鐵磁性金屬構件自磁化熒光磁粉探傷法

摘要：為保障千千萬萬沖壓工人的人身安全，作者提出并實施了一種無損檢測沖壓/鍛壓模具疲勞裂紋的新方法-鐵磁性金屬構件自磁化熒光磁粉探傷法，本文簡介了其研究緣由、觀測發現、理論依據、方案選擇、實踐結果、新方法的*性和局限性及其在沖壓/鍛造和其他工業中的推廣前景。 關鍵詞：沖壓模具；鐵磁性金屬；自磁化；熒光磁粉探傷 1.問題的提出 我有個客戶在使用五金沖壓模具時突然爆裂，飛迸出來的碎片導致操作工人死亡，他們急需要將所有的模具全面地進行探傷。于是找到了我，并邀請我前往他們公司實地參觀模具的操作過程。我根據他們的情況建議他們將模具拆卸下來做探傷，也給他們提供了渦流和熒光磁粉探傷方法的培訓，故這兩年來也能解決一些問題，檢出很多裂紋，為減低意外的發生起到一定作用。但實行這種方法一定要拆卸模具，這樣做會影響生產進度和產品的質量（產品的一致性），因為停機就會停產，再重新安裝模具調校時或多或少都會有誤差，有誤差就引起產品的不一致性和影響產品質量。若平時不能經常地檢測就不能有效地防止意外發生，而且模具在有小裂紋時或者在爆破之前，模具尺寸和形狀變化也會影響產品的尺寸和形狀，甚至造成大批廢品，為廠家帶來重大的經濟損失。 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候讀能有效地檢測出裂紋來呢？ 2.鐵磁性金屬構件的自磁化現象 我在現場看見工人用螺絲刀在靠近模具時會產生很強的磁性吸力，在模具的邊緣可以清楚地看到沖壓過程中下來的鐵銹和碎鐵片吸附在模具上，工人們要用螺絲刀來吸走鐵銹和碎鐵片，否則就影響模具的沖壓。對于這種磁化現象，我稱其為“鐵磁性金屬構件的自磁化現象”。 模具自磁化的規律即磁場強度與使用次數（或者時間）的關系見圖1，縱坐標為磁場強度，橫坐標表示使用次數或時間，隨著次數的增加，磁場強度也逐漸增加，到達某一水平時不再明顯地增加或減?。ù棚柡忘c），如果出現裂紋時，磁場強度會突然增高至幾倍甚至百倍于正常的磁場強度。 3.鐵磁性金屬構件自磁化現象的理論依據 為什么會有這種現象呢？ 五金沖壓機械上的模具在長期重復沖壓（沖擦、磨擦）的過程中會產生磁化現象（自磁化），主要來自兩方面：①模具與模具之間的磨擦和擴張生電（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也會產生磁場，再者，模具與工件是緊密接觸的，因而將工件的磁也導入了模具。由于所有模具的主要用料大都是含碳量高的合金鋼和進行過淬火或者滲碳、滲氮、調質等硬化熱處理工序，其剩磁感應強度和矯頑力較高，以至保磁能力特別強，所以模具在反復沖壓過程中特顯了自磁化現象。 同時，模具在長期使用后會產生金屬疲勞，而金屬疲勞達到一個極*，就會出現破裂。自磁化的材質在破裂的位置上會形成一個漏磁場，令該位置可以吸附磁粉，從而可以通過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，會產生人眼可見的黃綠色熒光，從而達到檢測出裂紋的目的。 過往的做法是需要先將模具拆卸，然后應用磁粉或者其他NDT（無損探傷）方法。拆裝影響生產，而且每次校對模具非常費時也影響產品的一致性。在不拆卸的情況下用普通磁粉探傷方法難以全面磁化，內孔和內槽或狹窄的構件也無法檢測到；用渦流探傷方法也有很大的局限，同時要求檢驗人員具有豐富的經驗和技巧，內孔和內槽或狹窄的構件同樣也無法檢測到。 五金制品廠有大量的沖壓機器，各式各樣的沖壓機器上又有不同形狀的模具，模具的組合通常由一對公母模具組成，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，母模在沖壓的過程中受到擴張的應力，長期的重復使用后會產生疲勞裂紋，如果模具有裂紋（破裂），其沖壓出來的制品的形狀和尺寸肯定會變形和偏差，嚴重地影響產品質量甚至造成廢品，特別是快速和多件式的沖壓機更會在短時間內就造成大量的廢品，肯定造成經濟損失。如果模具基座突然爆裂，其破碎片迸出，更會造成人命傷亡，不幸地，這些事故卻時有發生... 如何有效地檢出模具的裂紋而不影響生產呢？這一直是令人們費煞思量的問題。今天，我們發現工件在機械式的重復磨擦中自身磁化這一自然現象，而且在有裂紋的位置會產生很強的漏磁場，因而可利用漏磁能吸附磁粉的原理來檢測裂紋。 