào)的砂紙，按固定壓下力和固定摩擦次數(shù)砂磨軋輥試樣表面。
[0012]所述的步驟中采用聲表面波進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備為斜劈超聲換能器。
[0013]本發(fā)明軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法中采用超聲表面波傳播過程中的非線性二次諧波發(fā)生效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥疲勞硬化層的檢測(cè)，通過在已知的、帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標(biāo)準(zhǔn)試塊上，進(jìn)行聲表面波二次諧波的檢測(cè)，得到經(jīng)過傅立葉變換后在頻域聲表面波的二次諧波的發(fā)生強(qiáng)弱與硬化層厚度的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后在得到的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系的基礎(chǔ)上，再通過聲表面波與未知疲勞硬化層作用得到的二次諧波信號(hào)的強(qiáng)弱比對(duì)分析，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)軋輥硬化層厚度的檢測(cè)；為實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)軋輥疲勞硬化層提供一種有效的無損檢測(cè)手段，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，可以很好的配合鋼鐵生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)軋輥的優(yōu)化磨削工作，節(jié)約了生產(chǎn)成本，保證了生產(chǎn)安全。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法流程框圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中每次減薄后測(cè)量得到的基頻在頻域的波幅和二次諧波在頻域的波幅圖，橫坐標(biāo)為減薄次數(shù)，縱坐標(biāo)為聲壓，實(shí)心方框?yàn)榛l在頻域的聲壓，空心三角為二次諧波在頻域的聲壓。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明表述的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0016]實(shí)施例1
如圖1所示，一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，包括以下步驟:步驟一、準(zhǔn)備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標(biāo)準(zhǔn)試塊，系列標(biāo)準(zhǔn)試塊上疲勞硬化層的厚度為已知的；
步驟二、通過斜劈超聲換能器采用聲表面波對(duì)系列標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行探測(cè)得到與系列標(biāo)準(zhǔn)試塊一一對(duì)應(yīng)的一系列基頻和二次諧波信號(hào)，并對(duì)該一系列的基頻和二次諧波信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到與系列標(biāo)準(zhǔn)試塊一一對(duì)應(yīng)的一系列標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)，該一系列標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)即為對(duì)應(yīng)厚度的疲勞硬化層的標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)；
在本發(fā)明中采用聲表面波的基頻和二次諧波信號(hào)來對(duì)軋輥表面硬化層進(jìn)行檢測(cè)是因?yàn)橐话阏f來，軋輥表面硬化層的厚度較薄，僅在微觀結(jié)構(gòu)上不同于硬化層形成之前的軋輥材質(zhì)。若僅測(cè)量軋輥表面部位的橫、縱波聲速和或聲衰減，難以對(duì)是否存在硬化層進(jìn)行評(píng)價(jià)。伴隨基頻聲波傳播所發(fā)生的二次諧波信號(hào)直接依賴于材料的三階彈性常數(shù)，直接依賴于材料的三階彈性常數(shù)，材料的三階彈性常數(shù)或非線性聲學(xué)參數(shù)又與材料的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，可以敏感地反映出材料微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化；通過準(zhǔn)確測(cè)量基頻聲波的二次諧波信號(hào)，可以得到三階彈性常數(shù)或非線性聲學(xué)參數(shù)的相關(guān)信息，進(jìn)而可對(duì)硬化層引起的材料性質(zhì)的細(xì)微改變進(jìn)行評(píng)價(jià)；
步驟三、通過斜劈超聲換能器采用聲表面波對(duì)被測(cè)軋輥進(jìn)行檢測(cè)，得到被測(cè)軋輥的基頻和二次諧波信號(hào)，將該基頻和二次諧波信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到實(shí)測(cè)頻域信號(hào)；檢測(cè)中保持斜劈超聲換能器與被測(cè)軋輥表面相對(duì)位置固定，并保持檢測(cè)步驟中的所有檢測(cè)條件與針對(duì)帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標(biāo)準(zhǔn)試塊的聲表面波二次諧波的檢測(cè)條件相同；為了使得被測(cè)軋輥表面粗糙度與系列標(biāo)準(zhǔn)試塊表面粗糙度一直，以提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在對(duì)被測(cè)軋輥進(jìn)行檢測(cè)前先對(duì)被測(cè)軋輥表面進(jìn)行磨光操作；
