CN107102061B - 金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法 - Google Patents

金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属材料增减材复合制造(3D打印)领域中的金属材料高能束增减材‑在线激光超声检测复合加工方法。加工方法包括如下步骤：S1增材成形，采用高能束熔化金属材料按照预设路径逐层熔化/凝固堆积；S2减材加工，对已沉积成形的材料进行减材加工，得到较高尺寸精度和表面质量的检测平面；S3激光超声检测，在表面上进行激光超声无损检测，判断材料表面或者内部是否有缺陷产生并确定其位置；S4检测判断及处理，对超标的表面或亚表面缺陷通过减材加工进行去除，然后调整增材工艺增材沉积直至完成整个金属构件；若无缺陷则直接循环重复完成在线检测及高质量工件成形。本发明解决了纯增材制造零件无法在线检测及修复的问题，具有降低产品缺陷率、节约时间等优点。

Description

金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法
技术领域
本发明涉及金属材料增减材复合制造(3D打印)领域中的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法。
背景技术
增材制造是三维实体离散为若干个二维平面，通过逐层叠加材料进行生产，最终形成三维零件。减材制造是通过车削、铣削等机械加工方式对原材料进行去除，从而最终生产出成品。增减材复合制造是将二者结合起来，在增材制造一定层数后引入减材工艺，实时对沉积材料进行高精度的减材加工。增材和减材过程的有机结合弥补了纯增材工件表面质量差，尺寸精度低的问题，同时又能成形传统减材工艺不能制造的复杂几何形状零件。因此是一种发展潜力巨大的加工方法。
但是，增减材工艺中的增材制造过程(如激光近净成形，电子束选区熔化)是局部高温与快速冷却的冶金过程，它以高能移动热源，沿着规划好的路径逐步进行扫描，在不均匀加热和快速冷却过程中容易产生气孔、夹杂、裂纹等各种缺陷，传统的无损检测一般在零件整体成形后才进行。零件材料缺陷的存在极大地限制零件的使用性能，甚至可能导致整个零件报废，造成时间、材料、资源等浪费。而且，由于采用增减材复合制造工艺的零件，往往具有复杂的几何结构，后检测处理的精度也很难保证。
因此，一种能够在增减材复合制造过程中，对沉积材料的缺陷进行在线检测的方法显得尤为重要。在传统的无损检测方法中：渗透和磁粉检测只能探测表面缺陷，且容易对原材料粉体造成污染。射线检测的设备复杂，信号处理繁琐，检测速度慢，且容易产生放射性污染。超声波检测需要对检测材料涂抹耦合剂，在高温且有粉尘的增减材成形环境中也不适用。
针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，从而克服现有技术中所存在的问题是十分必要的。
发明内容
鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的是研究设计一种新型的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，用以有效地解决增材制造零件表面及内部缺陷无法在线检测和去除的问题；同时，利用减材功能对存在缺陷部分进行在线去除，而后改进增材工艺重新沉积，从而实现缺陷的在线检测与修复。
本发明的技术解决方案是这样实现的：
本发明所述的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法；其特征在于所述的加工方法包括如下步骤：
S1、增材成形：通过绘图软件绘制预制备的金属构件模型后，获取金属构件分层截面数据，划分分层截面高能束扫描路径，采用高能束熔化金属成形材料按照预设路径逐层熔化/凝固堆积；
S2、减材加工：根据预设的工艺参数，对已沉积成形的材料进行减材加工，得到预设的尺寸精度和表面质量的检测平面；
S3、激光超声检测：在步骤S2中得到的检测平面表面上进行激光超声无损检测，对工件进行一定深度的检测，通过激光超声信号判断材料表面或者内部是否有缺陷产生并确定其位置；
