CN109001239A - 一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法和装置，属于增材制造技术领域。利用脉冲电子束与工件表面相互作用后获得工件表面形貌特征，同时脉冲电子束与工件表面相互作用后产生的热波沿工件表面向工件内部传导形成声波，通过在工件下方增加换能器接收声波实现电声信号探测，获得工件内部分层结构特征；所述检测装置包括二次电子或背散射电子检测系统、电声信号检测系统、电声信号检测系统、信号发生器和数字扫描发生器。利用本发明提供的方法和装置用于检测增材制造过程中工件的表面形貌特征和内部分层结构特征，监控制造品质；所述检测装置尺寸小，结构简单，耦合性好，不会额外增加成本和复杂性。

Description

一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法和装置

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，特别是涉及一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法和装置。

背景技术

增材制造技术，又称3D打印技术，采用计算机设计三维数字模型，利用高能束将材料熔为一体，通过逐层累加的方式实现实体零件制造，是一项革命性的绿色智能制造技术。以电子束为能量源的增材制造技术具有能量密度高、扫描速度快、加工材料广泛、无反射、真空环境无污染及运行成本相对较低等优点，不仅原料利用率高，还可制造出复杂形状结构零部件，在航空航天、军工、汽车、再生医学等领域具有广泛的应用前景(参考文献[1]Thierry Raynaa,Ludmila Striukovab,From rapid prototyping to home fabrication:How 3D printing is changing business model innovation[J],TechnologicalForecasting and Social Change,2016(102):214-224)。电子束增材制造零件的成形质量涉及到材料快速熔化和凝固等快速相变过程，是电子束与金属材料之间相互作用的结果。在电子束加热下，金属零件由金属粉末瞬间熔化和快速冷却，逐点叠层沉积而成。由于热源迅速移动，成形部位的温度随时间和空间急剧变化，往往会同时存在凝固收缩应力和组织应力。在上述几种应力的综合作用下，成形零件容易发生变形甚至开裂(参考文献[2]汤慧萍，王建，逯圣路等，电子束选区熔化成形技术研究进展[J]，中国材料进展，2015，34(03)：049-59)。如果金属相变过程发生异常，则成形过程容易出现孔洞和熔合不良等缺陷，从而影响零件的综合质量。因此对电子束增材制造快速相变过程进行实时在线检测、保证成形零件质量十分必要。

目前电子束增材制造技术的检测手段主要采用CCD(电荷耦合器件)摄像头来检测金属材料的表面形貌。由于加热区域温度高，CCD摄像头无法近距离检测，因此检测分辨率有限，无法获取确切的位置信息，影响了加工精度；同时由于采用热熔融加工技术，加工物质的蒸发物容易污染CCD摄像镜头，需要经常清理或更换。另外，CCD摄像头只能检测材料表面形貌，无法检测成形零件内部的缺陷。基于CCD摄像头的检测技术精度不高、寿命短，而且检测效果有限，因此针对电子束增材制造成形过程中提高制造品质的要求，需要发展一种新的在线检测技术，能够对加工零件的表面形貌和内部微观结构进行实时原位无损检测。

常见的无损检测手段主要有X射线CT检测技术和超声无损检测技术两种。但是对于电子束增材制造，如果采用X射线CT检测技术，大尺寸金属样品需要极强的射线强度，相应设备的成本和复杂性都会大幅提高；而应用超声无损检测技术时则存在与电子束加工部件之间产生机械干涉的问题，其中声源和探测器与待测零部件间难以在加工过程中耦合，从而使得实时测量的精度和分辨率难以达到要求。

发明内容

本发明针对电子束增材制造工艺中对工件质量检测的重大需求以及在现有的加工过程中缺乏有效检测手段的现状，提出一种利用电子束增材制造的脉冲电子束同时检测工件表面形貌特征和工件内部分层结构特征的实时原位在线检测方法和装置，以实现对于电子束增材制造加工过程的闭环控制和成形过程的质量监控，具体是指一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法和装置。

