鋼板表面質(zhì)量檢測方法的對比與分析

鋼板表面質(zhì)量檢測方法的對比與分析

作為鋼鐵工業(yè)的主要產(chǎn)品形式，鋼板（包括板末和帶卷曲）已成為汽車、機械制造、化工、航空、造船等行業(yè)不可或缺的原材料。其表面質(zhì)量的優(yōu)缺點直接影響最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。然而在鋼板制造過程中,由于原材料、軋制設備和加工工藝等多方面的原因,導致連鑄板坯、熱軋帶鋼和冷軋帶鋼表面出現(xiàn)裂紋、氧化皮、結(jié)疤、輥印、刮傷、孔洞、針眼、鱗皮、表皮分層和麻點等不同類型的缺陷。目前,國內(nèi)外鋼鐵制造企業(yè)通常采用人工目視抽檢和頻閃光檢測等方法進行表面質(zhì)量檢測,經(jīng)過概率計算并參考檢測員的經(jīng)驗數(shù)據(jù)形成鋼板的綜合質(zhì)量評估。這些方法具有以下突出的弊端,即抽檢率低,不能100%反映鋼板表面質(zhì)量;實時性差,遠不能滿足在線高速的生產(chǎn)節(jié)奏;缺乏檢測的一致性、科學性,檢測的置信度低;檢測環(huán)境惡劣,對人身及設備損害較大。因而適時地開展鋼板表面缺陷在線無損檢測技術的研究工作,已成為國內(nèi)外學者和自動檢測設備供應商所共同關注的課題。1檢測機理的多樣性從檢測技術的觀點看,鋼板表面缺陷的在線檢測有如下一些特點:(1)檢測對象形式多樣,從連鑄板坯到各種型號的冷、熱軋帶鋼,因此檢測機理具有多樣性。(2)表面缺陷的種類隨著加工工序的延伸呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢,而且不同缺陷類別之間的光學、幾何和電磁等特性參數(shù)各異,增加了檢測的難度。(3)針對大量微細的表面缺陷,要求檢測系統(tǒng)的分辨力和靈敏度高,同時高速的生產(chǎn)節(jié)奏也決定了在線檢測的高實時性的特點。因此,對鋼板表面缺陷的無損檢測技術提出了很高的要求。1.1渦流探測器的檢測原理1989年法國洛林連軋公司福斯廠研制出一種安裝在火焰切割設備前端,在線無損檢測熱連鑄板坯表面質(zhì)量的渦流探測設備——EDISOL。通過配置在板坯上下表面作橫向往復移動的渦流探測器檢測縱裂紋,通過配置在板坯窄面和棱邊處固定的渦流探測器檢測橫裂和角裂,其檢測原理如圖1所示?？紤]到檢測位置處板坯寬面溫度通常都大大高于居里點(或磁性轉(zhuǎn)變點768℃),而板坯的棱邊附近和窄面的溫度只是接近或者低于居里點,因此對于縱裂、橫裂和角裂的檢測分別采用了兩種不同的差動式渦流探測器,根據(jù)板坯鋼是否具有鐵磁性來設計相應的工作頻率。ABBMetallurgy公司采用多頻渦流檢測原理開發(fā)出的DECRACKTOR連鑄板坯表面檢測裝置,可獲得更多的檢測參數(shù),并抑制多種干擾因素的影響,提高檢測的分辨力與可靠性,從而準確評價待檢板坯的表面質(zhì)量。1.2缺陷檢測原理挪威Elkem公司于1990年研制出Therm-O-Matic連鑄鋼坯自動檢測系統(tǒng)(圖2),其檢測原理是,在鋼坯傳送輥道上設置一個高頻感應線圈,鋼坯通過時,表面會產(chǎn)生感應電流,由于高頻感應的集膚效應,其穿透深度將<1mm。在有缺陷的區(qū)域,感應電流從缺陷下方流過,從而增加了電流的行程,導致在單位長度的表面上消耗更多電能,這將引起鋼坯局部表面的溫度上升。由于缺陷處的局部升溫取決于缺陷的平均深度、線圈工作頻率、特定的輸入電能、被檢鋼坯的電性能和熱性能、感應線圈的寬度和鋼坯的運動速度等因素,因此如使其它各種因素在一定范圍內(nèi)保持恒定,就可通過檢測局部升溫值來計算缺陷深度。Therm-O-Matic系統(tǒng)采用安裝在鋼坯周圍框架上的四個紅外(IR)掃描器來探測鋼坯各表面的縱向溫度分布,通過優(yōu)化調(diào)整高頻線圈以及IR掃描器與鋼坯之間的相對位置,可在線檢出熱鋼坯表面縱裂紋和橫裂紋等缺陷。日本茨城大學工學部的岡本芳三等在檢測板坯試件表面裂紋和微小針孔的實驗研究中,綜合比較了X射線、超聲波及紅外檢測等方法的檢測能力,結(jié)果是紅外方法的缺陷檢測分辨力高于前兩者。