S4、检测判断及处理：
1)对超标的表面或亚表面缺陷通过在线减材加工对缺陷部分进行去除，然后调整增材工艺重新进行步骤S1-S3直至完成整个金属构件；
2)如果没有检测到明显缺陷，则直接循环重复步骤S1-S3直至完成整个金属构件。
本发明所述的高能束包括具有高功率或高亮度热源的激光束、电子束或电弧或离子束。
本发明所述的金属成形材料为粉末、丝状或板状材料。
本发明所述的高能束根据预设工艺参数将金属成形材料熔化/凝固堆积单层或多层。
本发明所述的步骤S2的减材加工可根据预设工艺条件在步骤S1的增材成形过程中进行，对零件内部封闭结构在其封闭成形前进行内表面加工。
本发明所述的激光超声检测传感器的超声吸收部分采用光学法检测，包括非干涉技术和干涉技术等各种形式。
本发明所述的熔化/凝固堆积层的厚度小于所述激光超声检测的极限深度，所述激光超声检测的深度通过改变激光激励强度进行调整。
较现有技术相比，本发明解决了纯增材制造零件无法进行缺陷的在线检测和去除问题，使同时具有优异内部组织和复杂几何形状的高性能关键零部件的一体化制造成为可能。本发明具有以下优点：
1、本发明可实现增减材复合制造成形零件的在线检测，可有效地降低产品缺陷率，节约时间和成本。
2、本发明可在发现缺陷的情况下，对缺陷部分进行减材去除，从而实现在线缺陷修复。
3、相比于其他无损检测方法，本发明采用的激光超声检测方法检测精度高、检测速度快、可检测具有复杂几何形状的零件、可实现远程无接触检测、没有污染、不需耦合剂。
4、本发明采用的激光超声检测方法能够在沉积材料有余热的情况下工作。
附图说明
本发明共有3幅附图,其中：
图1为本发明的加工方法示意图。
图2为本发明在实施例1中所用激光超声检测的原理图，
图3为本发明的加工方法流程框图。
在图中：1、高能束喷头；2、亚表面缺陷；3、已沉积工件；4、减材刀具；5、激光超声探头；
A、增减材试块；B、脉冲激励激光器；C、激光超声接收器；D、输出信号；E、检测激光器；F、缺陷。
具体实施方式
本发明的具体实施例如附图1-3所示，金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法包括如下步骤：
S1、增材成形：通过绘图软件(通常采用CAD绘制零件三维模型)绘制预制备的金属构件模型后，采用切片软件获取金属构件分层截面数据，划分分层截面高能束扫描路径，采用高能束熔化金属成形材料按照预设路径逐层熔化/凝固堆积；所述高能束包括具有高功率或高亮度热源的激光束、电子束或电弧或离子束等等。所述高能束根据预设工艺参数将金属成形材料熔化/凝固堆积单层或多层。所述熔化/凝固堆积层的厚度小于所述激光超声检测的极限深度(即检测的量程范围)，所述激光超声检测的深度通过改变激励频率进行调整，从而保证整个工件通过逐层扫描的的方式得到检测。所述金属成形材料为粉末、丝状或板状材料。
S2、减材加工：根据预设的工艺参数：如刀具转速，切削深度，每齿进给量等对已沉积成形的材料进行必要的减材加工，主要为了消除台阶效应，得到预设的尺寸精度和表面质量的检测平面，加工出高表面质量检测平面；其中，减材加工可根据预设工艺条件在增材成形过程中进行，对零件内部封闭结构在其封闭成形前进行内表面加工(如中空结构内壁的加工)。增减材复合加工可以为后续激光超声在线检测提供平整检测平面，避免增材粗糙表面影响缺陷信号。
S3、激光超声检测：在步骤S2中得到的检测平面表面上进行激光超声无损检测，脉冲激励激光器B释放的激光通过透镜对增减材试样A的表面进行照射，通过热弹性效应或烧蚀作用等激发出超声波，激发出的超声波会使由检测激光器E中发出的检测激光发生偏转，这种偏转最终会被激光超声接收器C接受到并转化为输出信号D。而增减材试块A中如果有表面或亚表面缺陷F的存在，则激光激发出的超声波将发生变化，其对检测激光的影响也随之改变，这种改变会被激光超声接收器C捕捉到并形成输出型号D。因此，可以通过激光超声信号判断材料表面或者内部是否有缺陷产生并确定其位置；检测范围和深度可以通
过调节激励激光的分布和频率来控制。所述激光超声检测传感器的超声吸收部
分采用光学法检测，包括非干涉技术和干涉技术等各种形式。
S4、检测判断及处理：1)对不可容忍的、超标的表面或亚表面缺陷通过在线减材加工进行去除，然后调整增材工艺重新进行步骤S1-S3直至完成整个金属构件；