本发明首先提供的一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法，具体步骤如下：

步骤一、利用电子枪发射预扫描电子束；

所述预扫描电子束为束流强度≤50mA的弱束流电子束。

步骤二、对所述预扫描电子束进行调制，获取脉冲电子束；

所述的调制是指利用信号发生器产生指定脉宽和频率的脉冲调制信号，所述脉冲调制信号对束闸调制极板的电压信号进行调制，束闸调制极板使所述预扫描电子束实现周期性的传输，获得脉冲电子束。

对高速束闸电源的电压信号进行调制，所述脉冲调制信号为方波信号，在脉冲调制信号处于高电平时，高速束闸电源的电压信号正常输出，束闸调制极板通电并产生偏转电场，使通过的预扫描电子束偏转，实现预扫描电子束的关断；在脉冲调制信号处于低电平时，高速束闸电源的电压信号不输出，束闸调制极板断电，预扫描电子束正常通过并到达工件表面，实现预扫描电子束的开放。通过脉冲调制信号使得束闸调制极板周期性的通电和断电，实现对所述预扫描电子束的周期性传输控制，获得脉冲电子束。

步骤三、利用所述脉冲电子束与工件表面相互作用产生的二次电子或背散射电子信号获得工件表面形貌特征；

所述二次电子或背散射电子信号带有工件表面形貌特征信息，二次电子或背散射电子检测系统对所述的二次电子或背散射电子信号进行探测后，将所述二次电子与背散射电子信号进行放大滤波，以视频信号的形式传输至计算机进行成像，获取工件表面形貌特征；

步骤四、利用所述脉冲电子束与工件表面相互作用产生热波，所述热波沿工件表面向工件内部传导形成声波，由位于工件下方的换能器接收所述声波形成电声信号，换能器将所述电声信号传输到电声信号采集处理器，电声信号采集处理器对所述电声信号进行放大滤波后传输到计算机进行成像，获得工件内部分层结构特征。

所述换能器设置在电子束增材制造装置中金属粉末工件台的下表面。换能器的型号选择锆钛酸铅超声波传感器或镍铁铝合金超声波传感器。

本发明还提供一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测装置，包括二次电子或背散射电子检测系统、电声信号检测系统、信号发生器和数字扫描发生器。

二次电子或背散射电子检测系统包括二次电子或背散射电子探测器和二次电子或背散射电子信号处理器。在电子束增材制造装置中工件侧上方安装二次电子或背散射电子探测器，用于采集二次电子或背散射电子信号；二次电子或背散射电子探测器的输出端连接至二次电子或背散射电子信号处理器。二次电子或背散射电子信号处理器对所采集的二次电子或背散射电子信号进行放大滤波后并以视频信号的形式输入到计算机进行工件表面形貌特征成像；所述二次电子或背散射电子信号处理器包括第一前置放大电路和第一数字回归滤波电路，第一前置放大电路实现对二次电子或背散射电子信号的放大，第一数字回归滤波电路实现对放大后的二次电子或背散射电子信号的滤波，滤波后的二次电子与背散射电子信号以视频信号的形式传输至计算机进行成像，获取工件表面形貌特征。

电声信号检测系统包括换能器和电声信号采集处理器。所述的换能器位于电子束增材制造装置中工件下方，用于接收工件内部传输的声波并形成电声信号，将电声信号传输到电声信号采集处理器，换能器的型号选择锆钛酸铅超声波传感器或镍铁铝合金超声波传感器；所述的电声信号采集处理器对电声信号进行放大滤波后传输到计算机进行成像，获得工件内部分层结构特征。所述电声信号采集处理器包括第二前置放大电路、锁相放大电路、程控放大电路以及第二数字回归滤波电路，第二前置放大电路实现对所述的电声信号的放大，锁相放大电路接收信号发生器传输的脉冲调制信号和放大后的电声信号，并将脉冲调制信号作为参考信号与放大后的电声信号之间求相位差获取电声深度信号，程控放大电路实现对电声深度信号的二次放大，第二数字回归滤波电路实现对二次放大后电声深度信号的滤波，滤波后的电声深度信号传输到计算机进行成像，获得工件内部分层结构特征。

