| 摘要：為保障千千萬(wàn)萬(wàn)沖壓工人的人身安全，作者提出并實(shí)施了一種無(wú)損檢測(cè)沖壓/鍛壓模具疲勞裂紋的新方法-鐵磁性金屬構(gòu)件自磁化熒光磁粉探傷法，本文簡(jiǎn)介了其研究緣由、觀測(cè)發(fā)現(xiàn)、理論依據(jù)、方案選擇、實(shí)踐結(jié)果、新方法的*性和局限性及其在沖壓/鍛造和其他工業(yè)中的推廣前景。 |
| 關(guān)鍵詞：沖壓模具；鐵磁性金屬；自磁化；熒光磁粉探傷 |
| 1.問(wèn)題的提出 |
| 我有個(gè)客戶在使用五金沖壓模具時(shí)突然爆裂，飛迸出來(lái)的碎片導(dǎo)致操作工人死亡，他們急需要將所有的模具全面地進(jìn)行探傷。于是找到了我，并邀請(qǐng)我前往他們公司實(shí)地參觀模具的操作過(guò)程。我根據(jù)他們的情況建議他們將模具拆卸下來(lái)做探傷，也給他們提供了渦流和熒光磁粉探傷方法的培訓(xùn)，故這兩年來(lái)也能解決一些問(wèn)題，檢出很多裂紋，為減低意外的發(fā)生起到一定作用。但實(shí)行這種方法一定要拆卸模具，這樣做會(huì)影響生產(chǎn)進(jìn)度和產(chǎn)品的質(zhì)量（產(chǎn)品的一致性），因?yàn)橥C(jī)就會(huì)停產(chǎn)，再重新安裝模具調(diào)校時(shí)或多或少都會(huì)有誤差，有誤差就引起產(chǎn)品的不一致性和影響產(chǎn)品質(zhì)量。若平時(shí)不能經(jīng)常地檢測(cè)就不能有效地防止意外發(fā)生，而且模具在有小裂紋時(shí)或者在爆破之前，模具尺寸和形狀變化也會(huì)影響產(chǎn)品的尺寸和形狀，甚至造成大批廢品，為廠家?guī)?lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。 |
| 那么有什么辦法可以在不拆卸模具的情況下并可在任何時(shí)候讀能有效地檢測(cè)出裂紋來(lái)呢？ |
| 2.鐵磁性金屬構(gòu)件的自磁化現(xiàn)象 |
| 我在現(xiàn)場(chǎng)看見(jiàn)工人用螺絲刀在靠近模具時(shí)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁性吸力，在模具的邊緣可以清楚地看到?jīng)_壓過(guò)程中下來(lái)的鐵銹和碎鐵片吸附在模具上，工人們要用螺絲刀來(lái)吸走鐵銹和碎鐵片，否則就影響模具的沖壓。對(duì)于這種磁化現(xiàn)象，我稱其為“鐵磁性金屬構(gòu)件的自磁化現(xiàn)象”。 |
| 模具自磁化的規(guī)律即磁場(chǎng)強(qiáng)度與使用次數(shù)（或者時(shí)間）的關(guān)系見(jiàn)圖1，縱坐標(biāo)為磁場(chǎng)強(qiáng)度，橫坐標(biāo)表示使用次數(shù)或時(shí)間，隨著次數(shù)的增加，磁場(chǎng)強(qiáng)度也逐漸增加，到達(dá)某一水平時(shí)不再明顯地增加或減小（磁飽和點(diǎn)），如果出現(xiàn)裂紋時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)突然增高至幾倍甚至百倍于正常的磁場(chǎng)強(qiáng)度。 |
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| 3.鐵磁性金屬構(gòu)件自磁化現(xiàn)象的理論依據(jù) |
| 為什么會(huì)有這種現(xiàn)象呢？ |
| 五金沖壓機(jī)械上的模具在長(zhǎng)期重復(fù)沖壓（沖擦、磨擦）的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磁化現(xiàn)象（自磁化），主要來(lái)自兩方面：①模具與模具之間的磨擦和擴(kuò)張生電（磁致伸縮生磁）；②被加工的工件也多是鐵磁性金屬，工件在切斷和冷作塑性變形時(shí)也會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，再者，模具與工件是緊密接觸的，因而將工件的磁也導(dǎo)入了模具。由于所有模具的主要用料大都是含碳量高的合金鋼和進(jìn)行過(guò)淬火或者滲碳、滲氮、調(diào)質(zhì)等硬化熱處理工序，其剩磁感應(yīng)強(qiáng)度和矯頑力較高，以至保磁能力特別強(qiáng)，所以模具在反復(fù)沖壓過(guò)程中特顯了自磁化現(xiàn)象。 |
