基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測方法及裝置的制造方法
【專利摘要】基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測方法及裝置，屬于鋼制葉片的殘余應力無損檢測。通過自動化機械手夾持微磁探頭沿鋼制葉片掃查，檢測微磁信號，提取出增量磁導率以表征殘余應力，最終獲取葉片整體的殘余應力分布情況。檢測裝置主要包括機械手、微磁探頭、系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理等部分。可工作于兩種模式：葉片運動被檢測模式，微磁探頭固定安裝在工作臺底座上，機械手末端安裝鉗形夾具，夾持葉片相對微磁探頭沿預設曲面移動，實現(xiàn)葉片雙面檢測；探頭運動掃查模式，鋼制葉片固定安裝在開口環(huán)形夾具上，機械手末端夾持微磁探頭沿鋼制葉片表面進行掃查，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)可實現(xiàn)葉片翻轉(zhuǎn)完成雙面檢測。
【專利說明】
基于増量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測方法及裝置
技術(shù)領域
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[0001]本發(fā)明涉及鋼制葉片表面殘余應力無損檢測技術(shù)，具體涉及基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測方法及裝置。
【背景技術(shù)】
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[0002]汽輪機在工業(yè)應用中，末級葉片工作環(huán)境極其惡劣。水蝕、應力腐蝕、疲勞常會造成葉片的損壞和失效。葉片斷裂往往導致整個機組發(fā)生嚴重的安全事故。常采用兩種工藝措施來提高葉片的抗水蝕能力，首先是在葉片進汽邊進行局部高頻淬火強化。葉片經(jīng)局部高頻淬火后，雖然其防水蝕能力得到提高，但高頻淬火會使組織應力發(fā)生變化。在高頻淬火區(qū)中形成的殘余應力為壓應力，基材區(qū)為壓應力，同時使得過渡區(qū)產(chǎn)生拉應力。由于過渡區(qū)組織的不均勻以及殘余應力狀態(tài)的變化，該區(qū)域成為葉片最薄弱的部位。然后采用噴丸強化能夠在葉片表層引入有益的殘余壓應力。從而有效地提高了葉片的疲勞性能和抗應力腐蝕等性能，提尚了其使用壽命。
[0003]噴丸殘余壓應力的大小及分布是影響噴丸強化效果的關鍵因素。因此，殘余應力的檢測對于汽輪機的鋼制葉片來說有著極其重要的意義。當前工程應用中，葉片殘余應力的檢測多為有損測量。且測量方法復雜，操作繁瑣，測量儀器價格較貴。發(fā)明一種對葉片殘余應力非接觸、易測量、無損傷的檢測方法及裝置是迫切需要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的是:提出一種基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測方法，并為該方法的實施提供檢測裝置，具備兩種工作模式，實現(xiàn)對不同尺寸大小鋼制葉片表面殘余應力的無損、快速檢測。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:基于應力改變鋼制葉片材料磁導率的物理原理，采用微磁探頭對葉片施加高、低頻混合磁場進行磁化，通過單一霍爾元件檢測葉片表面的磁感應信號，該信號的低頻成分為切向磁場強度信號，高頻成分解調(diào)后得到的虛部只代表材料磁導率的信息；以切向磁場強度信號為橫坐標，虛部為縱坐標，得到增量磁導率曲線，曲線的特征參數(shù)(峰值、半峰寬等)可用于表征拉、壓應力的大小。
