轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法
【专利摘要】本发明涉及轧辊质量检测领域，尤其涉及一种轧辊疲劳硬化层无损检测方法。一种轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，首先准备好带有不同疲劳硬化层厚度的系列标准试块，在已知的、带有不同疲劳硬化层厚度的系列标准试块上，进行声表面波二次谐波的检测，得到二次谐波的发生强弱与硬化层厚度的单调对应关系，采用声表面波对被测轧辊进行检测，将结果与对应关系对比得到对应的疲劳硬化层的厚度值。本发明采用超声表面波传播过程中的非线性二次谐波发生效应实现对轧辊疲劳硬化层的检测，为实现定量评价轧辊疲劳硬化层提供一种有效的无损检测手段，检测结果准确可靠，可以很好的配合钢铁生产现场轧辊的优化磨削工作，节约了生产成本，保证了生产安全。
【专利说明】轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及轧辊质量检测领域，尤其涉及一种轧辊疲劳硬化层无损检测方法。
【背景技术】
[0002]轧机是现代化冶金企业的关键工艺设备，而轧辊又是轧机的关键核心部件，其使用性能直接决定着轧机稳定、产线顺行、生产消耗及产品质量。轧辊最经济安全的使用对生产意义很大，轧辊工作时较大的接触疲劳应力会造成轧辊表层产生疲劳层，其引起的接触疲劳损坏是国内许多钢铁企业普遍发生的现象。为了预防轧辊开裂、剥落事故，必须开发能够确保轧辊安全稳定运行的针对轧辊疲劳损伤的无损检测技术，尤其是能够在可见开裂的起始阶段就能实现有效的检测。
[0003]目前，与轧辊有关的检测技术主要包括涡流检测、辊身硬度检测、超声波探伤检测、以及X-ray检测，各种方法侧重不同，检测能力存在差异，而针对轧辊疲劳硬化层的检测评价，资料检索显示在此【技术领域】国内外尚无有效的检测技术信息，因此，目前钢铁生产尚缺乏有效的方便钢铁生产现场的轧辊疲劳硬化层检测方法和设备。各种检测轧辊的无损检测方法有:
I)涡流检测:目前轧辊检测很大程度上依赖自动涡流检测技术，因为其渗透率低，所以主要用于检测辊面缺陷，涡流检测可用于检测肉眼不可见的缺陷，如剥落裂纹、热裂纹等。涡流检测可以用于不同材质、不同直径的工作辊和轧辊。涡流检测速度高、成本低，可实现自动化，探头不用接触辊面。但是由于疲劳硬化层分布深度最大也不过几百微米，采用涡流方法难以满足对如此薄层材质电磁性质的改变进行探测的要求，并且涡流检测信号容易被外界干扰，更会增加检测难度。
[0004]2)硬度检测:常规硬度检测跟踪可以了解轧辊的工作硬化程度。通过硬度检测，将轧辊修磨后硬度与供货硬度的差别控制在一定范围内，可以有效避免加工硬化裂纹的产生。硬度检测是一种动态力检测，常用的肖氏硬度计是一种轻便的手提式仪器，便于现场测试，其结构简单，便于操作，测试效率高，但与布、洛、维等静态力试验法相比，准确度稍差，受测试时的垂直性、试样表面光洁度等因素的影响，数据分散性较大，其测试结果的比较只限于弹性模量相同的材料，对试样的厚度和重量都有一定要求，不适于较薄的疲劳硬化层，而且轧辊辊身各处硬度存在差异，硬度检测难以精确量化分析评价微观的疲劳层。
[0005]3)x-ray检测:早在上世纪80年代，国外钢铁业界就对轧辊疲劳硬化层采用X_ray方法进行了深入研究，对疲劳应变期间材料晶格结构数据的变化和疲劳极限进行了 X -ray检测分析，但基于上述检测手段能够实现对疲劳损伤进行定量判定的办法却很少。有技术人员采用对X-ray衍射线的半高宽进行测量的方法，对疲劳破坏的机理进行了深入研究分析，试图实现疲劳硬化层的无损检测并能够定量评价，当时该方法的硬件计数系统已经开发，似乎可以用于实践。相比其它检测手段而言，X-ray衍射方法在疲劳发展成为可见的开裂之前是一种有效的检测手段，但是该方法的最大问题在于其检测深度有限，只能够对表面下约20微米的深度范围内进行检测，相比轧辊几百微米的疲劳硬化层，实现彻底检测的工作量很大。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，该方法采用超声表面波传播过程中的非线性二次谐波发生效应实现对轧辊疲劳硬化层的检测，为实现定量评价轧辊疲劳硬化层提供一种有效的无损检测手段，检测结果准