| 同時(shí)，模具在長(zhǎng)期使用后會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞，而金屬疲勞達(dá)到一個(gè)極*，就會(huì)出現(xiàn)破裂。自磁化的材質(zhì)在破裂的位置上會(huì)形成一個(gè)漏磁場(chǎng)，令該位置可以吸附磁粉，從而可以通過(guò)澆灑磁懸液觀察到磁痕顯示，特別是采用熒光磁粉，在紫外線燈的照射下，會(huì)產(chǎn)生人眼可見(jiàn)的黃綠色熒光，從而達(dá)到檢測(cè)出裂紋的目的。 |
| 過(guò)往的做法是需要先將模具拆卸，然后應(yīng)用磁粉或者其他NDT（無(wú)損探傷）方法。拆裝影響生產(chǎn)，而且每次校對(duì)模具非常費(fèi)時(shí)也影響產(chǎn)品的一致性。在不拆卸的情況下用普通磁粉探傷方法難以全面磁化，內(nèi)孔和內(nèi)槽或狹窄的構(gòu)件也無(wú)法檢測(cè)到；用渦流探傷方法也有很大的局限，同時(shí)要求檢驗(yàn)人員具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和技巧，內(nèi)孔和內(nèi)槽或狹窄的構(gòu)件同樣也無(wú)法檢測(cè)到。 |
| 五金制品廠有大量的沖壓機(jī)器，各式各樣的沖壓機(jī)器上又有不同形狀的模具，模具的組合通常由一對(duì)公母模具組成，公模插入母模壓制工件成形為各式各樣的、大大小小的五金制成品，母模在沖壓的過(guò)程中受到擴(kuò)張的應(yīng)力，長(zhǎng)期的重復(fù)使用后會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋，如果模具有裂紋（破裂），其沖壓出來(lái)的制品的形狀和尺寸肯定會(huì)變形和偏差，嚴(yán)重地影響產(chǎn)品質(zhì)量甚至造成廢品，特別是快速和多件式的沖壓機(jī)更會(huì)在短時(shí)間內(nèi)就造成大量的廢品，肯定造成經(jīng)濟(jì)損失。如果模具基座突然爆裂，其破碎片迸出，更會(huì)造成人命傷亡，不幸地，這些事故卻時(shí)有發(fā)生... |
| 如何有效地檢出模具的裂紋而不影響生產(chǎn)呢？這一直是令人們費(fèi)煞思量的問(wèn)題。今天，我們發(fā)現(xiàn)工件在機(jī)械式的重復(fù)磨擦中自身磁化這一自然現(xiàn)象，而且在有裂紋的位置會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的漏磁場(chǎng)，因而可利用漏磁能吸附磁粉的原理來(lái)檢測(cè)裂紋。 |
| 傳統(tǒng)的磁粉探傷原理一樣是利用漏磁場(chǎng)吸附磁粉來(lái)檢測(cè)裂紋，不同的是磁粉探傷需要外加磁場(chǎng)，而我們現(xiàn)在是利用模具在沖壓過(guò)程中自磁化產(chǎn)生漏磁場(chǎng)吸附磁粉來(lái)檢測(cè)裂紋。通過(guò)實(shí)際觀察，我們還發(fā)現(xiàn)由工件自磁化產(chǎn)生的裂紋痕跡是zui自然和zui真實(shí)的，不論模具形狀如何復(fù)雜，都如實(shí)地將有裂紋的痕跡呈現(xiàn)出來(lái)，*不需要考慮磁化方向的問(wèn)題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的磁粉探傷方法一定要考慮磁化方向，磁化方向與裂紋方向平行時(shí)是無(wú)法呈現(xiàn)磁痕的，形狀復(fù)雜的工件更難以覆蓋所有的方向；另外，磁化線圈、磁軛無(wú)法靠近或者*接觸工件，大大地降低了真實(shí)的磁化強(qiáng)度，磁化強(qiáng)度不足時(shí)靈敏度會(huì)下降，難保不會(huì)漏檢，也有可能誤將自磁化形成的磁痕跡消除掉反而造成漏檢。 |
| 漏磁也可以應(yīng)用現(xiàn)在流行的“磁記憶”法，但是這種方法難以使用而且需要由很有經(jīng)驗(yàn)的操作人員進(jìn)行，其效率也低，還涉及很復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，以及缺陷定量、定性等等問(wèn)題。 |
| 磁粉探傷方法相對(duì)簡(jiǎn)單容易操作，任何人稍作培訓(xùn)就能操作。為什么選擇采用熒光磁粉呢？因?yàn)闊晒獯欧墼谧贤饩€燈照射下激發(fā)出人眼zui敏感的黃綠色熒光（波長(zhǎng)510~550nm），而且它對(duì)一些內(nèi)孔、內(nèi)槽和狹窄位置也能有效地檢出。 |
