螺栓头杆结合部缺陷涡流检测阵列式探头研究

摘要

螺栓是工业生产中常见的标准件，用量非常大。因此螺栓质量的重要性不言而喻。螺栓头杆结合部因为特殊的结构形态和复杂的交变应力，使头杆结合部出现缺陷的概率极大。但是传统的磁粉检测法对头杆结合部的周向裂纹误检率很高，所以人们开始尝试涡流检测法。虽然普通的涡流单探头已经能够对螺栓头杆结合部进行检测，但是也存在着机械设计复杂和探头容易损坏等弊病。所以，本文对涡流阵列式探头进行了研究，以期制作出一种静态检测的探头，能够准确有效地检测出螺栓头杆结合部的裂纹。从而弥补原有检测方法的不足，为航空、船运和汽车用螺栓提供零缺陷的质量保证手段。 本文主要采用了数值型和实验型相结合的方法来设计需要的涡流阵列式探头。首先，根据被测螺栓的大小以及裂纹大约的尺寸确定阵列探头的个数。接着，根据被测螺栓的电导率和裂纹尺寸确定了检测频率。然后，运用电磁场理论和麦克斯韦方程建立了单探头的数学模型，对涡流场的分布进行了估算，从而确定了单个探头的直径和线圈匝数。最后，设计了配合螺栓头杆结合部形状的探头骨架。实验分为两部分：第一部分用涡流阵列式探头对自己制作的试样进行检测。试样为21个SFC8.8镀锌螺栓，分别编号为0号-20号。先从中取出八个正常试样，将涡流阵列式探头通过电子切换用八个单探头分别测量，并记录每个探头测得的数据。然后再用线切割在螺栓头杆结合部做出深度分别为0.2mm，0.4mm，0.6mm，0.8mm，1.2mm，长5mm的裂纹。通过电子切换用八个探头分别测量线切割过后的试样，并记录下最高和最低电压。第二部分用涡流阵列式探头检测一批由螺栓生产厂家提供的SFC8.8发黑螺栓，共66个。将66个螺栓分别编号为1号-66号(其中1号为已知标样)。然后用涡流阵列式探头逐个检测，并记录最高电压和最低电压。接着进行数据处理找出有缺陷的螺栓，把被认为有缺陷的螺栓进行金相分析。最后从被认为合格的螺栓当中随机抽出五个进行检验。 本文设计的涡流阵列式探头规格如下：单探头个数为8个；探头直径为1.7mm；探头电感为0.3mH，阻抗为188.5 Q；线圈匝数为110匝；检测频率为100kHz；骨架用尼龙制作。深度为0.8mm的试样平均电压差为11.9V，信噪平均比为3.09，增益为9.79db。螺栓生产厂家提供的发黑螺栓，根据得到的数据可以选定一个合适的报警阈值，在66个试样当中挑出14个不合格螺栓，其中5个是发黑不完全的，其余9个用金相显微镜观察均发现裂纹。而52个被认为合格的螺栓都通过了拉力测试。 本文研制的涡流阵列式探头，能够有效地对螺栓头杆结合部进行检测，解决了传统检测方法对螺栓头杆结合部检测时对周向裂纹误检率高的问题。在静态检测情况下，当裂纹深度达到0.8mm时，信噪比为3.09，能够达到国家自动探伤要求。相比于涡流单探头，涡流阵列式探头使用寿命更长，机械设计也更为简单。通过调整参数使八个探头保持良好的一致性，根据得到的数据能够找到一个理想的报警阈值，大大加快了检测速度和稳定性。假如在热处理以后，镀锌或者发黑以前进行检测，能够避免镀锌不均匀或者发黑不完全给检测结果带来的影响，从而提高检测的准确度。阵列式涡流探头具有许多常规探头不具备的特性，而阵列式探头的研制和应用在我国处于起步阶段，用于检测螺栓头杆结合部裂纹的几乎没有。本课题制作的阵列式涡流探头对今后螺栓检测的研究有一定的参考价值，为螺栓产品提供了质量保障。

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论文说明：图表目录

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前言

第一章文献综述

1.1涡流检测原理

1.1.1基本原理

1.1.2线圈的特性

1.1.3趋肤效应

1.2当今涡流检测技术发展概况

1.3螺栓缺陷形成的机理

1.4涡流探头对螺栓头杆结合部裂纹的动态检测

1.5阵列式探头对螺栓头杆结合部裂纹的检测

1.5.1电涡流阵列的形式

1.5.2电涡流阵列的测试方法

1.5.3涡流阵列式探头检测螺栓头杆结合部

1.6小结

第二章涡流阵列式探头设计和制作

2.1涡流探头的分类

2.2影响涡流探头的因素

2.3探头设计

2.3.1涡流探头的实验型设计

2.3.2涡流探头的解析型设计

2.3.3涡流探头的数值型设计

2.4探头线圈检测的分析

2.5建立单探头的数学模型

2.6阵列探头的设计

2.6.1阵列探头个数的设计

2.6.2频率的确定

2.6.3单个探头参数的确定

2.7探头骨架的设计及制作

2.8试样的制作

2.9实验方法

2.10小结

第三章实验结果及分析

3.1各个探头的电感

3.2没有经过线切割的螺栓

3.2对试样的测量

3.3实验结果分析

3.4误差分析

3.4.1系统误差

3.4.2偶然误差

3.5本章小结

第四章涡流阵列式探头的实际应用

4.1实验方法

4.2实验数据

4.3实验结果分析

4.4误差分析

4.5本章小结

结论

参考文献

致谢