所述脉冲调制信号为方波信号。

信号发生器用于产生脉冲调制信号，并分别发送给锁相放大电路和电子束增材制造装置中的高速束闸电源。所述脉冲调制信号通过对高速束闸电源的调制实现对束闸调制极板的电压信号调制，电压信号调制后的束闸调制极板实现对预扫描电子束频率的调制，从而形成脉冲电子束，脉冲电子束在工件表面产生不同的局部热源，局部热源在工件表面产生热波，所述热波沿工件表面向工件内部传导形成声波，电声信号是热扩散范围内不同层次的热源产生的热波传导形成的声波的叠加，带有工件热扩散范围内部分层结构特征；锁相放大电路将所述的脉冲调制信号作为参考信号，获得不同热扩散长度的结构对应的电声信号。

数字扫描发生器一端与增材制造装置中的线圈电源连接，另一端与计算机连接，并根据计算机的指令为电子束增材制造装置中的线圈电源输出数字扫描信号，使脉冲电子束与工件表面作用时，以螺旋方式从中心向四周扫描。

本发明的优点在于：

(1)本发明的一种电子束增材制造原位检测方法，不需要单独的声源，可以直接利用预扫描电子束的调制获得声源；

(2)本发明的一种电子束增材制造原位检测方法，能够分析工件晶粒、残余应力分布、结构特征等随深度变化的工件表面和内部结构特征信息。在电子束增材制造技术中，预扫描电子束将会是最好的电声源。通过在工件下方增加换能器实现电声信号探测。该方法用于检测增材制造成形过程中工件的表面形貌特征和内部分层结构特征，进而检测工件的相变结果，监控制造品质，实现电子束增材制造质量的闭环控制。

(3)本发明的一种电子束增材制造原位检测装置，所述检测装置尺寸小，结构简单，不会额外提高装置的成本和复杂性；电子束增材制造原位检测装置耦合性好，不存在与增材制造设备之间干涉问题。

附图说明

图1是本发明电子束增材制造原位检测装置的整体结构示意图；

图2是本发明电声效应物理过程示意图；

图1中：

1、阴极；2、栅极；3、阳极；4、束闸调制极板；5、对中线圈；

6、消像散线圈；7、聚焦透镜；8、大范围偏转线圈；9、二次电子或背散射电子探测器；

10、送粉箱；11、移动料斗；12、辊子；13、回收箱；14、工件台升降系统；

15、换能器；16、工件；17、电子枪；18、电磁透镜；

19、二次电子或背散射电子信号处理器；20、电声信号采集处理器；21、金属粉床工件台。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法和装置。

当电子束与物质相互作用时会产生二次电子、背散射电子、特征X射线、俄歇电子、透射电子等多种信号，这些信号可用于精确识别物质表面的特征信息。其中利用二次电子或背散射电子获得工件16表面区域形貌特征分布在扫描电子显微镜(SEM)中是常见的手段(参考文献[3]林峰，颜永年，闫占功等，一种电子束选区同步烧结工艺及三维分层制造设备[P]，中国专利，2005.08.03，200410009948.X)；另外电子束与工件16作用还会产生热波，热波在工件16内部传输形成声波，探测声波信号就可以进行电声成像；而工件16的内部结构缺陷、残余应力等能够对声波产生影响的因素都会体现在最终的电声成像中，因此利用电声信号可以得到工件16的内部微观结构信息。

基于上述原理，本发明提供一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法：所述方法通过脉冲电子束与工件16表面相互作用产生的二次电子或背散射电子信号获得工件16表面形貌特征，通过对脉冲电子束在工件16上产生的热波并传导到内部产生的声波进行电声信号探测，获得工件16内部分层结构特征，实现对工件16成形过程中工件16质量的实时检测。

