液压支架焊缝金属磁记忆检测技术研究 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 2年第 9期 液压 支架焊缝金属磁 记忆检测技术研 究 沙宝银 煤炭科学研究总院 检测分院，北京1 0 0 0 1 3 摘要 文章简述 了金属磁记忆技术检测原理 ，并将金属磁记忆方法应用到液压支架焊缝检 测技术 中，分别从硬件及软件 两方面介绍 了设计思路及 实现方法，重点对软件设计及数据处理方 法进行 了分析 ，通过现场实验表明金属磁记忆检测方法可以有效检测液压支架焊缝质量 ，解决了 现有液压支架焊缝检测方法的局限性和不足。 关键词液压支架焊缝；金属磁记忆 ；无损检 测；数据处理 中图分类号 T P 2 7 7 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 9 - 0 0 9 8 -0 3 St u dy o n M e t a l M a g n e t i c M e mo r y Te s t i ng Te c h no l o g y o f W e l di n g Se a m o n Hy d r a ul i c Po we r e d Su pp o r t SHA Ba oy i n Mi n e S u p p o r t E q u i p m e n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ，T e s t a n d Me a s u r e m e n t B r a n c h，C h i n a C o a l R e s e arc h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e me t a l ma g n e t i c me mo r y me t h o d h a d b e e n a p p l i e d t o t h e w e l d i n g s e a m t e s t i n g t e c h n o l o g y o f t h e h y d r a u l i c p o we r e d s u p p o r t ． T h e p a p e r s t a t e d t h e t e s t i n g p rin c i p l e o f t h e me t al ma gn e t i c me mo ry t e c h n o l o gy ． F r o m t h e h a r d w a r e a n d t h e s o f t w a r e ，t h e p a p e r i n t r o d u c e d t h e d e s i g n c o n c e p t i o n a n d t h e r e ali z a t i o n me t h o d ． An a n a l y s i s wa s c o n d u c t e d o n t h e s o f t ware d e s i g n a n d t h e d a t a p r o c e s s i n g me t h o d ． T h e s i t e e x p e ri me n t s s h o we d t h a t t h e me t a l ma g n e t i c me mo r y t e s t i n g me t h o d c o u l d e f f e c t i v e l y t e s t t h e w e l d i n g s e a m q u a l i t y o f t h e h y d r a u l i c p o w e r e d s u p p o r t an d c o u l d s o l v e t h e l i mi t s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e p r e s e n t w e l d i n g s e a m t e s t i n g me t h o d o f t h e h y d r a u l i c p o w e r e d s u p p o rt． Ke y wo r d swe l d i n g s e a m o n h y d r a u l i c p o w e r e d s u p p o rt； me t a l ma g n e t i c me mo ry ； n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ； d a t a p r o c e s s i n g 2 0 0 6年 以来在液压 支架 的整 机检验 中 ，因焊缝 问题导 致不合格的数量占到全部不合格数的 5 0 ％以上。焊缝质量 检验对于其研究、设计、制造、应用等发挥着不可或缺的 作用。目前 ，国内质检中心对于经过实验后液压支架焊缝 状况的检测方法还局限于 目测法和着色渗 透法 ，技术落后 、 效率低下 ，在液压支 架焊缝 检测 方面 ，质 检实验 室和应 用 现场都需要进行相应检测技术的改进，以适应煤炭行业的 快速发展。 