傳統的磁粉探傷原理一樣是利用漏磁場吸附磁粉來檢測裂紋，不同的是磁粉探傷需要外加磁場，而我們現在是利用模具在沖壓過程中自磁化產生漏磁場吸附磁粉來檢測裂紋。通過實際觀察，我們還發現由工件自磁化產生的裂紋痕跡是zui自然和zui真實的，不論模具形狀如何復雜，都如實地將有裂紋的痕跡呈現出來，*不需要考慮磁化方向的問題，因為傳統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是無法呈現磁痕的，形狀復雜的工件更難以覆蓋所有的方向；另外，磁化線圈、磁軛無法靠近或者*接觸工件，大大地降低了真實的磁化強度，磁化強度不足時靈敏度會下降，難保不會漏檢，也有可能誤將自磁化形成的磁痕跡消除掉反而造成漏檢。 漏磁也可以應用現在流行的“磁記憶”法，但是這種方法難以使用而且需要由很有經驗的操作人員進行，其效率也低，還涉及很復雜的力學問題，以及缺陷定量、定性等等問題。 磁粉探傷方法相對簡單容易操作，任何人稍作培訓就能操作。為什么選擇采用熒光磁粉呢？因為熒光磁粉在紫外線燈照射下激發出人眼zui敏感的黃綠色熒光（波長510~550nm），而且它對一些內孔、內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、流動性好，而且清洗容易，不影響制品生產。再配備一套便攜式紫外線燈，110V或220V交流電源，800~1000μW/cm2﹝BS4489﹞。在現場若環境光小于20lx可以直接用黑光燈照射檢測，有需要時可以黑布簾遮掩。也可以用LED型紫外線燈更加安全、方便、快捷，不需要黑暗的環境也能有效地檢測。 近年興起的磁記憶方法就是依據同樣的原理[1]~[3]。磁致伸縮是鐵磁性材料在受到應力-應變時引起的磁化現象，在應力集中的位置（或有裂紋的位置）出現漏磁場，鐵磁性材料在地磁場中因機械應力-應變引起的自發磁化規律見圖2[1][3]。 圖2 鐵磁材料工件在地磁場中因機械應力-應變而產生的磁化 He-地磁場；|B|-磁感應；|ε|-應變；Br-剩余磁感應；△Br-剩余磁感應增量；△σ-周期性載荷增量，MPa 實際上，這就是沖壓/鍛壓模具的“運行磁化”和（鐵磁性）制件的“加工磁化”現象[4]。 4.鐵磁性金屬構件自磁化熒光磁粉探傷法的研究 4.1磁記憶檢測法的不足 根據圖1的原理，我建議用磁記憶每天下班時測量模具的磁場強度就可監控模具的使用狀況，若每天測量的數據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強度，那么模具就很可能有裂紋了！這時可以拆卸模具并進一步用其他NDT方法驗證。我曾在一個有裂紋的模具上做過磁記憶，可以很清楚測量到有裂紋的位置其磁場強度百倍于沒有裂紋的位置。照說這是很簡單易行的，但是操作起來不直觀，客戶不容易接受，而且需要懂技術的人來做，所以也就沒有實際應用和推廣。 4.2磁粉探傷方法 后來我想出一個方法-“鐵磁性金屬構件自磁化熒光磁粉探傷法”。 我們在做磁粉探傷時都知道一定要外加磁化磁場，分連續磁化法和剩磁法，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的特性，然后再灑上磁粉來進行檢測，這種方法已經使用了很多年了，也是可行的，但是在使用中的模具現場外加磁化不方便。根據這個原理和以上分析，我們知道鐵金屬在反復的機械式沖壓過程中會產生磁化現象，當自磁化到一定的磁場強度時（所以一定要用過一段時間的模具才能使用這個方法），在有裂紋的位置會形成漏磁場，利用該漏磁場會吸附磁粉的特點，就可以像磁粉探傷一樣來進行檢測了。 4.3新方法的*性 1） 不需要拆卸模具（或者簡單拆除裸露即可）； 2） 不需要外加磁化磁場； 3） 任何時間都可以檢測，不需要特別停工，只需每天下班時或者例行檢修時順便做，或者對模具（構件）懷疑有異常現象時隨時就可以檢測，大大地增加了檢測量（次數），相對地提高了安全系數； 4） 熒光磁粉的靈敏度zui高，而且模具的內孔、內槽位置在紫外線燈的照射下也可以檢出裂紋來（用手電筒式的LED紫外線燈更加方便）； 5） 操作簡單，只需要簡單的培訓就可以操作。 