磁痕成像系统自动无损探伤与判别技术探讨

秦春林，孙宝民，任 帅

（神华铁路装备有限责任公司包头车辆维修分公司，内蒙古包头 014060）

0 引言

磁粉探伤的效果较为明显，其技术的成熟程度和运行成本具有较好效果，被广泛应用于工业铁铸件的质量检测环节。基于机器视觉的表面检测技术已经成为当前无损检测技术中较为常见的技术之一。一般情况下，对于磁痕的观察与检测都是通过人工的观察和识别进行缺陷判别手段来实现的，其探伤结果受到人工的主观或专业水平影响而出现判断失误和判断缺陷，无法保证探伤效果的精准性、可靠性和一致性。而且在探伤人员进行磁痕观察时，由于视觉受到紫外线辐照和强磁场的辐射影响以及长时间处于暗室环境中进行操作，会对工作人员的身体健康带来极为重大的影响。所以，对于磁痕的探伤和判别技术进行自动化技术的研究有着极为重要的意义。通过利用具备高性能的紫外线光纤灯、高清分辨率的工业用相机和高水平的智能化图像处理技术、缺陷识别技术等，集中光、机电控制技术于一体的自动化技术进行人工观察与检测识别，让电脑操作代替人工检查来实现磁粉探伤检测的全过程操作，以降低人工检测与观察所带来的误差率，实现高精度的质量检测。

1 磁粉探伤的原理概述

磁粉探伤，学术角度称为磁粉检测，是属于工业铁铸件当中所常用的无损检测方法之一，常用于铁铸件、铁磁性材料和生产制品的磁痕检测，从专业角度阐述原理可以概括为:利用铁铸件或铁磁性材料的缺陷处漏磁场与磁粉之间的相互作用力，让铸件和磁性材料的工件表面或近表面的缺陷位置存在的磁力线产生一定程度的畸变，该畸变状态下部分磁力线溢出，并在工件表面位置形成具有一定强度的磁场，当工件表面被喷洒磁粉时，磁粉在缺陷处被强大的磁场所磁化，磁粉吸附在工件表面的缺陷部位，并沿磁感线按照磁场形成的规律进行排列分布，由此形成一条较为明显的磁痕。磁痕的无损探伤原理主要利用磁场和磁粉的磁化，使其在形成磁场情况下实现对工件表面缺陷的检测与探查，即为磁粉探伤技术，如果没有漏磁场的存在，磁粉检测就无法对工件缺陷做出准确的检测[1]。目前磁痕成像技术在进行检测时，其检测结果常受到人为操作和主观判断等因素的影响，存在的误差会导致检测精准度下降。因此，实现磁痕成像系统的自动无损探伤与自动判别技术具有十分重要的意义和作用。

2 磁粉探伤技术的特点

磁粉探伤技术的优点，在于其能够直观显现工件表面的缺陷。在LED 紫光灯的照射下观察磁粉依附的缺陷，对缺陷的形状、大小和具体位置做出明确检测，并且依据工件表面缺陷的呈现形态以及加工技术原理确定缺陷分类。磁粉探伤具有极高的检测灵敏度，利用磁粉可以仔细观察工件表面的细微缺陷，当缺陷裂纹宽度过大或者裂纹深度太浅等情况，会降低检测的准确度和灵敏度。但磁粉探伤技术不会受到工件大小和形状的局限，其原理上的优势能够对工件采用合适的磁化方法以及磁化强度进行磁化，大部分状态下都能够检测出工件表面的缺陷和伤痕。

磁粉探伤的传统操作较为简单，主要依靠人工进行视觉上的观察和检测，操作较为简单、时间短，成本投入比较低，但人工观察和操作存在一定程度的人为误差。磁粉探伤所检测的工件必须是铁磁性材料或制品，其裂纹的深度不可以超过1～2 mm。一些不具备磁化条件的材料无法进行磁粉检测，例如铝制工件、钛工件等非磁性材料。此外，磁粉探伤的灵敏度与磁化方向也具有一定联系，如果裂纹方向与磁化方向保持近似平行的状态，工件的表面裂纹是极为不容易显现出来的。而且表面较浅的划伤或较深的孔洞，磁粉也无法做到较为明显地吸附，同样无法进行检测显现。还有一种情况是工件的表面如果经过涂层处理，会在较大程度上降低工件的磁性，导致检测的灵敏度下降，而且工件表面涂层越厚，其磁性和检测灵敏度就越低[2]。最后一点在于工件如果是利用电流来产生磁场进行磁化的，那么检测结束后还需要进行退磁处理。

