泡沫金屬直流電位法檢測技術

張 靜，解社娟，陳振茂

（西安交通大學 強度與振動教育部重點實驗室，西安 710049）

圖1 泡沫金屬示例

泡沫金屬（圖1）具有輕質、比強度高、比表面積大、隔音、隔熱和電磁屏蔽等優點，在航空航天、汽車、軍事等諸多領域具有廣泛的應用前景[1]。在泡沫金屬的制備過程中，由于條件控制不良等因素，可能造成多個孔泡相互融合形成大孔缺陷，若實際使用可能造成嚴重后果。因此，泡沫金屬使用前須對材料進行定量無損檢測。

直流電位檢測方法（DCPD）由于沒有集膚效應，電流可進入材料內部，在缺陷部分形成擾動[2－5]，并引起檢測面電位分布的變化。通過檢測這一變化可以推斷材料內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大孔缺陷檢測的有效方法。圖2為直流電位法的示意圖。

為確定直流電位法檢測實際泡沫金屬缺陷孔洞及大小的有效性，對實物泡沫金屬進行了直流電位法無損檢測試驗。同時為確定有效的試驗條件，還運用有限元程序對檢測信號進行了數值模擬。

圖2 直流電位法示意圖

1 數值計算

1.1 有限元程序簡介[6]

恒流場中基本方程[7]：

式中：E——電場強度矢量；

J——電流密度矢量；

σ——導體的電導率分布函數。

由上式可得如下恒流場控制方程：

選用立方體八節點等參元和伽遼金有限元法對式（4）進行離散求解。利用單元剛度陣：

可得恒流加載時的有限元方程：

式中I和－I分別為加載點的流入和流出電流。

當恒壓加載時，只需把加載點相應方程換為φi＝φ0，再把其他方程中的未知數φi換成加載電位φ0，并乘以系數后移到右端即可。

1.2 有效試驗條件的確定

為確定有效的試驗條件，對不同條件的檢測問題，建立了數值計算模型，利用上述有限元程序對檢測信號進行了計算。

所建立數值計算模型如圖3所示，主要參數為板長200 mm，寬50 mm，厚10 mm，缺陷孔洞在板的中央，缺陷直徑分別為30，24，18，12，6 mm。

考慮到泡沫金屬材料的特點，計算模型中用比致密金屬材料電導率小的均勻材料來模擬泡沫金屬[8]。

1.2.1 加載方式的影響

針對三種典型加載方式（側面中心加載、上表面對邊中點加載和體對頂點加載），用有限元程序計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4 A。

可見，三種加載方式的結果在缺陷處電位差有一個峰值，可由此檢測泡沫金屬的內部缺陷。這些結果初步證明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。因此采用方式1加載。

1.2.2 加載電流的影響

圖5為采用加載方式1（側面中心加載），分別施加4和10 A激勵電流時，計算所得上表面中線上相鄰點電位差。

計算結果表明，電流較大時缺陷信號增大，更易檢出缺陷。結合試驗中恒流源及納伏表儀器檢測范圍，決定采用10 A的激勵電流進行直流電位法檢測試驗。

圖5 電流為4和10 A時上表面電位

1.2.3 不同缺陷大小模型的電位差分布

對圖3所示模型，不同直徑缺陷產生的電位差信號如圖6所示。計算中采用了側面中心加載方式，加載電流為10 A。

圖6 不同缺陷大小的電位差

可見，當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律地增大。因此可通過信號的峰值來推定缺陷的大小。

2 試驗

2.1 直流電位法試驗平臺的搭建

試驗系統由直流電源（Agilent N6700B）、納伏表（Agilent 71/2 Nano Volt/Micro Ohm Meter HP34401 A）、限流電阻（3個1Ω，50 W電阻并聯）、三維掃查臺（日本中央精機CHUO SEIKI 2軸控制器驅動QT－CM2）、試件、電位測量探針、電極及相應的夾具構成，系統結構如圖7所示。直流電源、試件和限流電阻通過導線形成回路。

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；掃描臺由步進電機精確控制，可由PC1上的Q－Edit軟件進行編程控制；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，每移動到下一點停止運動，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。搭建的試驗平臺如圖8所示。

圖7 試驗系統結構圖

設計制作的具有不同大小缺陷的試件如圖9所示。試件尺寸和數值計算模型相同。

2.2 泡沫金屬直流電位法檢測試驗

在搭建的試驗平臺對上述試件進行直流電位法檢測試驗（圖10）。具體試驗條件為：恒定電流10 A；加載方式為側面中心加載；納伏表探針一端固定，另一端在掃描臺控制下掃描。

圖11 電位差分信號濾波結果

為了觀察檢測面電位差的分布，對試驗測得電位信號相鄰兩點進行差分，并且對差分信號進行濾波處理以提高信噪比。所得上表面的電位差分布結果如圖11所示。

可以看到，在缺陷位置有明顯電位差峰值。1，2，3號試件中的缺陷從測量結果中可以分辨出，但4號試件信號很小，較難分辨。3號試件缺陷直徑為18 mm，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則的小孔以及檢測面的不平也給結果造成了明顯的噪聲。納伏表的理論精度為1 n V，但實際測量時存在漂移，這對試驗測量結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。采用穩定性更好的納伏表和更大的激勵電流，會進一步有效增加本方法的檢測能力。

3 結論

對實物泡沫金屬進行了直流電位法無損檢測試驗，運用有限元分析程序對試驗條件進行了選擇。試驗和數值結果顯示，即使對于實物泡沫金屬，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關系。所得結果為泡沫金屬的定量無損檢測打下了基礎。

[1]盧天健，何德坪，陳常青，等.超輕多孔金屬材料的多功能特性及應用[J].力學進展，2006，36（4）：517－518.

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[6]解社娟.泡沫金屬無損檢測方法研究[D].西安：西安交通大學，2009.

[7]盛劍霓.工程電磁場數值分析[M].西安：西安交通大學出版社，1999.

[8]劉培生，李鐵藩.泡沫金屬電阻率的計算方法[J].稀有金屬材料與工程，1999，28（4）：19.