一种轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测方法

摘要

一种轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测方法，属于轧辊无损检测方法技术领域，用于对轧机中的轧辊冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测。其技术方案是：使用超声波探伤仪和探头对下机后的被测支撑辊进行检测，首先对被测支撑辊进行标定，制得DGS曲线；然后被测支撑辊的辊身进行周向和轴向扫查；对辊身进行疲劳裂纹定性、疲劳裂纹定量和疲劳裂纹定位。本发明的检测方法具有安全可靠、灵活方便、操作简单等显著优点，为热轧板带轧机轧辊疲劳裂纹检测提供了一种新颖、实用的检测技术，填补了热轧轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测的空白，可以有效避免疲劳裂纹的加深和发展，显著降低了生产成本和提高了经济效益，在行业内有极大的推广使用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对热轧板带轧机中的轧辊冷作硬化接触疲劳显微裂纹的检测方法，属于轧辊无损检测方法技术领域。

背景技术

随着生产的快速发展，热轧厂的轧辊的使用负荷增大，支撑辊与粗轧工作辊的使用周期大幅延长，导致了轧辊的正常消耗增高。由于较长的使用周期以及高强度生产负荷，使得轧辊在使用过程中出现“冷作硬化接触疲劳显微裂纹”（以下简称疲劳裂纹）。目前，由于缺少对这种疲劳裂纹的超声波检测技术，使得带有裂纹的轧辊不能得到及时有效地处理，造成热轧厂轧辊消耗偏高，甚至轧辊边部剥落提前报废的不利局面，不但提高了生产成本，还严重影响了生产的顺利进行。

经过大量的研究与分析，“冷作硬化接触疲劳显微裂纹”形成机理是由于轧辊在机长期的、巨大轧制力和弯辊力等作用下，辊身表面接触区域产生塑性变形，由于压挤作用使得辊面硬度升高、韧性变差。同时，由于长时间的使用，使得辊面过钢区域过度磨损，形成过钢两侧凸起中部凹陷的“骨状”辊形，从而在原先就存在的辊面过钢部位的轧制线载荷峰值区域的轧制力更为增大，产生局部接触疲劳。轧辊在旋转时，辊面在频繁的交变拉压作用力下，辊面过钢部位皮下由于交变剪切应力下过度疲劳而产生沿辊身边缘周向方向上的疲劳裂纹带，一旦此裂纹扩展，就会引发支撑辊剥落报废。

这种疲劳裂纹的形成、发展分为四个过程：

第一，接触疲劳区域下应力峰值的区组织晶格发生开裂、扭曲、位错、层叠等轻度变形现象。此种情况肉眼不可见，只能在显微镜下可以看到；

第二，发生开裂、扭曲、位错、层叠的晶格进一步扩展、串联形成一定长度的显微裂纹。此种情况肉眼基本不可见，超声波可以检测到，磁粉略微看得到，着色探伤检测不到；

第三，显微裂纹在皮下进一步扩展、联结，形成一定面积网状裂纹层，在交变载荷的作用下产生宏观的条状或网格状裂纹，直至小剥落（掉肉）现象发生。此种现象宏观可见，通过对失效位置定量、定性的综合分析，有挽救的可能；

第四，裂纹、或显微裂纹在皮下残余应力、冶炼夹杂等影响下快速向辊身内部发展，直至结合层或脆弱区域发生大面积剥落或掉肩。此种情况一旦发生，轧辊无法挽回直接报废。

通过对“冷作硬化接触疲劳显微裂纹”形成机理和特点的分析，我们知道，疲劳裂纹的产生机理实质是受辊间弹性压扁及辊间接触受力产生的。接触力学的赫兹公式显示，接触疲劳区域下应力峰值在轧辊表面以下约10mm左右位置，裂纹形成初始微小难以发现辨别，其发展速度又极为迅速，一旦错过最佳处理机会就会酿成生产事故和巨额经济损失。因此，疲劳裂纹检测技术应该在裂纹发展的第二阶段对其实施监测与控制，可以达到安全预防与降低辊耗双重目的的最佳效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测方法，这种轧辊疲劳裂纹的检测方法可以通过超声波对轧辊的疲劳裂纹进行定性和定量检测，及时检出疲劳裂纹，以能够及时对有问题的轧辊实施磨削修复，避免裂纹缺陷的加深和发展，达到降低辊耗的作用。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测方法，使用超声波探伤仪和探头对下机后的被测支撑辊进行检测，被测支撑辊的辊面表面光洁度▽6为佳，检测采用以下步骤进行：

a.仪器与探头的标定：在被测支撑辊上标定时，使探头距离轧辊端面200mm，调节增益将底波B调至80%f.s，记下此时的增益值，保持增益不变再将探头移动至距离端面400mm位置，记下此时底波B波高，按此方法类推，直至记下距离端面800mm位置底波B波高，将以上记录点连接成平滑曲线，既制得DGS曲线；

b.扫查方式：在被测支撑辊的辊身两侧距离端面800mm位置，向端面做周向扫查，在被测支撑辊的辊身两侧距离端面0～800mm位置做轴向扫查；

c.疲劳裂纹定性：在接触疲劳区域做轴向与周向表面波检测时，相同位置均有草状回波，即可判断为疲劳裂纹反射信号；

d.疲劳裂纹定量：两种扫查方向的缺陷波F不应同时高于DGS曲线对应位置B波波高的25%，达到这个标准即判定该轧辊合格，能够安全使用。

上述轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测方法，所述的疲劳裂纹定性步骤中，首先要排除轧辊材质或仪器灵敏度调节不当引起的晶界和晶粒草状反射回波。