3 磁粉探伤技术的应用现状

3.1 磁粉探伤检测方法的现状

磁粉探伤是工业用工件缺陷检测极为常用的检测技术之一，其应用的时间较长，技术方法的运用也较为成熟，绝大多数工厂和生产磁性工件的制造厂都在使用磁粉探伤技术进行铁磁性零部件的表面和近表面缺陷检测。科学技术和生产技术一直在不断地研究与发展，生产技术的进步促使所生产的工件质量提升、缺陷存在率逐渐降低，缺陷的尺寸与形状也越来越小。基于此点，发达国家研制了一种利用脉冲式磁化与退磁技术进行巨大尺寸的工件检测，并设计和生产出质量较轻、方便携带的针对小型工件检测的磁粉探伤设备，其设计理念是基于交叉和正交线圈相结合的工件磁化技术，实现对尺寸较大工件和特异形状工件进行检测的功能[3]。

就技术性来讲，目前国内具有世界级影响力和竞争力的磁粉探伤设备生产技术的企业和制造商数量极少，具有顶尖竞争力的磁粉探伤设备生产和研发技术的企业多数分布在欧美等国家，如德国、意大利、美国等。而在缺陷检测的识别方法上，我国的一些科研机构尝试研究将技术成熟的机器视觉检测技术应用到磁粉探伤领域中，其主要涉及数字图像处理和识别技术模式的融合应用，并且取得了一定成果，但还无法做到推广应用，仍需完善。

3.2 其他无损检测探伤的研究

目前，我国对于磁粉探伤技术的研究通过对国外发达国家先进技术的借鉴和实际的检测方法研究，在磁粉耗材和设备仪器上都做出了很大水平的改善。国外国家大多习惯使用具有较高浓度的磁悬液进行稀释配置来实现磁化标准和磁粉附着效果的实现，而国内目前所使用的是干磁粉兑油基进行磁悬液的配置。由于磁粉处于长时间在磁悬液的浸泡下，其表面的染料会自行脱落，并导致荧光粉的效果降低，以致无法实现磁粉检测过程中相关精准度的提升。国内的设备仪器在稳定性上也与发达国家存在一定的差距，国外的磁粉探伤设备多数是由美、德、日等发达国家生产和研制的，其技术相比国内的领先程度较高。整体来讲，国内目前具有较高技术水平和高质量设备的制造商较少，对于磁粉探伤设备的研究方向也各有不同[4]。目前，我国位于上海的企业已经逐渐向磁粉检测设备的便携化方向研究，自动化水平和自动判别技术已经取得一定成果，在很大程度上改善和提升了磁粉探伤检测技术的精度、效率和检测效果。

3.3 当前人工视觉检测方法的问题与难点分析

目前的人工视觉检测方法仍存在很多问题，首先是工件的磁化方面受到很多因素的限制，尤其是工件的材质要求较高，只能针对部分磁化程度较高的金属工件进行检测；其次是人工视觉检测会受到人为因素、视觉疲劳和检测环境的影响，人眼的视觉识别存在长时间观察下所形成的视觉差，对检测精度造成较大影响。

4 自动无损探伤和自动判别技术构成

4.1 磁痕成像系统自动无损探伤的磁粉采集部分

磁粉采集和磁痕成像系统的构成主要是依靠LED 紫外光灯、以太网口交换机、高清晰分辨率的工业用相机和工业镜头所组成的。紫外光照明灯由多个紫外光LED 照明灯灯珠组成，采用的紫外灯必须达到较高的照明度才能满足磁痕成像的光照度要求。另一方面，工业用高分辨率的工业相机的分辨率不能低于1920×1080，要求其摄像速率必须达到一定帧率，并具有较广的视角、成像精度和良好的成像质量，可以按照不同现场、不同工件表面状态进行镜头的选择和设定，相机接口要以以太网口为佳，配合交换机和电脑同时连接多台高清相机，以提升成像速度，确保磁粉检测和磁粉的采集精度[5]。

4.2 磁痕成像系统自动无损探伤的磁痕缺陷判别部分

缺陷判别是整个磁痕成像系统自动无损探伤检测的重要组成部分，因其检测的工件表面所具有的缺陷会呈现不同性质、不同位置和不同的磁痕特征，要求磁痕成像系统自动缺陷判别的功能能够随位置变化指标的缺陷选择识别算法，将工件的目标位置作为识别的主要特征，并依据图像中的工件区域预先分割感应区，针对不同感应区选取不同算法，确保磁痕特征值和工件缺陷的荧光亮度等因素确定。