[0006]基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測裝置，其特征在于，包括:機械手(I)、機械手運動控制器(2)、鉗形夾具(3)、待測葉片(4)、微磁探頭(5)、微磁探頭工作臺底座(6)、開口環(huán)形夾具(7)、驅(qū)動軸(8)、滾動軸承(9)、聯(lián)軸器(10)、驅(qū)動電機(11)、系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊；
[0007]機械手(I)與機械手運動控制器(2)固定連接，機械手運動控制器(2)用于控制機械手(I)的運動;機械手(I)的末端能通過鉗形夾具(3)并固定待測葉片或通過微磁探頭工作臺底座(6)固定微磁探頭(5)；
[0008]微磁探頭(5)通過微磁探頭工作臺底座(6)與系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊連接;微磁探頭主要由U型軛鐵(16)、霍爾元件(20)、勵磁線圈(15)、屏蔽層(18)等組成。勵磁線圈繞在U型軛鐵底部，U型軛鐵開口端與被測葉片表面貼合，霍爾元件放置于U型軛鐵U型口中部以檢測葉片表面的磁場變化，霍爾元件與U型軛鐵之間各設有一屏蔽層(18);系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊包括微磁信號檢測模塊、電機驅(qū)動控制模塊、機械手運動控制模塊以及計算機;微磁信號檢測模塊包括采集卡、任意信號發(fā)生板卡、雙極性電源，計算機與任意信號發(fā)生板卡連接，任意信號發(fā)生板卡與雙極性電源連接，雙極性電源與微磁探頭的勵磁線圈連接;微磁探頭的霍爾元件與采集卡連接，采集卡與計算機連接。機械手運動控制器(2)通過機械手運動控制模塊與計算機連接；
[0009]開口環(huán)形夾具(7)能夠夾持待測葉片(4)，開口環(huán)形夾具(7)的驅(qū)動軸通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機的驅(qū)動軸聯(lián)接，實現(xiàn)驅(qū)動電機帶動開口環(huán)形夾具轉(zhuǎn)動并帶動待測葉片(4)的翻轉(zhuǎn)。
[0010]采用本發(fā)明的裝置可以實現(xiàn)兩種工作模式。
[0011]基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測方法，根據(jù)葉片的大小可以分為兩種工作模式:
[0012]葉片運動被檢測模式:在該模式下，微磁探頭工作臺底座固定，微磁探頭固定于微磁探頭工作臺底座上;機械手末端更換為鉗形夾具，通過鉗形夾具夾持T形葉片葉根部位，依據(jù)計算機中運動軌跡控制程序給出的命令，機械手攜帶T形葉片以預設速度、沿預設曲面移動或偏轉(zhuǎn)，以確保葉片表面被微磁探頭全面檢測。單次檢測過程中，任意信號發(fā)生板卡輸出高、低頻疊加信號，經(jīng)過雙極性電源進行功率放大后，輸出至微磁探頭的勵磁線圈，對鋼制葉片進行局域磁化;霍爾元件的檢測電壓信號輸出至采集卡，并最終上傳至計算機用于數(shù)字信號解調(diào)。
[0013]探頭運動掃查模式。該模式下機械手末端的末端通過微磁探頭工作臺底座固定住微磁探頭；由開口環(huán)形夾具夾持T型葉片的葉根部位，并在開口環(huán)形夾具對稱的兩側(cè)配有兩個緊固螺釘，以緊固T形葉片。驅(qū)動電機通過電機驅(qū)動控制模塊與計算機連接，開口環(huán)形夾具的驅(qū)動軸通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機的聯(lián)接，當電機帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)時，實現(xiàn)開口環(huán)形夾具及其夾持的T型葉片整體翻轉(zhuǎn)。機械手(I)末端的固定微磁探頭(5)，與微磁探頭(5)連接的微磁信號檢測模塊與機械手運動控制器均通過計算機連接進行同步協(xié)作與參數(shù)控制，基本與葉片運動被檢測模式裝置相同。