本发明提供的一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法，具体包括步骤：

步骤一、利用电子枪发射预扫描电子束；

所述预扫描电子束为束流强度≤50mA的弱束流电子束。在电子束增材制造过程中，电子枪发射的电子束有两种，分别为扫描加工电子束和预扫描电子束，所述的预扫描电子束用于金属粉末熔化加工前的预烧结处理，所述的扫描加工电子束为束流强度≥200mA的强束流电子束，扫描加工电子束用于金属粉末的熔化加工。

步骤二、对所述预扫描电子束进行调制，获取脉冲电子束；

所述的调制是指利用信号发生器产生指定脉宽和频率的脉冲调制信号，所述脉冲调制信号对束闸调制极板4的电压信号进行调制，束闸调制极板4使所述预扫描电子束实现周期性的传输，获得脉冲电子束。

对高速束闸电源的电压信号进行调制，所述脉冲调制信号为方波信号，在脉冲调制信号处于高电平时，高速束闸电源的电压信号正常输出，束闸调制极板4通电并产生偏转电场，使通过的预扫描电子束偏转，实现预扫描电子束的关断；在脉冲调制信号处于低电平时，高速束闸电源的电压信号不输出，束闸调制极板4断电，预扫描电子束正常通过并到达工件16表面，实现预扫描电子束的开放。通过脉冲调制信号使得束闸调制极板4周期性的通电和断电，实现对所述预扫描电子束的周期性传输控制，获得脉冲电子束。

步骤三、利用所述脉冲电子束与工件16表面相互作用产生的二次电子或背散射电子信号获得工件16表面形貌特征。

所述二次电子或背散射电子信号的强度与二次电子或背散射电子的产率有关，二次电子或背散射电子的产率与脉冲电子束入射工件16表面时的角度有关，脉冲电子束入射角度与工件16表面的形貌有关，因此所述二次电子或背散射电子信号带有工件16表面形貌特征信息，二次电子或背散射电子检测系统对所述的二次电子或背散射电子信号进行探测后，将所述二次电子与背散射电子信号进行放大滤波，形成视频信号传输至计算机进行成像，获取工件16表面形貌特征。

步骤四、利用所述脉冲电子束与工件16表面相互作用产生热波，所述热波沿工件16表面向工件16内部传导形成声波，由位于工件16下方的换能器15接收所述声波形成电声信号，换能器15将所述电声信号传输到电声信号采集处理器，电声信号采集处理器对所述电声信号进行放大滤波后传输到计算机进行成像，获得工件16内部分层结构特征。

所述电声信号带有的工件16内部分层结构特征与脉冲电子束的频率有关。如图2所示，脉冲电子束与工件16表面相互作用，工件16表面吸收脉冲电子束能量后形成局部热源，局部热源在工件16表面产生热波，所述热波沿工件16表面向工件16内部传导形成声波，不同频率的脉冲电子束产生不同的热扩散范围，电声信号是热扩散范围内不同层次的热源产生的热波传导形成的声波的叠加，带有工件16热扩散范围内部分层结构特征。

所述换能器15设置在电子束增材制造装置中金属粉末工件台的下表面。换能器15的型号可以选择锆钛酸铅超声波传感器或镍铁铝合金超声波传感器。

一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测装置，所述电子束增材制造原位检测装置包括二次电子或背散射电子检测系统、电声信号检测系统、信号发生器、数字扫描发生器和计算机，在电子束增材制造过程中，对工件16质量进行实时检测。

如图1所示，二次电子或背散射电子检测系统包括二次电子或背散射电子探测器9和二次电子或背散射电子信号处理器19。对二次电子或背散射电子的产率和分布进行计算，在扫描范围内设计合理的二次电子或背散射电子检测区域，在电子束增材制造装置中工件16侧上方安装二次电子或背散射电子探测器9，用于采集二次电子或背散射电子信号；二次电子或背散射电子探测器9的输出端连接至二次电子或背散射电子信号处理器19。二次电子或背散射电子信号处理器19对所采集的二次电子或背散射电子信号进行放大滤波并形成视频信号输入到计算机进行工件16表面形貌特征成像。所述二次电子或背散射电子信号处理器19包括第一前置放大电路和第一数字回归滤波电路，第一前置放大电路实现对二次电子或背散射电子信号的放大，第一数字回归滤波电路实现对放大后的二次电子或背散射电子信号的滤波，滤波后的二次电子与背散射电子信号以视频信号的形式传输至计算机进行成像，获取工件16表面形貌特征。