5 磁痕成像系统的应用分析

5.1 磁痕成像系统自动化水平的应用

实现磁痕成像系统的自动化水平，首先需要采集磁粉。根据磁粉的采集进行磁粉探伤结果的图像化，对超过原有质量要求的缺陷磁痕进行自动筛选和分类，此过程中需要注意对其自动操作的过程进行记录、存储、打印和图像处理，并按照缺陷磁痕的探测部位、长度、形状、范围、性质等进行自动筛选、归类，并按照标准要求判断是否符合探伤标准，如果达到轮轴磁粉探伤的自动识别裂纹缺陷和自动判伤的标准就能够确定其缺陷程度，借此来实现磁粉探伤检测过程的自动化运行和精准效果的达成。

其主要的应用技术难点在于磁粉的检测效果是基于磁痕图像来进行显示和判定，磁痕缺陷是否能够清晰地显现和检测，磁密度的保证极为重要。必须在工件磁化时选择最佳的磁化方向，并使工件达到足够磁化的强度，使工件得到完全合适的磁化。磁化的方法也是选择最佳的产生漏磁场的方向，并确保磁化电流值的适当调整和设置。

5.2 磁粉检测的探伤结果准确应用

按照磁痕成像系统的运行质量和对图像处理软件的应用，能够有效地实现对磁痕图像的自动采集，并依据原始图像进行缺陷的对比和自动判别，这一过程中要注意对原始磁痕图像的采集精度控制设定，确保其图像的清晰度和位置的精准录入，使其所形成的原始图像的处理能够依据缺陷磁痕的位置、尺寸和形状进行自动对比和判别显示，并且按照轮轴、轮对图形中的分布进行精准的位置确认，此功能可避免因人工观察检测而导致的人为误差，也是对检测效率的有效提升，最大程度上降低因漏报、错报缺陷而导致探伤结果的准确性下降情况。

5.3 提高LED 紫外线灯与高清工业相机的组合应用

磁痕成像系统的运行和高精度图像的成像处理的基础，在于LED 紫外线灯与高清工业相机的组合使用。LED 紫外线灯的照射能够使磁粉形成较为明显的状态，并通过高清晰度的工业相机进行快速的影像捕捉，由此形成磁粉探伤的原始图像，才能够进行自动探伤的检测和探伤的自动判别技术。因此，对于LED 紫外线灯与高清工业相机的组合应用，必须要做到高标准地设定与调试，确保LED 紫外线灯光线的标准设定和冷光源、无热辐射、响应时间快和点量无延迟等标准点的具备，而且要能够实现高清相机与LED 紫外线灯之间的高速同步，使其能够形成磁痕采集的基本单元，实现对高清晰度、高质量磁痕图像的获取。

进行磁痕影像的快速捕捉时，注意对一些工件几何形状引起的非相关显示的判别准确性技术调整。非相关显示主要指不属于缺陷所引起的，而是与工件材质、形状结构、磁化方式或者加工技术等因素有关。一般来讲，存在非相关显示不会影响工件正常投入使用，大多数存在非相关显示的工件在质量和安全上都属于合格品。但值得注意的是，非相关显示与相关显示较为相似，常会造成判别技术中将其与磁痕探伤相混淆，从而造成误判。所以在应用高清成像技术设备时要注意将这一问题进行有效解决。

5.4 磁粉检测探伤结果的判定依据

磁痕图像的应用是实现计算机控制的自动化技术在线文档记录、检测时间、节点、操作人员、检测工件数、废品率、合格率以及图像数据查询等信息数据的获取和存储，尤其是能够进行磁痕图像的自动粘贴和生成格式的设定，并形成极为详细的磁粉探伤记录与检测报告，使磁粉检测的探伤结果能够有据可查，提供判定依据的数据支持。从技术层面来讲，磁粉检测探伤结果的判定依据具有较高的科学性、精确性和可靠性，从磁粉采集到成像，从判别和最终磁痕探伤的准确识别，再到检测报告等一系列的操作可以看出，每一个环节都能够做到合理和有序，并保留下相关的操作和流程记录，确保检测结果的精确程度。

6 结束语

对于工业生产中的铁铸件质量检测，其工作环境和工作方式对质量检测结果和工作人员的身体健康都会带来极大影响。磁痕成像系统的自动化技术研究以及自动无损探伤和自动判别技术的应用，能够在最大程度上提高缺陷磁痕的检测结果和精准的自动捕捉，并进行高精度的自动识别与自送判别，能够实现对检测效率、检测质量和检测精确度的最大程度提升。磁痕成像系统的自动化技术还能够广泛应用到多种工业生产和铁铸件的生产检测当中，能够全面提高机械生产和机械设备、车辆维修制造等生产质量的整体技术水平，对制造质量和行车安全有着极为重大的作用与实际意义。