[0014]本發(fā)明微磁探頭主要由U型軛鐵(16)、霍爾元件(20)、勵磁線圈(15)、屏蔽層(18)等組成。勵磁線圈繞在U型軛鐵底部，U型軛鐵開口端與被測葉片表面貼合，霍爾元件放置于U型軛鐵U型口中部以檢測葉片表面的磁場變化，霍爾元件與U型軛鐵之間各設有一屏蔽層
(18)。微磁信號檢測模塊包括采集卡、任意信號發(fā)生卡、雙極性電源，計算機與任意信號發(fā)生板卡連接，任意信號發(fā)生板卡與雙極性電源連接，雙極性電源與微磁探頭的勵磁線圈連接;微磁探頭的霍爾元件與采集卡連接，采集卡與計算機連接。
[0015]微磁探頭主要由U型軛鐵、霍爾元件、勵磁線圈等組成。勵磁線圈繞在U型軛鐵底部，U型軛鐵開口端與被測葉片表面貼合，霍爾元件放置于U型軛鐵中部以檢測葉片表面的磁場變化。檢測時，勵磁線圈中通入高、低頻正弦波疊加勵磁信號，霍爾元件輸出電壓信號經(jīng)過低通濾波后，得到的低頻成分代表葉片表面切向磁場強度時變信號；霍爾元件輸出電壓信號經(jīng)過高通濾波，得到的高頻成分經(jīng)解調(diào)后得到實部與虛部時變信號，其中虛部時變信號只反映材料磁導率信息。以切向磁場強度時變信號為橫坐標，虛部時變信號為縱坐標，得到的蝶形曲線即為增量磁導率曲線。該曲線為材料固有磁特性曲線，其特征參數(shù)(如峰值、半峰寬等)受材料拉、壓殘余應力應力大小影響，影響規(guī)律可通過預先標定實驗獲取并以關系方程描述。
[0016]為鋼制葉片制造質(zhì)量控制提供了一種基于微磁檢測的，適用于葉片快速掃查的方法及檢測裝置。檢測原理為利用增量磁導率的變化表征材料表面殘余應力分布，檢測裝置可工作于兩種模式:葉片運動被檢測模式，適用于小型葉片的檢測;探頭運動掃查模式，適用于大型葉片的檢測。在現(xiàn)有工業(yè)自動化裝備技術(shù)支持下，所公布的檢測裝置完全可實現(xiàn)自動化操作，對鋼制葉片制造質(zhì)量進行在線、快速評價。
[0017]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，基于應力改變鋼制葉片材料磁導率的物理原理，采用微磁探頭對葉片施加高、低頻混合磁場進行磁化，通過單一霍爾元件檢測葉片表面的磁感應信號，該信號的低頻成分為切向磁場強度信號，高頻成分解調(diào)后得到的虛部只代表材料磁導率的信息；以切向磁場強度信號為橫坐標，虛部為縱坐標，得到增量磁導率曲線，曲線的特征參數(shù)(峰值、半峰寬等)可用于表征拉、壓應力的大小。檢測裝置主要包括機械手、微磁探頭、微磁信號檢測裝置、機械手運動控制器等部分，可工作于兩種模式:葉片運動被檢測模式(適用于小型葉片)，微磁探頭固定安裝在工作臺底座上，機械手末端安裝鉗形夾具，夾持葉片相對微磁探頭沿預設曲面移動，實現(xiàn)葉片雙面檢測;探頭運動掃查模式(適用于大型葉片)，鋼制葉片固定安裝在開口環(huán)形夾具上，機械手末端夾持微磁探頭沿鋼制葉片表面進行掃查，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)可實現(xiàn)葉片翻轉(zhuǎn)完成雙面檢測。檢測裝置工作于兩種模式時，依據(jù)預先標定的增量磁導率曲線特征參數(shù)與拉、壓應力的關系方程，通過檢測葉片表面各處的增量磁導率曲線，提取相應特征參數(shù)，代入關系方程估算出殘余應力分布情況。
【附圖說明】
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[0018]圖1工作于葉片運動被檢測模式下的微磁無損檢測裝置示意圖；