电声信号检测系统包括换能器15和电声信号采集处理器20，所述的换能器15位于电子束增材制造装置中工件16下方，用于接收工件16内部传输的声波并形成电声信号，将电声信号传输到电声信号采集处理器20；换能器15的型号可以选择锆钛酸铅超声波传感器或镍铁铝合金超声波传感器。根据电子束增材制造工件要求，选择换能器15的型号、耦合方式、检测区域和位置布局，并将输出端连接至电声信号采集处理器20。所述的电声信号采集处理器20对电声信号进行放大滤波后传输到计算机进行成像，获得工件16内部分层结构特征。所述电声信号采集处理器20包括第二前置放大电路、锁相放大电路、程控放大电路以及第二数字回归滤波电路，第二前置放大电路实现对所述的电声信号的放大，锁相放大电路接收信号发生器传输的脉冲调制信号和放大后的电声信号，并将脉冲调制信号作为参考信号与放大后的电声信号之间求相位差获取电声深度信号，程控放大电路实现对电声深度信号的二次放大，第二数字回归滤波电路实现对二次放大后电声深度信号的滤波，滤波后的电声深度信号传输到计算机进行成像，获得工件16内部分层结构特征。

所述脉冲调制信号为方波信号。

信号发生器用于产生脉冲调制信号，分别发送给锁相放大电路和电子束增材制造装置中的高速束闸电源。所述脉冲调制信号通过对高速束闸电源的调制实现对束闸调制极板的电压信号调制，电压信号调制后的束闸调制极板实现对预扫描电子束频率的调制，从而形成脉冲电子束，脉冲电子束的工件16表面产生不同的局部热源，电声信号是热扩散范围内不同层次的热源产生的热波传导形成的声波的叠加，带有工件16热扩散范围内部分层结构特征，锁相放大电路将脉冲调制信号作为参考信号，获得不同热扩散范围对应的电声信号。

数字扫描发生器一端与增材制造装置中的线圈电源连接，另一端与计算机连接，根据计算机的指令，数字扫描发生器为电子束增材制造装置中的线圈电源输出数字扫描信号，使脉冲电子束与工件16表面作用时，以螺旋方式从中心向四周扫描。

如图1所示，电子束增材制造装置包括束闸调制极板4、大范围偏转线圈8、送粉箱10、移动料斗11、辊子12、回收箱13、工件台升降系统14、电子枪17、电磁透镜18和金属粉床工件台21；所述大范围偏转线圈8、电子枪17和电磁透镜18组成电子光柱体，其中电子枪17由阴极1、栅极2和阳极3组成，电磁透镜18由对中线圈5、消像散线圈6和聚焦透镜7组成。

电子枪17为三极电子枪，外接高稳定性的高压电源，能够发射弱束流的预扫描电子束和强束流的扫描加工电子束。阴极1选择逸出功小、发射束流密度高、化学稳定性与热稳定性强的金属材料，栅极2调整栅极电压控制阴极1发射束流的强度，形成弱束流的预扫描电子束通过束闸调制极板4形成脉冲电子束，脉冲电子束通过电磁透镜18进行聚焦、消像散，最后轰击至金属粉床工件台21，脉冲电子束通过大范围偏转线圈8实现大范围的预扫描。

束闸调制极板4安装于电子枪17与电磁透镜18之间，并外接有高速束闸电源，两个高速束闸调制极板4在高速束闸电源接通后产生静电偏转场，从电子枪17发射预扫描电子束经过束闸调制极板4，由于静电偏转场的偏转作用被束闸调制极板4截获，从而截断预扫描电子束，当关闭高速束闸电源后，预扫描电子束不被截断，因此形成周期性的脉冲电子束。所述高速束闸电源的接通和关闭，是通过信号发生器发送的脉冲调制信号进行控制的。

