直流電位法泡沫金屬無損檢測實(shí)驗(yàn)研究

1 引言
泡沫金屬（圖1）具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、比表面積大、隔音、隔熱、電磁屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、軍事等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景【1】。在泡沫金屬的制備過程中可能出現(xiàn)由于條件控制不良等因素造成多個孔泡相互融合形成大孔缺陷，造成材質(zhì)不良，若實(shí)際使用可能造成嚴(yán)重后果。因此，泡沫金屬使用前需要對材料進(jìn)行定量無損檢測。

直流電位檢測方法（DCPD）由于沒有集膚效 應(yīng)，電流可進(jìn)入材料內(nèi)部，在缺陷部分形成擾動【2】-[5]，并引起檢測面的電位分布變化。通過檢測這一變化可以推斷材料內(nèi)部缺陷的存在和大小，因此直流電位法有望成為泡沫金屬內(nèi)大孔缺陷檢測的有效方法。圖2所示為直流電位法的示意圖。

為確定直流電位法檢測實(shí)際泡沫金屬缺陷孔洞及大小的有效性，本論文對實(shí)物泡沫金屬進(jìn)行了直流電位法無損檢測實(shí)驗(yàn)。同時為確定有效的實(shí)驗(yàn)條件，還運(yùn)用有限元程序?qū)z測信號進(jìn)行了數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果均證實(shí)了所提方法的有效性。


2 數(shù)值計(jì)算
    為了確定有效的實(shí)驗(yàn)條件，運(yùn)用有限元分析程序?qū)﹄娢粰z測信號進(jìn)行了數(shù)值模擬。


本文選用立方體八節(jié)點(diǎn)等參元和伽遼金有限元法對（4）式進(jìn)行離散求解。利用單元剛度陣：




2.2 有效實(shí)驗(yàn)條件的確定
為確定有效的實(shí)驗(yàn)條件，對不同條件的檢測問題，建立了數(shù)值計(jì)算模型，利用上述有限元程序?qū)z測信號進(jìn)行了計(jì)算。所建立數(shù)值計(jì)算模型如圖3所示，主要參數(shù)為板長200mm，寬50mm，厚10mm，缺陷孔洞在板的中央，缺陷直徑分別為30mm，24mm，18mm，12mm，6mm。

為考慮泡沫金屬材料的特點(diǎn)，計(jì)算模型中用比致密金屬材料電導(dǎo)率小的均勻材料來模擬泡沫金屬【8】。
2.2.1 加載方式的影響
針對三種典型加載方式（側(cè)面中心加載、上表面對邊中點(diǎn)加載和體對頂點(diǎn)加載），用有限元程序計(jì)算所得上表面電位差分布如圖4所示。其中所加恒定電流大小均為4A。
由圖4所示計(jì)算結(jié)果可知，三種加載方式的結(jié)果在缺陷處電位差有一個峰值，可由此檢測泡沫金屬的內(nèi)部缺陷。這些結(jié)果初步證明DCPD法對泡沫金屬缺陷檢測的有效性。

加載方式2和3的電極位置在上表面（檢測面），電極的影響使其附近電位差值較大，不宜識別。因此本實(shí)驗(yàn)擬采用方式1加載。

2.2.2加載電流的影響
圖5為采用加載方式1（側(cè)面中心加載）分別施加4A和10A激勵電流時計(jì)算所得上表面中線上相鄰點(diǎn)電位差計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果表明電流較大時缺陷信號增大，更易檢出缺陷。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中恒流源及納伏表儀器檢測范圍，本文采用10A的激勵電流進(jìn)行直流電位法檢測實(shí)驗(yàn)。
2.2.3不同缺陷大小模型的電位差分布
對圖3所示模型，不同直徑缺陷（30mm，24mm，18mm，12mm，6mm）產(chǎn)生的電位差信號如圖6所示。計(jì)算中采用了側(cè)面中心加載方式，加載電流為10A。

由電位分布結(jié)果可以看出，當(dāng)缺陷孔洞位置都在中心、孔洞大小不同時，檢測信號的峰值位置相同，但峰值大小隨缺陷孔洞的增大而有規(guī)律地增大。因此可通過信號的峰值來推定缺陷的大小，為泡沫金屬缺陷的定量無損檢測打下了基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)研究
3.1 直流電位法實(shí)驗(yàn)平臺的搭建
    實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如下：

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由直流電源（Agilent N6700B）、納伏表（Agilent 71/2 Nano Volt /Micro Ohm Meter HP34401A）、限流電阻（3個1Ω，50w電阻并聯(lián)）、三維掃查臺(日本中央精機(jī)CHUO SEIKI 2軸控制器驅(qū)動QT-CM2)、試件、電位測量探針、電極及相應(yīng)的夾具構(gòu)成。直流電源、試件和限流電阻通過導(dǎo)線形成回路。

    直流電源用來給試件加載恒流電流，從電源接出的兩個電極夾在試件上；掃描臺由步進(jìn)電機(jī)精確控制，可由PC1上的Q-Edit軟件進(jìn)行編程控制；納伏表測量試件檢測表面的電位分布，探針在掃描臺的控制下以一定的步長移動，每移動到下一點(diǎn)停止運(yùn)動，將此刻測得的兩探針間的電位差信號送入納伏表；PC2與納伏表連接，采集記錄納伏表測得的電位差。搭建的實(shí)驗(yàn)平臺如圖8。

設(shè)計(jì)制作的具有不同大小缺陷的試件如圖9所示。試件尺寸和數(shù)值計(jì)算模型相同。

3.2 泡沫金屬的直流電位法檢測實(shí)驗(yàn)
在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺對上述試件進(jìn)行了直流電位法檢測實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)條件為：恒定電流

10A；加載方式(側(cè)面中心加載)；納伏表探針一端固定，另一端在掃描臺控制下掃描。
    為了觀察檢測面電位差的分布，對實(shí)驗(yàn)測得電位信號相鄰兩點(diǎn)進(jìn)行差分，并且對差分信號進(jìn)行濾波處理以提高信噪比。所得上表面的電位差分布結(jié)果如圖10所示。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，在缺陷位置有明顯電位差峰值。1號、2號、3號試件中的缺陷從測量結(jié)果中可以檢測。但4號試件信號很小，較難確認(rèn)。3號試件缺陷直徑缺陷為18mm，即寬度方向大孔缺陷檢測能力在36% 以上。
由于泡沫金屬的電導(dǎo)率很大，電位差信號很小，這就對測量儀器的精度提出了很高的要求。泡沫金屬材料本身不規(guī)則的小孔以及檢測面的不平也給結(jié)果造成了明顯的噪聲。納伏表的理論精度為1nV，但實(shí)際測量時存在漂移，這對實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的精度有一定的影響。如果增大恒流源的電流值，檢測出的電位值也會增大，這對減小噪聲的影響有一定的作用。采用穩(wěn)定性更好的納伏表和更大的激勵電流，會進(jìn)一步有效增加本方法的檢測能力。

4 結(jié)論
本文對實(shí)物泡沫金屬進(jìn)行了直流電位法無損檢測實(shí)驗(yàn)并運(yùn)用有限元分析程序?qū)υ囼?yàn)條件進(jìn)行了選擇。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果顯示，即使對于實(shí)物泡沫金屬也可以利用直流電位方法檢出缺陷，且缺陷大小和檢測電位信號的大小有一定對應(yīng)關(guān)系。這些結(jié)果為泡沫金屬的定量無損檢測打下了基礎(chǔ)。
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