[0019]圖2，工作于探頭運動掃查模式下的微磁無損檢測裝置示意圖；
[0020]1、機械手，2、機械手運動控制器，3、鉗形夾具，4、T形葉片，5、微磁探頭，6、微磁探頭工作臺底座，7、開口環(huán)形夾具，8、驅(qū)動軸，9、滾動軸承，10、聯(lián)軸器，11、驅(qū)動電機，12、基座，13、軸承支撐板，14、緊固螺釘；
[0021]圖3微磁傳感器內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖3中所示，15、勵磁線圈，16、U型軛鐵，17、提離距離，18、屏蔽層，19、被測葉片，20、霍爾元件。
[0023]圖4(a)為高、低頻正弦信號疊加勵磁信號波形，(b)為霍爾元件輸出電壓信號波形。
[0024]圖5為霍爾元件輸出信號經(jīng)低通濾波后得到的切向磁場強度時變信號。
[0025]圖6為霍爾元件輸出信號經(jīng)高通濾波后得到的時域波形及其阻抗虛部時變信號。
[0026]圖7為不同應力條件下的增量磁導率曲線。
【具體實施方式】
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[0027]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明。且以下說明只是描述性的，而不是限定性的，不能以此來限定本發(fā)明的保護范圍。
[0028]本發(fā)明的裝置見附圖1和2的綜合。包括:機械手1、機械手運動控制器2、鉗形夾具
3、待測葉片4、微磁探頭5、微磁探頭工作臺底座6、開口環(huán)形夾具7、驅(qū)動軸8、滾動軸承9、聯(lián)軸器10、驅(qū)動電機11、系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊；
[0029]機械手I與機械手運動控制器2固定連接，機械手運動控制器2用于控制機械手I的運動;機械手I的末端能通過鉗形夾具3并固定待測葉片或通過微磁探頭工作臺底座6固定微磁探頭5;
[0030]微磁探頭5通過微磁探頭工作臺底座6與系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊連接；發(fā)明微磁探頭主要由U型軛鐵16、霍爾元件20、勵磁線圈15、屏蔽層18等組成。勵磁線圈繞在U型軛鐵底部，U型軛鐵開口端與被測葉片表面貼合，霍爾元件放置于U型軛鐵U型口中部以檢測葉片表面的磁場變化，霍爾元件與U型軛鐵之間各設有一屏蔽層18;系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊包括微磁信號檢測模塊、電機驅(qū)動控制模塊以及計算機;微磁信號檢測模塊包括采集卡、任意信號發(fā)生卡、雙極性電源，計算機與任意信號發(fā)生板卡連接，任意信號發(fā)生板卡與雙極性電源連接，雙極性電源與微磁探頭的勵磁線圈連接;微磁探頭的霍爾元件與采集卡連接，采集卡與計算機連接。
[0031 ]機械手運動控制器2與計算機連接；
[0032]開口環(huán)形夾具7能夠夾持待測葉片4，開口環(huán)形夾具7的驅(qū)動軸通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機的驅(qū)動軸聯(lián)接，實現(xiàn)驅(qū)動電機帶動開口環(huán)形夾具轉(zhuǎn)動并帶動待測葉片4的翻轉(zhuǎn)；
[0033]實施例1
[0034]對于小型的T形葉片4，利用工作于葉片運動被檢測模式下的微磁無損檢測裝置(圖1)進行檢測。機械手I末端的鉗形夾具3夾持T形葉片4葉根部位。機械手I固定在機械手運動控制器2上。微磁探頭5固定于工作臺底座6上。
[0035]上面介紹的檢測模式在工作時，機械手I依據(jù)計算機中運動軌跡控制程序給出的命令，攜帶T形葉片4以預設速度、沿預設曲面移動或偏轉(zhuǎn)，以確保T形葉片4表面被微磁探頭5全面檢測。
