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使用智能磁光传感器技术实现钢部件特性和缺陷的可视化

概要

微磁材料表征涉及对铁磁钢和铸铁的材料特性和应力状态进行无损测定。微磁技术的功能基于这样一个事实:微观结构及其应力状态一方面赋予铁磁材料机械特性,另一方面显著影响其磁化行为。德国Fraunhofer IZFP开发的3MA方法(微磁多参数微观结构和应力分析)利用各种相互作用机制,从无损测量的微磁参数中得出有关材料机械技术特性的结论,并且已经在大规模工业应用中证明了其有效性。

  钢制部件广泛应用于汽车和铁路等各种应用领域,通常满足安全关键要求。优化调整的残余应力状态、硬度和强度等机械技术材料特性以及无生产或运行裂纹等缺陷,是钢制部件工业质量保证和状态评估不可或缺的标准。然而,破坏性测试只能随机进行。因此,对与质量相关的机械技术材料和产品特性进行无损检测,不仅有助于提高经济效益和资源效率,还能通过确保整个产品的质量和定期状态监测来保障安全。
  在这方面,微磁材料表征涉及对铁磁钢和铸铁的材料特性和应力状态进行无损测定。微磁技术的功能基于这样一个事实:微观结构及其应力状态一方面赋予铁磁材料机械特性,另一方面显著影响其磁化行为。Fraunhofer IZFP开发的3MA方法(微磁多参数微观结构和应力分析)利用各种相互作用机制,从无损测量的微磁参数中得出有关材料机械技术特性的结论,并且已经在大规模工业应用中证明了其有效性。除了微磁相互作用机制外,磁化材料表面的漏磁分布也揭示了与质量相关的特性,即在靠近表面的不规则处(例如裂纹或夹杂空气或炉渣)会形成局部增加的磁通密度。磁粉检测基于此现象,在工业中得到广泛应用,但存在资源和工艺方面的缺陷。随着工业过程数字化程度的提高,基于传感器的漏磁技术对于质量保证和状态评估具有重要意义。
  在微磁学和漏磁技术这两种情况下,表面的空间分辨图像或研究都令人感兴趣。虽然基于探针的杂散磁通检测需要以成像形式了解杂散磁场的局部分布,但这并不是微磁学的基本要求,而且迄今为止只有高成本才能实现。实现局部定义的不均匀性能分布的制造和应力处理工艺的数量正在增加(例如激光淬火、感应淬火)。此外,有些工艺在发生故障时会产生局部异常。相应的质量保证基本上需要检查许多离散位置直至全场成像。为了通过基于探针的漏磁技术和微磁检测方法实现空间分辨率,必须借助操纵器系统使用适当的传感器对铁磁部件表面进行逐点测量(光栅化)。在实践中,由于支撑点数量增加,且机械手系统的定位精度也随之提高,此类系统的速度在数小时左右,因此在横向分辨率不断提高的情况下,其速度是一个缺点,因此不能认为其能够实现100%的质量保证。使用传感器阵列(线、矩阵)可以实现加速;然而,阵列元件的尺寸和成本会显著限制经济效益,尤其是在微磁学应用中。

“VISiMOS”项目中要验证的方法旨在在几秒钟内实现钢铁材料性能的详细成像和无损检测以及无裂纹测试。

  “VISiMOS”项目中要验证的方法能够在短短几秒钟内对材料特性进行详细成像和无损检测,并确定是否存在裂纹。采用了基于法拉第效应的磁光传感器。传感器中的数码相机记录磁光换能器表面磁场强度分布法向分量的局部分布。Fraunhofer IZFP开发了一种基于在研究对象循环再磁化过程中采集和分析磁光图像数据的计量方法。一方面,利用基于3MA方法的分析技术提取用于表征材料机械工艺特性的微磁特征,并将其以图像形式输出。此外,还利用信号和图像处理方法,实现了用于高分辨率裂纹检测的磁通泄漏测试的额外可能性。这两方面都得到了成功展示。
  “VISiMOS”项目的创新目标是开发一种磁光传感器,该传感器能够几乎实时地提供不同工作模式下残余应力局部分布的量化图像,并检测裂纹。这满足了铁磁钢零部件的工业质量保证和状态评估需求。通过使用高速摄像机,该传感器系统应能提供无与伦比的速度和空间分辨率,用于微磁材料特性和状态评估。

——转自Fraunhofer IZFP网站

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