电磁透镜和大范围偏转线圈8各自外接线圈电源，电磁透镜18中的对中线圈5、消像散线圈6、聚焦透镜7依次对通过束闸调制极板4的脉冲电子束进行对中、消像散和聚焦，聚焦透镜7包括极靴、磁路和线包，极靴的结构尺寸运用专用电子光学软件进行优化。

大范围偏转线圈8采用马鞍形偏转线圈，使得脉冲电子束能够在大区域范围和大工作距离下实现扫描。在马鞍形偏转线圈下方添加四极透镜作为偏转透镜从而对脉冲电子束加速，获得更大扫描范围。由于电子束增材制造过程要求高速扫描，在设计结构时为降低大范围偏转线圈8的电感，采用铁凎氧材料作为磁路，同时使用铁凎氧磁环或铍莫合金包围大范围偏转线圈8，降低涡流损耗引起的滞后效应。

送粉箱10、移动料斗11、辊子12、回收箱13和工件台升降系统14组成金属粉末操纵器。金属粉末操纵器通过送粉箱10、移动料斗11、棍子12和回收箱13等机构对金属粉末进行送粉、铺平、压实、回收等操作。根据真空环境下物质的传热特性，所述传热特性包括辐射和传导，以及低压氦气放电特点，确定单层扫描模式和金属粉末操纵器运动模式，实现脉冲电子束在大范围扫描区域下与金属粉末所形成的工件16之间的相互作用，工件台升降系统14与计算机连接，通过计算机实时调控工件台升降系统14的升降。

具体实施过程中，首先设置电子束增材制造系统的初始条件和性能参数；

电子束增材制造系统的初始条件包括金属粉末操纵器的初始参数和电子光柱体的性能参数；所述金属粉末操纵器的初始参数包括金属粉床工件台21的位置、升降步距、铺粉厚度，工件16在金属粉床工件台21的正上方通过增材制造形成；所述电子光柱体的性能参数包括预扫描电子束的加速电压、能量散度、理论亮度、发射束流、交叉斑直径、出射角、扫描范围和扫描速度。

电子束增材制造系统的性能参数是指脉冲电子束的有效束流、有效束斑直径和有效入射束半角。有效束流是脉冲电子束到达工件16表面的束流部分，有效束斑直径是脉冲电子束在有效束流下对应的束斑直径，有效入射束半角是脉冲电子束在有效束斑下对应的入射束半角。

脉冲电子束的有效束流表示为其中β为亮度，d_i为脉冲电子束的有效束斑直径，α_i为脉冲电子束的有效入射束半角。

脉冲电子束的有效束斑直径d_i可以近似表达为：

其中，M为电子光柱体的线性缩放比例，0<M<1，d₀为脉冲电子束的交叉斑直径，是球差弥散斑直径，d_c＝c_cα_iΔE/E是色差弥散斑直径，c_s和c_c分别简化为聚焦透镜的球差系数和色差系数，α_i为脉冲电子束的有效入射束半角，E为脉冲电子束的能量，ΔE为脉冲电子束的能量散度。

根据所设置的电子束增材制造系统的初始条件和性能参数，设置二次电子或背散射电子检测系统的初始条件和性能参数，以及设置电声信号检测系统的初始条件和性能参数，对预扫描电子束进行频率调制获得脉冲电子束，利用脉冲电子束与工件16表面相互作用产生的二次电子或背散射电子获得工件16表面形貌特征，脉冲电子束与工件16表面相互作用产生的热波沿工件16表面向工件16内部传导形成声波，换能器15接收声波形成电声信号，对电声信号放大滤波后传输到计算机，获得加工过程中工件16内部分层结构特征。

二次电子或背散射电子检测系统的初始条件包括二次电子或背散射电子探测器参数和二次电子或背散射电子信号处理器参数。二次电子或背散射电子探测器参数包括二次电子或背散射电子探测器9的选型、检测区域和位置布局；二次电子或背散射电子信号处理器参数包括第一前置放大电路和第一数字回归滤波电路的参数。