1 检测原理 金属磁记忆技术 于 1 9 9 7年 由俄罗斯 的杜波夫教授 在美 国旧金山举行的第 5 0届国际焊接学术会议上率先提出，此 项技术集常规无损检测、断裂力学和金相学诸多潜在功能 于一身 ，能够实 现金属损伤 的早期 “ 预测” ，故金属磁记忆 检测一 经提 出立 即在全世界范 围得 到推广 。 金属设备上的应力集中区域往往是腐蚀、疲劳和蠕变 过程最剧烈 的 区域 ，也 是最 容易发 生破损 的 区域 ，而金属 磁记忆恰恰是通过对应力集 中区的定位来实现对金属损伤 98 的早期 “ 预测” 。其基本原理为处于工作负荷下的金属工 件在地磁场的作用下，其内部会发生具有磁致伸缩性质 的 磁 畴组织定 向和不可逆 的重新 取 向，并 在应力 与变形集 中 区形成最 大的漏磁场 日。 变化 。即磁场的切向分量 X 具 有最大值 ，而法向分量 1 ， 改变符号且具有零值点，如 图 1所示 。 应 力 集 中 线 [ 应 力 集 中 线 y - 一 ／ l 一 图 1 应力集中线示意图 这种磁状态的不可逆变化在载荷消失后继续保留，金 属裂纹的检测就是由漏磁场法向分量 y 过零点及最大 梯度值，通过相应公式计算来推断。 收 稿 日期 2 0 1 2 0 6 0 1 作者简介沙宝银 1 9 7 9一 ，男 ，辽宁葫芦岛人，工学硕士、工程师，主要研究方向为检测技术与智能测控技术。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 9期 煤炭工程 2 硬 件 设计 2 ． 1 传 感 器信 号放 大及 其 测量 应用于液压支架焊缝检测，需体积小、便于手持、灵 敏度高的传感器，磁阻传感器与霍尔传感器相比具有磁场 范围宽、灵敏度高、体积小、工作频率高等优点 ，故检测 模块采用了 H MC 1 0 2 1 Z磁阻传感器，测量范围为 61 0I 4 T，传感 器输 出与磁场大小呈线性关 系 vo u r V o AV V o S HVb 其 中， 为外 磁 场 为 零 时 传 感 器 输 出 的 电 压 一 2 ． 5 m V ，S为传感器的灵敏度 1 mV ／ V ／ G u s ，H为测 量到的磁场强度， 为传感器供电电压 5 V 。 2 ． 2检 测 电路设 计 检测电路设计如图2所示，主要包括被测对象、磁 阻传感器、信号放大电路、信号采样电路和通信 电路。根 据支架焊缝检测的实际需要 ，设计了状态稳定、响应速度 快、可读性强的软件程序，包括采样、数据处理分析等程 序。采样得到的数据经串行口送给上位机 ，进行显示、存 储 和分析 。 图 2 金属磁记忆检测 电路 总体框 图 3程序 设计 3 ． 1 检 测程序 工作 流 程设 计 软件部分分为初始化模块、定时模块、数据采样模 块、数据处理模块及数据发送模块。流程 图如图 3所示。 程序设计分析如下 1 在系统初始化模块中主要完成对单片机内的各模块 的相应控制寄存器写入相应设定 ，设定其工作方式 ，以实 现 相关 功能 。初始化模块 完成后 ，A V R单片 机进 入睡 眠模 式 。 2 系统 由定时器 0定 时 ，当到 达指定 时 间 1 0 m s后 即 进人相 应中断程序 ，进行 A ／ D采样 。 3 当系统规定的 1 6次采样结束后，进入相应数据处 理程序 ，对采样 的 1 6次结果取平均取 ，然后存储 。 4 系统将平均处理后的数据发送到数据分析处理计算 机 ，系统采用 R S一 4 8 5总线 方式 发送 数据 ，然后 回到程序 开始 。 初始化程序主要包括系统时钟初始化，A ／ D模块初 始化，串行通讯模块初始化 ，I ／ 0口初始化以及定时器0的 初始化等。 3 ． 2 数据处理及分析程序设计 数据分析及处理主要完成数据的读取、标度变换以及 信号处理，画出图形曲线，进行分析。下为数据文件读取 及标度变换子程序，标度变换的结果为磁场强度。 图 3 软件流程 f u n c t i o n[ t ，x ] R e a d D a t a s 1 ； 蹦 f o p e n s 1 ； f lf s c a n f ri d ，％x [ i n f ] ； f c l o s e ri d ； L e n l l e n g t h f 1 ； M 1 8 N Le n l ／M ； f o r i1 N x hf l M i 一1 2 ； x l f l M i 一1 3 ； x h l x h 2 5 6x l x i x h l 5 ． 0 ／ 1 0 2 4 2 ． 5 0； X i X i 1 5 ． 9 1 6 ； t i i 0 ． 0 1 ； e n d 对于采集到的金属磁记忆信号，信号特征不是很明显， 需要经过相应处理。金属磁记忆信号记录的是裂纹的应力 集中与其它缺口效应应力集中导致的漏磁场的一个叠加值， 与应力集 中的位 置是一 种积 分关 系 ，因此 可以用微 分处理 的方式来确定焊接裂纹的位置。经过微分处理后，波形特 征明显加强 ，便 于特征识 别 。下段 代码 为对原 始磁 场信号 进行微分计算的函数子程序，它主要完成对原始信号 的 微分。 f u n c t i o n[ f d v d t ] D i v d t f ，N f o r i1 N f d v d t i f i 一f i 1 ／ 0 ． O 1 ； e nd e nd 4 实 验分 析 为验证该 系统的有 效性 ，到液压 支架检测 现场 进行 了 实验 ，以 Z Y 3 0 0 0 ／ 0 9 ／ 2 0液压 支架 试验 台支架掩 护梁 结 构 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m