[0036]對于大型的T型葉片4，利用工作于探頭運動掃查模式下微磁無損檢測裝置(圖2)進行檢測。機械手I持有微磁探頭5，并固定在機械手運動控制器2上。開口環(huán)形夾具7夾持T型葉片4的葉根部位，并在其對稱的兩側(cè)配有兩個緊固螺釘14，以達到緊固的目的。同時開口環(huán)形夾具7的另一端的驅(qū)動軸8，穿過兩個軸承支撐板13與驅(qū)動電機11通過聯(lián)軸器10相連，軸承支撐板13內(nèi)配有滾動軸承9。軸承支撐板13和驅(qū)動電機11固定在同一基座12上。
[0037]上面介紹的檢測裝置在工作時，首先將T形葉片4放置在開口環(huán)形夾具7上，通過調(diào)節(jié)兩側(cè)的緊固螺釘14進行預緊。機械手2依據(jù)計算機中運動軌跡控制程序給出的命令，夾持微磁探頭5以預設速度、沿預設曲面移動，以確保葉片表面被微磁探頭全面檢測。當單側(cè)檢測完成時，驅(qū)動電機11會帶動T型葉片4整體翻轉(zhuǎn)。然后按照同樣的方式完成另一側(cè)的檢測。
[0038]微磁探頭的內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)(圖3)是由勵磁線圈15、U型軛鐵16、屏蔽層18、霍爾元件20等組成。勵磁線圈15繞在U型軛鐵16底部，U型軛鐵16開口端與被測葉片表面貼合，霍爾元件20放置于U型軛鐵16中部以檢測葉片表面的磁場變化。屏蔽層18放置于U型軛鐵16內(nèi)部、霍爾元件20兩側(cè)，并平行于兩側(cè)的U型軛鐵16。磁力線沿U型軛鐵16和被測葉片19形成回環(huán)。
[0039]當上述裝置工作時，任意信號發(fā)生板卡輸出高、低頻疊加信號(圖4-a)，經(jīng)過雙極性電源進行功率放大后，輸出至微磁探頭5的勵磁線圈15，對T形葉片4進行局域磁化;霍爾元件20的檢測電壓信號(圖4-b)輸出至采集卡，并最終上傳至計算機用于數(shù)字信號解調(diào)。
[0040]霍爾元件輸出電壓信號經(jīng)過低通濾波后，得到的低頻成分代表葉片表面切向磁場強度時變信號(圖5);霍爾元件輸出電壓信號經(jīng)過高通濾波，得到的高頻成分經(jīng)解調(diào)后得到實部與虛部時變信號(圖6)，其中虛部時變信號只反映材料磁導率信息。以切向磁場強度時變信號為橫坐標，虛部時變信號為縱坐標，得到的蝶形曲線即為增量磁導率曲線(圖7)。該曲線為材料固有磁特性曲線，其特征參數(shù)(如峰值、半峰寬等)受材料拉、壓殘余應力應力大小影響，影響規(guī)律可通過預先標定實驗獲取并以關系方程描述。依據(jù)預先標定的增量磁導率曲線特征參數(shù)與拉、壓應力的關系方程，通過檢測葉片表面各處的增量磁導率曲線，提取相應特征參數(shù)，代入關系方程估算出殘余應力分布情況。
【主權(quán)項】
1.基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測方法，其特征在于，基于應力改變鋼制葉片材料磁導率的物理原理，采用微磁探頭對葉片施加高、低頻混合磁場進行磁化，通過單一霍爾元件檢測葉片表面的磁感應信號，該信號的低頻成分為切向磁場強度信號，高頻成分解調(diào)后得到的虛部只代表材料磁導率的信息；以切向磁場強度信號為橫坐標，虛部為縱坐標，得到增量磁導率曲線，曲線的特征參數(shù)、用于表征拉、壓應力的大小。2.