二次电子或背散射电子检测系统的性能参数是指二次电子或背散射电子探测器9对工件16表面形貌特征的成像速度和成像分辨率，利用脉冲电子束与工件16表面相互作用产生的二次电子或背散射电子获得工件16表面形貌特征。

电声信号检测系统的初始条件包括束闸调制极板4的参数、换能器15的参数和电声信号采集处理器20的参数。束闸调制极板4的参数包括高速束闸电源所接收的脉冲调制信号的频率；换能器15的参数包括换能器15的选型、耦合方式、检测区域和位置布局，换能器15位于工件16正下方，具体位于工件16下方的金属粉床工件台21的下表面；电声信号采集处理器20的参数包括第二前置放大电路、锁相放大电路、程控放大电路和第二数字回归滤波电路的参数。

电声信号检测系统的性能参数是指电声信号检测系统对加工过程中工件16内部分层结构特征的成像速度和成像分辨率。电声信号成像分辨率和脉冲电子束的有效束斑大小及热扩散长度有关，其中热扩散长度的计算公式为：

其中，κ、ρ、C分别表示工件16的热导率、密度和比热容，ω表示脉冲电子束频率。电声信号是热扩散范围内不同层次的热源产生的声信号的叠加，带有工件16热扩散范围内部结构特征，锁相放大电路将脉冲调制信号作为参考信号，不同频率的脉冲电子束获得不同热扩散范围对应的电声信号，实现对工件16内部不同层次的结构特征进行成像，通过对加工中工件16每层表面下的结构进行成像和逐层叠加就可以得到电子束增材制造工件16的全部内部不同层次结构特征，所述内部分层结构特征包括气孔、杂质、分层、微裂纹、位错、晶粒、晶界、电畴和磁畴等。

本发明的技术方案解决了电子束增材制造现有的加工过程中缺乏有效检测手段的问题，提出一种基于电声效应的可以同时检测工件16表面形貌特征和工件16内部分层结构特征的电子束增材制造检测方法，利用脉冲电子束与工件16表面相互作用产生的二次电子或背散射电子获得工件16表面形貌特征；脉冲电子束与工件16表面作用产生的热波沿工件16内部传导形成声波，位于工件16下方的换能器15接收声波形成电声信号，并将电声信号传输到电声信号检测系统进而对工件16进行内部分层结构特征的成像，获得加工过程中工件16内部分层结构特征，对于加工中的工件16每层特征进行成像分析，进而能够对电子束增材制造进行实时检测和远程操控，以实现对于电子束增材制造加工过程的闭环控制和成形过程的质量监控，可成为提高电子束增材制造质量和性能的有效手段。

Claims (5)

1.一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、利用电子枪发射预扫描电子束；

所述预扫描电子束为束流强度≤50mA的弱束流电子束；

步骤二、对所述预扫描电子束进行调制，获取脉冲电子束；

所述的调制是指利用信号发生器产生指定脉宽和频率的脉冲调制信号，所述脉冲调制信号对束闸调制极板的电压信号进行调制，束闸调制极板使所述预扫描电子束实现周期性的传输，获得脉冲电子束；

步骤三、利用所述脉冲电子束与工件表面相互作用产生的二次电子或背散射电子信号获得工件表面形貌特征；

步骤四、利用所述脉冲电子束与工件表面相互作用，并在工件表面产生热波，所述热波沿工件表面向工件内部传导形成声波，由位于工件下方的换能器接收所述声波形成电声信号，换能器将所述电声信号传输到电声信号采集处理器，电声信号采集处理器对所述电声信号进行放大滤波后传输到计算机进行成像，获得工件内部分层结构特征。