| 我們選擇采用罐裝油基性的熒光磁懸液（BS4069），效果，其靈敏度高、流動(dòng)性好，而且清洗容易，不影響制品生產(chǎn)。再配備一套便攜式紫外線燈，110V或220V交流電源，800~1000μW/cm2﹝BS4489﹞。在現(xiàn)場(chǎng)若環(huán)境光小于20lx可以直接用黑光燈照射檢測(cè)，有需要時(shí)可以黑布簾遮掩。也可以用LED型紫外線燈更加安全、方便、快捷，不需要黑暗的環(huán)境也能有效地檢測(cè)。 |
| 近年興起的磁記憶方法就是依據(jù)同樣的原理[1]~[3]。磁致伸縮是鐵磁性材料在受到應(yīng)力-應(yīng)變時(shí)引起的磁化現(xiàn)象，在應(yīng)力集中的位置（或有裂紋的位置）出現(xiàn)漏磁場(chǎng)，鐵磁性材料在地磁場(chǎng)中因機(jī)械應(yīng)力-應(yīng)變引起的自發(fā)磁化規(guī)律見(jiàn)圖2[1][3]。 |
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圖2 鐵磁材料工件在地磁場(chǎng)中因機(jī)械應(yīng)力-應(yīng)變而產(chǎn)生的磁化
He-地磁場(chǎng)；|B|-磁感應(yīng)；|ε|-應(yīng)變；Br-剩余磁感應(yīng)；△Br-剩余磁感應(yīng)增量；△σ-周期性載荷增量，MPa
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| 實(shí)際上，這就是沖壓/鍛壓模具的“運(yùn)行磁化”和（鐵磁性）制件的“加工磁化”現(xiàn)象[4]。 |
| 4.鐵磁性金屬構(gòu)件自磁化熒光磁粉探傷法的研究 |
| 4.1磁記憶檢測(cè)法的不足 |
| 根據(jù)圖1的原理，我建議用磁記憶每天下班時(shí)測(cè)量模具的磁場(chǎng)強(qiáng)度就可監(jiān)控模具的使用狀況，若每天測(cè)量的數(shù)據(jù)都維持在某一水平就表示正常，如果有一天突然有倍增的高磁場(chǎng)強(qiáng)度，那么模具就很可能有裂紋了！這時(shí)可以拆卸模具并進(jìn)一步用其他NDT方法驗(yàn)證。我曾在一個(gè)有裂紋的模具上做過(guò)磁記憶，可以很清楚測(cè)量到有裂紋的位置其磁場(chǎng)強(qiáng)度百倍于沒(méi)有裂紋的位置。照說(shuō)這是很簡(jiǎn)單易行的，但是操作起來(lái)不直觀，客戶不容易接受，而且需要懂技術(shù)的人來(lái)做，所以也就沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用和推廣。 |
| 4.2磁粉探傷方法 |
| 后來(lái)我想出一個(gè)方法-“鐵磁性金屬構(gòu)件自磁化熒光磁粉探傷法”。 |
| 我們?cè)谧龃欧厶絺麜r(shí)都知道一定要外加磁化磁場(chǎng)，分連續(xù)磁化法和剩磁法，其中剩磁法是先磁化工件，利用工件能保留剩磁和有裂紋的位置形成漏磁場(chǎng)的特性，然后再灑上磁粉來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，這種方法已經(jīng)使用了很多年了，也是可行的，但是在使用中的模具現(xiàn)場(chǎng)外加磁化不方便。根據(jù)這個(gè)原理和以上分析，我們知道鐵金屬在反復(fù)的機(jī)械式?jīng)_壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磁化現(xiàn)象，當(dāng)自磁化到一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)（所以一定要用過(guò)一段時(shí)間的模具才能使用這個(gè)方法），在有裂紋的位置會(huì)形成漏磁場(chǎng)，利用該漏磁場(chǎng)會(huì)吸附磁粉的特點(diǎn)，就可以像磁粉探傷一樣來(lái)進(jìn)行檢測(cè)了。 |
| 4.3新方法的*性 |
| 1） 不需要拆卸模具（或者簡(jiǎn)單拆除裸露即可）； |
| 2） 不需要外加磁化磁場(chǎng)； |