1.3在線不斷探索的在線經(jīng)營主體漏磁檢測技術廣泛應用于鋼鐵產(chǎn)品的無損檢測,其檢測原理是利用漏磁通密度與缺陷的體積成正比的關系,通過測量漏磁通密度從而確定缺陷的大小并對缺陷進行分類。因此,漏磁檢測技術可用于在線確定帶鋼中微小的非金屬夾雜物,但對于大量的表面缺陷,其檢測能力不足。日本川崎制鐵千葉制鐵所于1993年開發(fā)出在線非金屬夾雜物檢測裝置(圖3)。該裝置使用直流磁化的漏磁法,勵磁器與檢測元件呈同一方向配置,檢測元件采用了高靈敏度的半導體式磁敏元件,用于檢測水平磁通分量。磁敏傳感器的輸出信號經(jīng)帶通濾波器去除噪聲后,由計算機實時識別出缺陷目標并計算出非金屬夾雜物的體積等參數(shù)。日本NKK公司福岡制鐵所于同年研制出一種超高靈敏度的磁敏傳感器,實驗研究表明,該磁敏傳感器的檢測靈敏度和穩(wěn)定性均優(yōu)于通用的磁敏二極管、磁敏電阻和霍爾器件。1.4帶鋼表面缺陷在線檢測系統(tǒng)隨著本世紀60年代激光技術、CCD技術的相繼問世和計算機技術的飛速發(fā)展,機器視覺技術應運而生,并迅速在工業(yè)無損檢測領域推廣普及,有效拓展了無損檢測技術的應用范圍。機器視覺技術應用于鋼板表面缺陷在線檢測的機理是絕大多數(shù)表面缺陷的光學特性之間存在著明顯差異。70年代中期日本川崎公司開始研制鍍錫板在線檢測裝置,先后采用了斜交激光掃描系統(tǒng)和平行激光掃描系統(tǒng)進行鋼板表面缺陷檢測,并針對特定缺陷(如周期性缺陷)的信號處理問題采用了自相關技術和Fractal分析方法。1988年美國Sick光電子公司研制成功平行激光掃描檢測裝置,檢測原理如圖4所示,低功率He-Ne激光器發(fā)出的激光經(jīng)過反射鏡投射到一個高精度的多面體棱鏡表面,通過多面體棱鏡的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生垂直于帶鋼運動方向的橫向掃描。光線經(jīng)多面體棱鏡反射后通過遠心光路系統(tǒng)投射到帶鋼表面,帶鋼表面反射和散射的光線被光接收裝置接收并由光電倍增器完成光電轉(zhuǎn)換后,傳輸至后級計算機系統(tǒng),完成圖象信號處理和缺陷識別任務。Sick系統(tǒng)可檢出40多種表面缺陷。將電荷耦合器件(CCD)作為光學傳感元件的機器視覺檢測原理見圖5,圖中給出三種常用檢測光路配置形式。明域光路主要適于檢測散射和吸收光線的缺陷類型,暗域光路主要適于檢測明亮帶鋼表面上散射光線的缺陷類型,微光域光路則適于檢測微小的和低對比度的缺陷類型。組合應用這三種檢測光路,可確保檢出大多數(shù)的鋼板表面缺陷。在美國能源部的資助下,Honeywell公司于1983年開發(fā)出采用線陣CCD器件的連鑄板坯表面在線檢測裝置。通過增加CCD芯片的有效象元數(shù)和提高其幀轉(zhuǎn)移速率,并采用先進的數(shù)字圖象處理部件,該裝置能可靠地檢出針孔等微細的表面缺陷。1986年,Westinghouse公司和EastmanKodak公司在美國鋼鐵協(xié)會(AISI)的資助下,分別研制出各自的帶鋼表面缺陷在線檢測系統(tǒng),其中Westinghouse系統(tǒng)在最高帶速和最大帶寬下可提供0.7mm×2.3mm的縱、橫向缺陷分辨力。此外,為滿足軋制帶鋼表面在線檢測中高速數(shù)據(jù)處理的需求,意大利、美國和比利時的多家公司都相繼研制出專用的計算機處理系統(tǒng)。90年代以來,進一步完善和提高機器視覺檢測系統(tǒng)的自動化功能(缺陷自動分類等)及實用化水平已成為研究熱點,其中前者的應用研究最多。2帶鋼表面缺陷的檢測方法我國鋼板表面在線檢測技術的研究工作目前尚處于起步階段,整體水平較低,距離西方發(fā)達國家尚有相當大的差距。1990年華中理工大學羅志勇等采用激光掃描方法測量冷軋鋼板寬度和檢測孔洞缺陷,并開發(fā)了相應的信號處理電路,此后,又開展了線陣CCD和面陣CCD檢測技術的研究工作。