步驟四、將實(shí)測(cè)頻域信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)進(jìn)行對(duì)比得到對(duì)應(yīng)的疲勞硬化層的厚度值。
[0017]步驟五、繪制軋輥周身疲勞硬化層厚度分布的步驟，具體為在被測(cè)軋輥上的不同位置進(jìn)行重復(fù)步驟三、四，得到被測(cè)軋輥周身各位置點(diǎn)上的疲勞硬化層分布。
[0018]為了確認(rèn)以上檢測(cè)方法的有效性，在檢測(cè)完成后對(duì)被測(cè)軋輥逐層減薄后重復(fù)步驟三、四，得到每次減薄后的疲勞硬化層的厚度值，比較逐層減薄的結(jié)果與測(cè)量結(jié)果是否一致。
[0019]在本實(shí)施例中，聲表面波米用斜劈超聲換能器自發(fā)自收方式，在被測(cè)軋棍上傳播距離為11.5cm ;基頻f(t)傳播所發(fā)生的二次諧波信號(hào)，載波頻率f=2.3MHz，在每次測(cè)試中，均保持斜劈超聲換能器和被測(cè)軋輥之間的接觸穩(wěn)定，聲表面波回波信號(hào)二次諧波的放大增益比基波的放大增益高出50dB，所述逐層減薄為使用固定240號(hào)的氧化鋁水砂紙，按固定5千克壓下力，每次減薄用砂紙砂磨被測(cè)軋輥表面100次，總計(jì)進(jìn)行了 22次減薄與測(cè)量，如圖2，表1所示為每次減薄后測(cè)量得到的基頻/(t)在頻域的波幅 ω /V和二次諧波A2(t)在頻域的波幅⑵/V，減薄次數(shù)N=O表示硬化層厚度為最初狀態(tài)，減薄次數(shù)N越多，表示硬化層厚度越來越薄，當(dāng)進(jìn)行第22次減薄時(shí)，N=23，采用(什么樣的設(shè)備比如)實(shí)際測(cè)量被測(cè)軋輥的半徑共減小Ar =0.26mm，亦即每減薄被測(cè)軋輥I次，相當(dāng)于硬化層厚度平均減小
11.8mm η
【權(quán)利要求】
1.一種軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一、準(zhǔn)備好帶有不同疲勞硬化層厚度的系列標(biāo)準(zhǔn)試塊，系列標(biāo)準(zhǔn)試塊上疲勞硬化層的厚度為已知的； 步驟二、采用聲表面波對(duì)系列標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行探測(cè)得到與系列標(biāo)準(zhǔn)試塊一一對(duì)應(yīng)的一系列基頻和二次諧波信號(hào)，并對(duì)該一系列的基頻和二次諧波信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到與系列標(biāo)準(zhǔn)試塊一一對(duì)應(yīng)的一系列標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)，該一系列標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)即為對(duì)應(yīng)厚度的疲勞硬化層的標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)； 步驟三、采用聲表面波對(duì)被測(cè)軋輥進(jìn)行檢測(cè)，得到被測(cè)軋輥的基頻和二次諧波信號(hào)，將該基頻和二次諧波信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，得到實(shí)測(cè)頻域信號(hào)； 步驟四、將實(shí)測(cè)頻域信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)頻域信號(hào)進(jìn)行對(duì)比得到對(duì)應(yīng)的疲勞硬化層的厚度值。
2.如權(quán)利要求1所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，其特征是:所述步驟二和步驟三之間還包括對(duì)被測(cè)軋輥表面進(jìn)行磨光的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，其特征是:所述步驟四后還包括繪制軋輥周身疲勞硬化層厚度分布的步驟，具體為在被測(cè)軋輥上的不同位置進(jìn)行重復(fù)步驟三、四，得到被測(cè)軋輥周身各位置點(diǎn)上的疲勞硬化層分布。
4.如權(quán)利要求1所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，其特征是:該檢測(cè)方法最后還包括驗(yàn)證步驟，具體為將被測(cè)軋輥逐層減薄后重復(fù)步驟三、四，得到每次減薄后的疲勞硬化層的厚度值，比較逐層減薄的結(jié)果與測(cè)量結(jié)果是否一致。
5.如權(quán)利要求4所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，其特征是:所述逐層減薄為使用固定型號(hào)的砂紙，按固定壓下力和固定摩擦次數(shù)砂磨軋輥試樣表面。
6.如權(quán)利要求f5中任意一權(quán)利要求所述的軋輥疲勞硬化層的超聲表面波非線性檢測(cè)方法，其特征是:所述的步驟中采用聲表面波進(jìn)行檢測(cè)的設(shè)備為斜劈超聲換能器。
【文檔編號(hào)】G01N29/04GK103926312SQ201310013983
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月15日
【發(fā)明者】孫大樂, 鄧明晰, 張國星 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司, 中國人民解放軍后勤工程學(xué)院