2.如权利要求1所述的基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法，其特征在于，所述电声信号采集处理器包括第二前置放大电路、锁相放大电路、程控放大电路以及第二数字回归滤波电路，第二前置放大电路实现对电声信号的放大，锁相放大电路接收信号发生器传输的脉冲调制信号和放大后的电声信号，并将脉冲调制信号作为参考信号与放大后的电声信号之间求相位差获取电声深度信号，程控放大电路实现对电声深度信号的二次放大，第二数字回归滤波电路实现对二次放大后电声深度信号的滤波，滤波后的电声深度信号传输到计算机进行成像。

3.如权利要求1所述的基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法，其特征在于，所述换能器设置在电子束增材制造装置中金属粉末工件台的下表面，换能器的型号选择锆钛酸铅超声波传感器或镍铁铝合金超声波传感器。

4.如权利要求1所述的基于电声效应的电子束增材制造原位检测方法，其特征在于，所述脉冲调制信号为方波信号。

5.一种基于电声效应的电子束增材制造原位检测装置，其特征在于：所述电子束增材制造原位检测装置包括二次电子或背散射电子检测系统、电声信号检测系统、信号发生器和数字扫描发生器；

二次电子或背散射电子检测系统包括二次电子或背散射电子探测器和二次电子或背散射电子信号处理器；所述的二次电子或背散射电子探测器安装于工件侧上方，用于探测脉冲电子束与工件表面相互作用而产生的带有工件相变信息的二次电子或背散射电子信号，所述脉冲电子束由电子束增材制造装置中的电子光柱体提供的预扫描电子束经过电子束增材制造装置中的束闸调制极板调制后形成，所述二次电子或背散射电子信号处理器，对所采集的二次电子或背散射电子信号进行处理并作为视频信号输入到计算机进行工件表面形貌特征成像，所述二次电子或背散射电子信号处理器包括第一前置放大电路和第一数字回归滤波电路，第一前置放大电路实现对二次电子或背散射电子信号的放大，第一数字回归滤波电路实现对放大后的二次电子或背散射电子信号的滤波，滤波后的二次电子与背散射电子信号作为视频信号传输至计算机进行成像，获取工件表面形貌特征；

电声信号检测系统包括换能器和电声信号采集处理器；脉冲电子束与工件表面相互作用产生的热波沿工件内部传导形成声波，由位于工件下方的换能器接收所述声波形成电声信号并将电声信号传输到电声信号采集处理器，换能器的型号选择锆钛酸铅超声波传感器或镍铁铝合金超声波传感器；所述的电声信号采集处理器对电声信号进行放大滤波后传输到计算机进行成像，获得工件内部分层结构特征；所述电声信号采集处理器包括第二前置放大电路、锁相放大电路、程控放大电路以及第二数字回归滤波电路，第二前置放大电路实现对所述的电声信号的放大，锁相放大电路接收信号发生器传输的脉冲调制信号，并将脉冲调制信号作为参考信号与放大后电声信号之间求相位差获取电声深度信号，程控放大电路实现对电声深度信号的二次放大，第二数字回归滤波电路实现对二次放大后电声深度信号的滤波，滤波后的电声深度信号传输到计算机进行成像，获得工件内部分层结构特征；

所述脉冲调制信号为方波信号；

信号发生器用于产生脉冲调制信号，并分别发送给锁相放大电路和电子束增材制造装置中的高速束闸电源；所述脉冲调制信号通过对高速束闸电源的调制实现对束闸调制极板的电压信号调制，电压信号调制后的束闸调制极板实现对预扫描电子束频率的调制，从而形成脉冲电子束，脉冲电子束在工件表面产生不同的局部热源，局部热源在工件表面产生热波，所述热波沿工件表面向工件内部传导形成声波，电声信号是热扩散范围内不同层次的热源产生的热波传导形成的声波的叠加，带有工件热扩散范围内部分层结构特征；锁相放大电路将所述的脉冲调制信号作为参考信号，获得不同热扩散长度的结构对应的电声信号；

数字扫描发生器一端与增材制造装置中的线圈电源连接，另一端与计算机连接，并根据计算机的指令为电子束增材制造装置中的线圈电源输出数字扫描信号，使脉冲电子束与工件表面作用时，以螺旋方式从中心向四周扫描。