1995年在國家“八五”重點科技攻關項目的資助下,他們研制出了采用多臺面陣CCD成象、通過基于PC環(huán)境的DSP系統(tǒng)所構成的圖象處理平臺進行冷軋帶鋼表面孔洞、重皮和邊裂等缺陷檢測和最小帶寬測量的實驗系統(tǒng)。同年,哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所開始進行帶鋼表面主要缺陷的靜態(tài)檢測和識別方法的研究,目前已經(jīng)取得了階段性成果。于此期間,上海寶山鋼鐵(集團)公司與原航天部二院聯(lián)合研制出冷軋帶鋼表面缺陷的在線檢測系統(tǒng),并進行了大量的在線試驗研究。3技術發(fā)展現(xiàn)狀和展望鋼板表面缺陷在線檢測的目的是在生產(chǎn)線正常運行的條件下實時、無遺漏地檢測出連鑄板坯和冷、熱軋帶鋼全表面上主要的缺陷類型,通過統(tǒng)計分析并參照產(chǎn)品質(zhì)量等級評定標準,評估出單個或批量產(chǎn)品的質(zhì)量狀況,并提供給工廠質(zhì)量控制部門,作為其決策的依據(jù)。因此,表面檢測系統(tǒng)是作為鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的質(zhì)量保證環(huán)節(jié)接入工廠過程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的。但是,現(xiàn)有的在線檢測系統(tǒng)的技術水平還遠未達到此要求。目前采用渦流、紅外和漏磁等檢測技術實現(xiàn)的檢測系統(tǒng)只適用于某些要求不高的應用場合,其檢測原理的局限性導致可檢出的缺陷種類和缺陷定量描述參數(shù)極為有限,無法綜合評估產(chǎn)品的表面質(zhì)量狀況。與以上無損檢測技術相比,激光掃描檢測可以顯著提高缺陷檢測靈敏度、檢測的實時性和數(shù)字信號處理結(jié)構的通用性,然而隨著應用研究的逐步深入,國內(nèi)外學者逐步認識到激光掃描檢測技術的局限性是對于微小的或低對比度的缺陷和某些“良性”缺陷(如油污等)的分辨能力不足;其專用的光學系統(tǒng)結(jié)構復雜,可維護性和可升級能力較差。以上這些不足限制了激光掃描檢測技術在鋼板表面在線檢測領域進一步實用化和工程化。從現(xiàn)有技術水平看,機器視覺檢測技術存在的主要問題是①對眾多缺陷的產(chǎn)生機理和外在顯現(xiàn)形式的綜合知識明顯不足,優(yōu)化的結(jié)構光學照明方法和檢測光路配置尚需深入探索,且檢測分辨力和靈敏度仍有待進一步提高。②檢測系統(tǒng)的信噪比較低,針對微小的、低對比度的缺陷缺少相應的微弱信號檢測方法。③缺乏通用的高速、海量數(shù)字信號處理硬件平臺和圖象處理及模式識別專用算法,這是機器視覺檢測技術應用研究的技術關鍵,也是當前研究中最富挑戰(zhàn)性的問題。然而,基于線陣CCD器件的機器視覺技術仍得到國內(nèi)外學者密切的關注?？茖W技術的高速發(fā)展為機器視覺檢測技術的進步提供了理論準備和技術支持。從技術上看,復雜的鋼板表面機器視覺檢測技術對高精度圖象傳感器件、高速數(shù)據(jù)采集與顯示、大容量的存儲以及復雜計算等的要求,在計算機和VLSI技術的高速發(fā)展中將得到解決。從理論上看,隨著計算機技術的發(fā)展,人工智能有了長足的進步,模式識別、神經(jīng)元理論及專家系統(tǒng)等日趨成熟,小波分析理論的興起,又為數(shù)字信號處理帶來了新的曙光?？梢灶A計,伴隨著這些理論和技術與工程實際的有效結(jié)合,機器視覺技術必將對鋼板表面缺陷的在線無損檢測作出應有的貢獻。1991年美國鋼鐵協(xié)會(AISI)主持召開了第12屆先進技術論壇,其中心議題就是評估鋼板表面無損檢測技術的研究現(xiàn)狀,并預測其在今后一段時間內(nèi)的技術動向和發(fā)展趨勢。來自全球主要鋼鐵制造企業(yè)和自動檢測設備供應商的代表在系統(tǒng)地總結(jié)鋼板表面在線檢測技術近30a發(fā)展歷程的基礎上,充分肯定了現(xiàn)有技術對于提高企業(yè)生產(chǎn)效