| 3） 任何時(shí)間都可以檢測(cè)，不需要特別停工，只需每天下班時(shí)或者例行檢修時(shí)順便做，或者對(duì)模具（構(gòu)件）懷疑有異?，F(xiàn)象時(shí)隨時(shí)就可以檢測(cè)，大大地增加了檢測(cè)量（次數(shù)），相對(duì)地提高了安全系數(shù)； |
| 4） 熒光磁粉的靈敏度zui高，而且模具的內(nèi)孔、內(nèi)槽位置在紫外線燈的照射下也可以檢出裂紋來(lái)（用手電筒式的LED紫外線燈更加方便）； |
| 5） 操作簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就可以操作。 |
| 4.4新方法的局限性 |
| ①被檢工件一定要是高碳鋼和合金鋼，而且是經(jīng)過(guò)熱處理（如滲碳、淬火、正火、滲氮等硬化處理）的模具，即具有高導(dǎo)磁率、高剩磁，才能滿足檢測(cè)需要； |
| ②一定要是經(jīng)過(guò)多次沖壓（磨擦）和使用過(guò)的模具（構(gòu)件）才能有較強(qiáng)的自磁化現(xiàn)象產(chǎn)生； |
| ③必須在紫外線燈（傳統(tǒng)的紫外線燈和zui近出現(xiàn)的LED紫外線燈都行）下使用，而如果采用黑磁粉，則由于被檢模具多為光潔度高的光亮表面，使用黑磁粉獲得的對(duì)比度遠(yuǎn)不如熒光磁粉而不易觀察； |
| ④據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，必須使用油基性熒光磁懸液（BS4069）才能夠獲得較好的檢測(cè)效果； |
| ⑤檢測(cè)人員需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，視力正常，沒(méi)有熒光色盲； |
| ⑥有需要時(shí)用其他NDT方法驗(yàn)證。 |
| 此外，檢驗(yàn)員要有一個(gè)適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)，能正確地分辨假缺陷和非相關(guān)顯示，常見(jiàn)的非相關(guān)顯示有：①模具本身結(jié)構(gòu)組合處（縫隙）；②磨削裂紋（表面均勻的網(wǎng)狀裂紋）；③劃痕。 |
| 5.結(jié)論 |
| 我做無(wú)損探傷近三十年，zui近再查看有關(guān)磁粉探傷的書籍，還沒(méi)有看到有人利用過(guò)“鐵磁性金屬構(gòu)件自磁化熒光磁粉探傷法”，我想將這種方法免費(fèi)地傳授給中國(guó)所有的五金行業(yè)，因?yàn)槲铱吹矫刻煊泻芏喙と苏驹跊_壓機(jī)前工作，一旦模具爆破，所迸發(fā)出的碎片會(huì)造成工人傷亡事故，特別是在現(xiàn)在的中國(guó)-世界加工廠，每天都有成千上萬(wàn)的工人站在這危險(xiǎn)的沖壓機(jī)前，冒著生命危險(xiǎn)在工作，一旦出事故，工人受到傷害，當(dāng)老板的也頭痛，因?yàn)槌隽耸鹿?，老板除了要賠償外，還會(huì)停工停產(chǎn)，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失... |
| 為了更好地推廣這種新方法的應(yīng)用，我想通過(guò)本文予以披露，使更多的沖壓工人及早從中受益，相信本方法在沖壓/鍛造工業(yè)中定能得到推廣應(yīng)用。 |
| 6.新方法的應(yīng)用前景 |
| 本方法不僅適用于五金行業(yè)，只要是鐵磁性金屬在運(yùn)行中有重復(fù)磨擦或者旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合都有可能使用，例如：我在鐵路車輛的一個(gè)馬達(dá)軸上，軸承位拆卸后直接噴灑熒光磁懸液就可以清楚看見(jiàn)裂紋，更令人感到驚奇的是意想不到的縱向裂紋出現(xiàn)在軸承的樽徑位，通常這些位置多是環(huán)向的疲勞裂紋，若按一般正常方法，用磁軛在軸向（縱向）施加磁化，就很可能將這種縱向裂紋給丟失了，除非再做一次周向磁化，否則會(huì)造成漏檢，所以可以肯定地說(shuō)鐵磁性金屬構(gòu)件自磁化熒光磁粉探傷法的另一優(yōu)點(diǎn)是能將不同方向的裂紋同時(shí)地和如實(shí)地顯示出來(lái)，不會(huì)漏檢，而且不需要考慮磁化方向（圖3）。 |
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圖3 馬達(dá)軸承樽徑位的縱向裂紋