确可靠。
[0007]本发明是这样实现的:一种轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，包括以下步骤:
步骤一、准备好带有不同疲劳硬化层厚度的系列标准试块，系列标准试块上疲劳硬化层的厚度为已知的；
步骤二、采用声表面波对系列标准试块进行探测得到与系列标准试块一一对应的一系列基频和二次谐波信号，并对该一系列的基频和二次谐波信号进行傅立叶变换，得到与系列标准试块一一对应的一系列标准频域信号，该一系列标准频域信号即为对应厚度的疲劳硬化层的标准频域信号；
步骤三、采用声表面波对被测轧辊进行检测，得到被测轧辊的基频和二次谐波信号，将该基频和二次谐波信号进行傅立叶变换，得到实测频域信号；
步骤四、将实测频域信号与标准频域信号进行对比得到对应的疲劳硬化层的厚度值。
[0008]所述步骤二和步骤三之间还包括对被测轧辊表面进行磨光的步骤。
[0009]所述步骤四后还包括绘制轧辊周身疲劳硬化层厚度分布的步骤，具体为在被测轧辊上的不同位置进行重复步骤三、四，得到被测轧辊周身各位置点上的疲劳硬化层分布。
[0010]该检测方法最后还包括验证步骤，具体为将被测轧辊逐层减薄后重复步骤三、四，得到每次减薄后的疲劳硬化层的厚度值，比较逐层减薄的结果与测量结果是否一致。
[0011]所述逐层减薄为使用固定型号的砂纸，按固定压下力和固定摩擦次数砂磨轧辊试样表面。
[0012]所述的步骤中采用声表面波进行检测的设备为斜劈超声换能器。
[0013]本发明轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法中采用超声表面波传播过程中的非线性二次谐波发生效应实现对轧辊疲劳硬化层的检测，通过在已知的、带有不同疲劳硬化层厚度的系列标准试块上，进行声表面波二次谐波的检测，得到经过傅立叶变换后在频域声表面波的二次谐波的发生强弱与硬化层厚度的单调对应关系；然后在得到的单调对应关系的基础上，再通过声表面波与未知疲劳硬化层作用得到的二次谐波信号的强弱比对分析，即可实现对轧辊硬化层厚度的检测；为实现定量评价轧辊疲劳硬化层提供一种有效的无损检测手段，检测结果准确可靠，可以很好的配合钢铁生产现场轧辊的优化磨削工作，节约了生产成本，保证了生产安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法流程框图；
图2为本发明实施例中每次减薄后测量得到的基频在频域的波幅和二次谐波在频域的波幅图，横坐标为减薄次数，纵坐标为声压，实心方框为基频在频域的声压，空心三角为二次谐波在频域的声压。
【具体实施方式】
[0015]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0016]实施例1
如图1所示，一种轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，包括以下步骤:步骤一、准备好带有不同疲劳硬化层厚度的系列标准试块，系列标准试块上疲劳硬化层的厚度为已知的；
步骤二、通过斜劈超声换能器采用声表面波对系列标准试块进行探测得到与系列标准试块一一对应的一系列基频和二次谐波信号，并对该一系列的基频和二次谐波信号进行傅立叶变换，得到与系列标准试块一一对应的一系列标准频域信号，该一系列标准频域信号即为对应厚度的疲劳硬化层的标准频域信号；
在本发明中采用声表面波的基频和二次谐波信号来对轧辊表面硬化层进行检测是因为一般说来，轧辊表面硬化层的厚度较薄，仅在微观结构上不同于硬化层形成之前的轧辊材质。若仅测量轧辊表面部位的横、纵波声速和或声衰减，难以对是否存在硬化层进行评价。伴随基频声波传播所发生的二次谐波信号直接依赖于材料的三阶弹性常数，直接依赖于材料的三阶弹性常数，材料的三阶弹性常数或非线性声学参数又与材料的微观结构密切相关，可以敏感地反映出材料微观结构的细微变化；通过准确测量基频声波的二次谐波信号，可以得到三阶弹性常数或非线性声学参数的相关信息，进而可对硬化层引起的材料性质的细微改变进行评价；