2)如果没有检测到明显缺陷，则直接循环重复步骤S1-S3直至完成整个金属构件。
高能束包括具有高功率或高亮度热源的激光束、电子束或电弧或离子束。
金属成形材料为粉末、丝状或板状材料。
高能束根据预设工艺参数将金属成形材料熔化/凝固堆积单层或多层。
步骤S2的减材加工可根据预设工艺条件在步骤S1的增材成形过程中进行，对零件内部封闭结构在其封闭成形前进行内表面加工。
激光超声检测传感器的超声吸收部分采用光学法检测，包括非干涉技术和干涉技术等各种形式。
熔化/凝固堆积层的厚度小于所述激光超声检测的极限深度，所述激光超声检测的深度通过改变激光激励强度进行调整。
实施例1
如图1所示，一种金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，具体操作包括以下步骤：
高能束喷头1按照预设规划的分层截面高能束扫描路径，成形一定层数的已沉积工件3；
根据具体工艺参数设置，减材刀具4对已沉积工件3进行必要的减材加工，去除台阶效应并加工出表面检测平面；
通过激光超声探头5对减材后的新沉积材料进行平面扫描，通过激光超声信号判断材料表面或者内部是否有亚表面缺陷2产生并确定其位置；
如果检测到不可容忍的亚表面缺陷2，则根据检测确定的缺陷位置，利用减材刀具4对缺陷2部分进行定点去除，然后调整增材工艺，循环进行上述步骤；如果没有检测到明显缺陷，则直接循环重复上述步骤，直至整个金属构件成形完成。
以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所有熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，根据本发明的技术方案及其本发明的构思加以等同替换或改变均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法；其特征在于所述的加工方法包括如下步骤：
S1、增材成形：通过绘图软件绘制预制备的金属构件模型后，获取金属构件分层截面数据，划分分层截面高能束扫描路径，采用高能束熔化金属成形材料按照预设路径逐层熔化/凝固堆积；熔化/凝固堆积层的厚度小于所述激光超声检测的极限深度，所述激光超声检测的深度通过改变激光激励强度进行调整；
S2、减材加工：根据预设的工艺参数，对已沉积成形的材料进行减材加工，得到预设的尺寸精度和表面质量的检测平面；
S3、激光超声检测：在步骤S2中得到的检测平面表面上进行激光超声无损检测，对工件进行一定深度的检测，通过激光超声信号判断材料表面或者内部是否有缺陷产生并确定其位置；
S4、检测判断及处理：
1)对超标的表面或亚表面缺陷通过在线减材加工对缺陷部分进行去除，然后调整增材工艺重新进行步骤S1-S3直至完成整个金属构件；
2)如果没有检测到明显缺陷，则直接循环重复步骤S1-S3直至完成整个金属构件。
2.根据权利要求1所述的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，其特征在于，所述高能束包括具有高功率或高亮度热源的激光束、电子束或电弧或离子束。
3.根据权利要求1所述的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，其特征在于，所述金属成形材料为粉末、丝状或板状材料。
4.根据权利要求1所述的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，其特征在于，所述高能束根据预设工艺参数将金属成形材料熔化/凝固堆积单层或多层。
5.根据权利要求1所述的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，其特征在于，所述步骤S2的减材加工可根据预设工艺条件在步骤S1的增材成形过程中进行，对零件内部封闭结构在其封闭成形前进行内表面加工。
6.根据权利要求1所述的金属材料高能束增减材-在线激光超声检测复合加工方法，其特征在于，所述激光超声检测传感器的超声吸收部分采用光学法检测，包括非干涉技术和干涉技术。
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