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| 沖壓模具也是一樣，同時(shí)顯示不同方向的裂紋，而且是從內(nèi)徑向外擴(kuò)裂，用熒光磁粉配紫外線燈就很容易將孔內(nèi)的裂紋顯示出來(lái)（見(jiàn)圖4、5）。 |
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圖4 沖壓模具裂紋
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圖5 沖壓模具裂紋
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| 2002年5月重慶重型鑄造廠的嚴(yán)大衛(wèi)發(fā)現(xiàn)石油、天然氣鉆桿長(zhǎng)期使用后檢修時(shí)，只需直接噴灑磁懸液即可進(jìn)行磁粉探傷，因?yàn)樗鼈冊(cè)缫驯粡?qiáng)烈磁化了[5]。 |
| zui近我發(fā)現(xiàn)鐵路路軌在長(zhǎng)期與車輪磨擦后也自然磁化了，只要噴灑上熒光磁懸液再用紫外線燈照射就可以清楚地看見(jiàn)表面裂紋（見(jiàn)圖6、7），在黑暗的隧道里使用熒光磁粉效果更加好。 |
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| 總而言之，鐵磁性金屬構(gòu)件自磁化熒光磁粉探傷法還更可以廣泛推廣到各行各業(yè)，嶄新的應(yīng)用領(lǐng)域留待各位讀者自己去開(kāi)拓和研究吧！ |
| 參考文獻(xiàn) |
[1] Doubov AA. Diagnostics of metal and equipment by means of metal magnetic memory [A]. Proceedings of ChSNDT 7th Conference on NDT and International Research Symposium [C]. Shantou, China: 1999. 181-187.
[2] 任吉林、林俊明、池永濱等，金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2000.
[3] 仲維暢，金屬磁記憶法診斷的理論基礎(chǔ)-鐵磁性材料的彈-塑性應(yīng)變磁化[J].無(wú)損檢測(cè)，2001, 23（10）：424-426.
[4] 仲維暢，“加工磁化”和“運(yùn)行磁化”原因初探[A].中國(guó)電力工程學(xué)會(huì)第二屆無(wú)損檢測(cè)年會(huì)論文集[C].南寧：1981.；磁性無(wú)損檢測(cè)原理（論文集）.2003，南京：南京燃?xì)廨啓C(jī)研究所：1001-1008
[5] 仲維暢，“石油、天然氣鉆桿的自發(fā)磁化-金屬磁記憶檢測(cè)與診斷技術(shù)原理之五” 磁性無(wú)損檢測(cè)原理（論文集）.南京：南京燃?xì)廨啓C(jī)研究所：1148-1150 |
| 附： |
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使用手電筒式（發(fā)光二極管型）紫外線燈在沖床上檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)
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手電筒式（發(fā)光二極管型）紫外線燈與紫外線防護(hù)眼罩
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用黑磁粉在沖模上得到的裂紋磁痕顯示
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用熒光磁粉在沖模上得到的裂紋磁痕顯示
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用熒光磁粉在沖模上得到的裂紋磁痕顯示
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用熒光磁粉在凸輪軸上得到的裂紋磁痕顯示
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用熒光磁粉在路軌表面上得到的裂紋磁痕顯示
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用熒光磁粉在路軌螺孔上得到的裂紋磁痕顯示
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