步骤三、通过斜劈超声换能器采用声表面波对被测轧辊进行检测，得到被测轧辊的基频和二次谐波信号，将该基频和二次谐波信号进行傅立叶变换，得到实测频域信号；检测中保持斜劈超声换能器与被测轧辊表面相对位置固定，并保持检测步骤中的所有检测条件与针对带有不同疲劳硬化层厚度的系列标准试块的声表面波二次谐波的检测条件相同；为了使得被测轧辊表面粗糙度与系列标准试块表面粗糙度一直，以提高检测结果的准确性，在对被测轧辊进行检测前先对被测轧辊表面进行磨光操作；
步骤四、将实测频域信号与标准频域信号进行对比得到对应的疲劳硬化层的厚度值。
[0017]步骤五、绘制轧辊周身疲劳硬化层厚度分布的步骤，具体为在被测轧辊上的不同位置进行重复步骤三、四，得到被测轧辊周身各位置点上的疲劳硬化层分布。
[0018]为了确认以上检测方法的有效性，在检测完成后对被测轧辊逐层减薄后重复步骤三、四，得到每次减薄后的疲劳硬化层的厚度值，比较逐层减薄的结果与测量结果是否一致。
[0019]在本实施例中，声表面波米用斜劈超声换能器自发自收方式，在被测轧棍上传播距离为11.5cm ;基频f(t)传播所发生的二次谐波信号，载波频率f=2.3MHz，在每次测试中，均保持斜劈超声换能器和被测轧辊之间的接触稳定，声表面波回波信号二次谐波的放大增益比基波的放大增益高出50dB，所述逐层减薄为使用固定240号的氧化铝水砂纸，按固定5千克压下力，每次减薄用砂纸砂磨被测轧辊表面100次，总计进行了 22次减薄与测量，如图2，表1所示为每次减薄后测量得到的基频/(t)在频域的波幅 ω /V和二次谐波A2(t)在频域的波幅⑵/V，减薄次数N=O表示硬化层厚度为最初状态，减薄次数N越多，表示硬化层厚度越来越薄，当进行第22次减薄时，N=23，采用(什么样的设备比如)实际测量被测轧辊的半径共减小Ar =0.26mm，亦即每减薄被测轧辊I次，相当于硬化层厚度平均减小
11.8mm η
【权利要求】
1.一种轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，其特征是，包括以下步骤: 步骤一、准备好带有不同疲劳硬化层厚度的系列标准试块，系列标准试块上疲劳硬化层的厚度为已知的； 步骤二、采用声表面波对系列标准试块进行探测得到与系列标准试块一一对应的一系列基频和二次谐波信号，并对该一系列的基频和二次谐波信号进行傅立叶变换，得到与系列标准试块一一对应的一系列标准频域信号，该一系列标准频域信号即为对应厚度的疲劳硬化层的标准频域信号； 步骤三、采用声表面波对被测轧辊进行检测，得到被测轧辊的基频和二次谐波信号，将该基频和二次谐波信号进行傅立叶变换，得到实测频域信号； 步骤四、将实测频域信号与标准频域信号进行对比得到对应的疲劳硬化层的厚度值。
2.如权利要求1所述的轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，其特征是:所述步骤二和步骤三之间还包括对被测轧辊表面进行磨光的步骤。
3.如权利要求1所述的轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，其特征是:所述步骤四后还包括绘制轧辊周身疲劳硬化层厚度分布的步骤，具体为在被测轧辊上的不同位置进行重复步骤三、四，得到被测轧辊周身各位置点上的疲劳硬化层分布。
4.如权利要求1所述的轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，其特征是:该检测方法最后还包括验证步骤，具体为将被测轧辊逐层减薄后重复步骤三、四，得到每次减薄后的疲劳硬化层的厚度值，比较逐层减薄的结果与测量结果是否一致。
5.如权利要求4所述的轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，其特征是:所述逐层减薄为使用固定型号的砂纸，按固定压下力和固定摩擦次数砂磨轧辊试样表面。
6.如权利要求f5中任意一权利要求所述的轧辊疲劳硬化层的超声表面波非线性检测方法，其特征是:所述的步骤中采用声表面波进行检测的设备为斜劈超声换能器。
【文档编号】G01N29/04GK103926312SQ201310013983
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2013年1月15日 优先权日:2013年1月15日
【发明者】孙大乐, 邓明晰, 张国星 申请人:宝山钢铁股份有限公司, 中国人民解放军后勤工程学院