上述轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测方法，还需要对轧辊进行疲劳裂纹定位，疲劳裂纹定位：一是轧辊正常使用下机后目测辊身两侧辊面磨损与粗糙度情况，裂纹易出现在接触磨损较为严重的区域；二是根据轧辊磨削前辊型曲线，接触疲劳区域主要出现在轧辊磨损后的“骨状”辊型陡峭的两侧。

本发明的有益效果是：

本发明通过现场大量的疲劳裂纹使用数据的搜集分析，总结出疲劳裂纹的发展过程与特点，针对其特点开发出人工超声表面波疲劳检测技术，这种检测方法适合对铸锻钢材质的所有支撑辊、粗轧工作辊的疲劳裂纹进行定性、定量和定位判定，通过及时地检出疲劳裂纹，避免一系列的上机轧制剥落事故，并能够及时对有问题的轧辊进行磨削修复，避免裂纹缺陷的加深和发展，对降低辊耗和提高轧辊有效使用起到了积极的作用。

本发明的检测方法具有安全可靠、灵活方便、操作简单等显著优点，自实施以来，近一年来共检测跟踪轧辊600余支次，无一例轧辊出现上机事故，为热轧板带轧机轧辊疲劳裂纹检测提供了一种新颖、实用的检测技术，填补了热轧轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测的空白，显著降低了生产成本和提高了经济效益，在行业内有极大的推广使用价值。

附图说明

图1是本发明的轧辊DGS曲线。

图中标记如下：增益z、探头距离辊身端面的距离x。

具体实施方式

通过对“冷作硬化接触疲劳显微裂纹”形成机理和特点的分析，疲劳裂纹的产生机理实质是受辊间弹性压扁及辊间接触受力产生的，接触疲劳区域下应力峰值在轧辊表面以下约10mm左右位置，裂纹形成初始微小难以发现辨别，其发展速度又极为迅速，一旦错过最佳处理机会就会酿成生产事故和巨额经济损失。因此，疲劳裂纹检测技术应该在裂纹形成初始阶段对其实施监测与控制，可以达到安全预防与降低辊耗双重目的的最佳效果。

为此，我们开发出一套疲劳裂纹的超声波检测技术，从根本上解决此类问题。热轧厂掌握了这种关键技术以后，支撑辊与粗轧工作辊消耗得到大幅降低，并且再未发生一例轧辊剥落报废事故。

本发明的轧辊的冷作硬化接触疲劳显微裂纹检测方法，采用以下步骤进行：

仪器设备的准备工作：超声波探伤仪与探头应选用质量较好、灵敏度高的设备。本发明的一个实施例选用探头频率为2MHz表面波探头。

仪器与探头的标定方法：在被测支撑辊上标定时（辊面表面光洁度▽6为佳），使探头距离轧辊端面200mm，调节增益将底波B调至80%f.s，记下此时的增益值，保持增益不变再将探头移动至距离端面400mm位置，记下此时底波B波高，按此方法类推，直至记下距离端面800mm位置底波B波高，将以上记录点连接成平滑曲线，既制得DGS曲线。图1中的DGS曲线增益z、探头距离辊身端面的距离x。

扫查方式：在辊身两侧距离端面800mm位置，向端面做周向扫查，在辊身两侧距离端面0～800mm位置做轴向扫查。

疲劳裂纹定性：首先应排除轧辊材质或仪器灵敏度调节不当引起的晶界和晶粒草状反射回波。在接触疲劳区域做轴向与周向表面波检测时，相同位置均有草状回波，即可判断为疲劳裂纹反射信号。

疲劳裂纹定位：轧辊正常使用下机后可以目测辊身两侧辊面磨损与粗糙度情况，裂纹易出现在接触磨损较为严重的区域；可以参考轧辊磨削前辊型曲线，接触疲劳区域主要出现在“骨状”辊型陡峭的两侧。

疲劳裂纹定量（判定标准）：两种扫查方向的缺陷波F不应同时高于DGS曲线对应位置B波波高的25%，即判定合格，能够安全使用。

本发明的实施效果：

本发明在某企业热轧厂实施以来，近一年来共检测跟踪轧辊600余支次，无一例经过检测的轧辊出现上机事故。通过及时检出疲劳裂纹，避免了一系列的上机轧制剥落事故，并及时对有疲劳裂纹问题的轧辊进行磨削，避免裂纹缺陷的加深和发展，对降低辊耗和提高轧辊有效使用起到了积极的作用。