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、新方法的優(yōu)越性和局限性及其在沖壓/鍛造和其他工業(yè)中的推廣前景。

1.問題的提出

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)程中遺留下來(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。

(圖1 鐵金屬自磁化現(xiàn)象)

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)極限時(shí)，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)生的裂紋痕跡是最自然和最真實(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)，完全不需要考慮磁化方向的問題，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)法靠近或者完全接觸工件，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)問題，以及缺陷定量、定性等等問題。

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)出人眼最敏感的黃綠色熒光(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)，效果最好，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)律見圖2[1][3]

(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 )

(圖3  馬達(dá)軸承樽徑位的縱向裂紋)

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(yán)大衛(wèi)先生發(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]。

最近我發(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(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拓和研究吧！

特別鳴謝：沈功田理事長(zhǎng)和仲維暢先生幫我代筆完成此文。夏紀(jì)真老師完成編輯。

(點(diǎn)擊圖片可查看大圖)

大約小學(xué)一年級(jí)的時(shí)候，我看到一個(gè)魔術(shù)師用穿著白手套的手在不接觸鐵釘時(shí)能使鐵釘豎立起來(lái)，還可以隨著他的手轉(zhuǎn)動(dòng)，而且隔著玻璃也能移動(dòng)鐵釘，很是神奇！

這位大師最后拆穿秘密告訴觀眾，他的手會(huì)這么神奇主要是有這塊吸鐵石，說(shuō)著他脫下手套取出一塊小磁石來(lái)給觀眾看。

于是好奇的我，有一天向一位跟我父親實(shí)習(xí)的大學(xué)生要一塊磁石，他亦很爽快地對(duì)我說(shuō)：“你明天到辦公室來(lái)找我吧！”

第二天，我就很高興地跑到辦公室去跟他要磁石。

這個(gè)時(shí)候，他隨手拿起一個(gè)舊的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套，走到室外空曠的水泥地，然后把它高舉過(guò)頭狠狠地摔到地上！氣缸套應(yīng)聲破裂，支離破碎地散落在地上。

然后他對(duì)我說(shuō)：“你隨便撿幾塊拿回去吧，它們?nèi)际俏F石了。”

我給他這個(gè)舉動(dòng)嚇呆了，還以為他在發(fā)脾氣，是不是因?yàn)椴桓吲d而摔東西呢！我走過(guò)去撿了幾塊，并立刻用大頭針試一下，“真的有吸力??！”我很高興地大叫，并謝過(guò)叔叔就回家了。

回到家里，我把這些碎片“磁石”都放在鉛筆盒里(注：鉛筆盒是鐵制的)，打算第二天帶回學(xué)校給同學(xué)們看。

第二天，我背上書包一路上蹦蹦跳跳地上學(xué)去。好不容易才熬到小息，我告訴同學(xué)我擁有吸鐵磁石，大家都好奇地嚷著要看，而我也想在同學(xué)面前炫耀一下，于是我從鉛筆盒里拿出磁石，然后用大頭針來(lái)示范給同學(xué)看。

“哎喲！為什么吸不住呢？”磁石好像完全沒有吸力，大頭針都掉到地上了，而我也不甘心，每一塊都拿來(lái)試一試，但是全都沒有吸力了。

這下可完蛋啦！在這么多同學(xué)面前，特別是在女同學(xué)面前丟臉，真是丟人！

同學(xué)們?cè)谝黄瑖u聲后散去，我...簡(jiǎn)直無(wú)地置容！

“怎么回事？昨天明明試過(guò)，還是好好的，為什么今天會(huì)沒有磁力呢？”我不斷地詢問自己。

我不服氣，決定下課后回到昨天的水泥地，再撿其它的碎片試一試。

我用大頭針逐件拿來(lái)試，果真全部都有磁力，而碎片與碎片相吸的磁力更大呢！這次，我再帶數(shù)件回家，并小心翼翼地用棉花包好才放進(jìn)鉛筆盒里。

翌日回到學(xué)校，這回我可變聰明了！我先測(cè)試到底帶回來(lái)的碎片還有沒有磁力，證實(shí)磁力還在時(shí)，我就取一塊想送給一個(gè)女同學(xué)：“送給你的，你試試看，這塊就是吸鐵石了！”

她笑著說(shuō)：“昨天你也說(shuō)你有吸鐵石呀，但根本就沒有！突然今天就有了，我不相信。”無(wú)論我怎樣說(shuō)服她，她也不肯試。

于是我就拿起另一塊碎片，靠近擺在她桌面上的那塊，兩塊碎片立刻吸在一起！這下她終于相信了，并高興地大叫起來(lái)，吸引了其他的同學(xué)來(lái)圍觀，爭(zhēng)著要看我表演。

大家都嚷著要玩，而我也分給大家試試。

當(dāng)中，有兩個(gè)同學(xué)搶到了，就把碎片拋高，可是沒有接好而摔到地上好幾次，后來(lái)被一個(gè)霸道的同學(xué)搶到手的時(shí)候，他不斷地用來(lái)去吸那些大頭針，可是怎樣都吸不起來(lái)，但其他同學(xué)手上的碎片都有吸力，大家看著他那副無(wú)可奈何的表情都忍不住哈哈大笑。

我也給搞傻了，不知怎么回事。就在這時(shí)，我就想到了原因，昨天我背著書包在路上蹦蹦跳跳，磁石就在鉛筆盒里不斷碰撞，??！原來(lái)碰撞或摔打是會(huì)令磁力消失的。

從這以后，我就常常在想，為什么叔叔將氣缸套用力摔破就可以產(chǎn)生磁力，但那些碎片在碰撞或摔打后磁力又消失了？

想不透，也解釋不了，始終年紀(jì)小嘛，根本不懂原理。

但這一次經(jīng)歷就記錄了磁現(xiàn)象：鐵磁性材料在破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁力，而有磁力的碎片于碰撞或摔跌后，磁力卻會(huì)消失。

/ END /