基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測的裝置，其特征在于，包括:機械手(I)、機械手運動控制器(2)、鉗形夾具(3)、待測葉片(4)、微磁探頭(5)、微磁探頭工作臺底座(6)、開口環(huán)形夾具(7)、驅(qū)動軸(8)、滾動軸承(9)、聯(lián)軸器(10)、驅(qū)動電機(11)、系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊； 機械手(I)與機械手運動控制器(2)固定連接，機械手運動控制器(2)用于控制機械手(I)的運動;機械手(I)的末端能通過鉗形夾具(3)并固定待測葉片或通過微磁探頭工作臺底座(6)固定微磁探頭(5)； 微磁探頭(5)通過微磁探頭工作臺底座(6)與系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊連接；微磁探頭主要由U型軛鐵(16)、霍爾元件(20)、勵磁線圈(15)、屏蔽層(18)等組成。勵磁線圈繞在U型軛鐵底部，U型軛鐵開口端與被測葉片表面貼合，霍爾元件放置于U型軛鐵U型口中部以檢測葉片表面的磁場變化，霍爾元件與U型軛鐵之間各設有一屏蔽層(18);系統(tǒng)控制及微磁信號采集處理模塊包括微磁信號檢測模塊、電機驅(qū)動控制模塊、機械手運動控制模塊以及計算機;微磁信號檢測模塊包括采集卡、任意信號發(fā)生板卡、雙極性電源，計算機與任意信號發(fā)生板卡連接，任意信號發(fā)生板卡與雙極性電源連接，雙極性電源與微磁探頭的勵磁線圈連接;微磁探頭的霍爾元件與采集卡連接，采集卡與計算機連接； 機械手運動控制器(2)通過機械手運動控制模塊與計算機連接； 開口環(huán)形夾具(7)能夠夾持待測葉片(4)，開口環(huán)形夾具(7)的驅(qū)動軸通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機的驅(qū)動軸聯(lián)接，實現(xiàn)驅(qū)動電機帶動開口環(huán)形夾具轉(zhuǎn)動并帶動待測葉片(4)的翻轉(zhuǎn)。3.利用權(quán)利要求2所述的基于增量磁導率的鋼制葉片殘余應力微磁無損檢測的裝置進行檢測的方法，其特征在于，實現(xiàn)兩種工作模式:葉片運動被檢測模式和探頭運動掃查模式。4.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于，葉片運動被檢測模式:在該模式下，微磁探頭工作臺底座固定，微磁探頭固定于微磁探頭工作臺底座上;機械手末端更換為鉗形夾具，通過鉗形夾具夾持T形葉片葉根部位，依據(jù)計算機中運動軌跡控制程序給出的命令，機械手攜帶T形葉片以預設速度、沿預設曲面移動或偏轉(zhuǎn)，以確保葉片表面被微磁探頭全面檢測；單次檢測過程中，任意信號發(fā)生板卡輸出高、低頻疊加信號，經(jīng)過雙極性電源進行功率放大后，輸出至微磁探頭的勵磁線圈，對鋼制葉片進行局域磁化;霍爾元件的檢測電壓信號輸出至采集卡，并最終上傳至計算機用于數(shù)字信號解調(diào)。5.按照權(quán)利要求3的方法，其特征在于，探頭運動掃查模式，該模式下機械手末端通過微磁探頭工作臺底座固定住微磁探頭；由開口環(huán)形夾具夾持T型葉片的葉根部位，并在開口環(huán)形夾具對稱的兩側(cè)配有兩個緊固螺釘，以緊固T形葉片;驅(qū)動電機通過電機驅(qū)動控制模塊與計算機連接，開口環(huán)形夾具的驅(qū)動軸通過聯(lián)軸器與驅(qū)動電機的聯(lián)接，當電機帶動驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)時，實現(xiàn)開口環(huán)形夾具及其夾持的T型葉片整體翻轉(zhuǎn);機械手(I)末端的固定的微磁探頭(5)，與微磁探頭(5)連接的微磁信號檢測模塊與機械手運動控制器均通過計算機連接進 行同步協(xié)作與參數(shù)控制，基本與葉片運動被檢測模式裝置相同。
【文檔編號】G01N27/72GK105890826SQ201610204723
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】何存富, 冉德強, 劉秀成, 吳斌
【申請人】北京工業(yè)大學