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，而且是經過熱處理（如滲碳、淬火、正火、滲氮等硬化處理）的模具，即具有高導磁率、高剩磁，才能滿足檢測需要； ②一定要是經過多次沖壓（磨擦）和使用過的模具（構件）才能有較強的自磁化現象產生； ③必須在紫外線燈（傳統的紫外線燈和zui近出現的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比度遠不如熒光磁粉而不易觀察； ④據我的經驗，必須使用油基性熒光磁懸液（BS4069）才能夠獲得較好的檢測效果； ⑤檢測人員需要經過適當的培訓，視力正常，沒有熒光色盲； ⑥有需要時用其他NDT方法驗證。 此外，檢驗員要有一個適當的培訓，能正確地分辨假缺陷和非相關顯示，常見的非相關顯示有：①模具本身結構組合處（縫隙）；②磨削裂紋（表面均勻的網狀裂紋）；③劃痕。 5.結論 我做無損探傷近三十年，zui近再查看有關磁粉探傷的書籍，還沒有看到有人利用過“鐵磁性金屬構件自磁化熒光磁粉探傷法”，我想將這種方法免費地傳授給中國所有的五金行業，因為我看到每天有很多工人站在沖壓機前工作，一旦模具爆破，所迸發出的碎片會造成工人傷亡事故，特別是在現在的中國-世界加工廠，每天都有成千上萬的工人站在這危險的沖壓機前，冒著生命危險在工作，一旦出事故，工人受到傷害，當老板的也頭痛，因為出了事故，老板除了要賠償外，還會停工停產，造成更大的經濟損失... 為了更好地推廣這種新方法的應用，我想通過本文予以披露，使更多的沖壓工人及早從中受益，相信本方法在沖壓/鍛造工業中定能得到推廣應用。 6.新方法的應用前景 本方法不僅適用于五金行業，只要是鐵磁性金屬在運行中有重復磨擦或者旋轉的場合都有可能使用，例如：我在鐵路車輛的一個馬達軸上，軸承位拆卸后直接噴灑熒光磁懸液就可以清楚看見裂紋，更令人感到驚奇的是意想不到的縱向裂紋出現在軸承的樽徑位，通常這些位置多是環向的疲勞裂紋，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，否則會造成漏檢，所以可以肯定地說鐵磁性金屬構件自磁化熒光磁粉探傷法的另一優點是能將不同方向的裂紋同時地和如實地顯示出來，不會漏檢，而且不需要考慮磁化方向（圖3）。 圖3 馬達軸承樽徑位的縱向裂紋 沖壓模具也是一樣，同時顯示不同方向的裂紋，而且是從內徑向外擴裂，用熒光磁粉配紫外線燈就很容易將孔內的裂紋顯示出來（見圖4、5）。 圖4 沖壓模具裂紋 圖5 沖壓模具裂紋 2002年5月重慶重型鑄造廠的嚴大衛發現石油、天然氣鉆桿長期使用后檢修時，只需直接噴灑磁懸液即可進行磁粉探傷，因為它們早已被強烈磁化了[5]。 zui近我發現鐵路路軌在長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表面裂紋（見圖6、7），在黑暗的隧道里使用熒光磁粉效果更加好。 圖6 路軌表面裂紋 圖7 路軌表面裂紋 總而言之，鐵磁性金屬構件自磁化熒光磁粉探傷法還更可以廣泛推廣到各行各業，嶄新的應用領域留待各位讀者自己去開拓和研究吧！ 參考文獻 [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，金屬磁記憶檢測技術[M].北京：中國電力出版社，2000. [3] 仲維暢，金屬磁記憶法診斷的理論基礎-鐵磁性材料的彈-塑性應變磁化[J].無損檢測，2001, 23（10）：424-426. [4] 仲維暢，“加工磁化”和“運行磁化”原因初探[A].中國電力工程學會第二屆無損檢測年會論文集[C].南寧：1981.；磁性無損檢測原理（論文集）.2003，南京：南京燃氣輪機研究所：1001-1008 [5] 仲維暢，“石油、天然氣鉆桿的自發磁化-金屬磁記憶檢測與診斷技術原理之五” 磁性無損檢測原理（論文集）.南京：南京燃氣輪機研究所：1148-1150 附： 使用手電筒式（發光二極管型）紫外線燈在沖床上檢測的現場 手電筒式（發光二極管型）紫外線燈與紫外線防護眼罩 用黑磁粉在沖模上得到的裂紋磁痕顯示 用熒光磁粉在沖模上得到的裂紋磁痕顯示 用熒光磁粉在沖模上得到的裂紋磁痕顯示 用熒光磁粉在凸輪軸上得到的裂紋磁痕顯示 用熒光磁粉在路軌表面上得到的裂紋磁痕顯示 用熒光磁粉在路軌螺孔上得到的裂紋磁痕顯示