CN110045012B - 内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块及其加工方法和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无损检测技术领域，具体而言为涡流检测用对比试块，尤其涉及内部含有闭合型人工缺陷的试块及其加工方法和使用方法。本发明所述试块内部的人工缺陷为闭合型人工缺陷，不与任一表面相通，人工缺陷顶面与侧壁均为加工面。涡流检测试块的加工方法为选区激光熔化成形‑微铣复合加工。涡流检测试块的使用方法为通过试块建立阻抗信号峰值频率曲线和阻抗信号幅值曲线来对实际缺陷进行判断。本发明的技术方案解决了现有技术中敞开式人工缺陷涡流检测试块与含内部缺陷的实际检测对象相差较大，无法准确评定实际内部缺陷的位置、尺寸及形状，进而影响后续工艺参数调整、缺陷去除或维修的问题。

Description

内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块及其加工方法和使 用方法

技术领域

本发明涉及无损检测技术领域，具体而言为涡流检测用对比试块，尤其涉及内部含有闭合型人工缺陷的试块及其加工方法和使用方法。

背景技术

涡流检测技术是一种常用的表面/亚表面无损检测技术，由于具有非接触、可检测亚表面缺陷、反应灵敏、检测效率高等特点，应用十分广阔。实际涡流检测过程中检测对象的缺陷特征较为复杂，为准确地确定缺陷的类型、位置以及尺寸，需要使用缺陷类型、位置以及尺寸已知的人工缺陷涡流检测试块。通过对人工缺陷进行检测，建立检测信号与人工缺陷特征之间的关系，以此作为判定与分析实际缺陷特征的依据。因此，人工缺陷的特征应尽可能地接近涡流检测对象在制造或使用过程中产生的实际缺陷特征。

目前，涡流检测试块的人工缺陷均为开口于表面的槽/孔结构，即敞开式人工缺陷，加工工艺多采用电火花、钻削、铣削等传统加工工艺，这种敞开式人工缺陷涡流检测试块多被用于模拟实际检测对象的表面缺陷。而在实际涡流检测过程中，除表面缺陷外，检测对象中还存在有内部缺陷，如铸坯的内部夹杂、未熔合孔洞，以及航空设备铆钉结构内的疲劳裂纹等。对于这些内部缺陷的检测，采用现有敞开式人工缺陷涡流检测试块进行对比分析，如：当实际检测对象为内部含有未熔合孔洞的薄板时，由于厚度有限，涡流场可绕过缺陷下方；而现有的敞开型人工缺陷涡流检测试块只能采用在试块背部开槽的方式模拟实际内部缺陷，其内部的涡流场只能从人工缺陷上方和两侧绕过，因此与实际检测对象体内的涡流场分布规律差别较大，两者涡流检测信号幅值相差32 %。

因此，使用传统加工工艺制造的敞开式人工缺陷涡流检测试块与实际检测对象的内部缺陷相差较大，无法用于准确评定实际内部缺陷的具体位置及尺寸形状，进而影响后续的工艺参数调整、缺陷去除或维修。

针对上述现有技术中所存在的问题，研究设计一种新型的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块及其加工方法和使用方法，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

根据上述提出的使用敞开式人工缺陷涡流检测试块对实际内部缺陷进行判定会存在较大的误差，无法准确判断实际内部缺陷的具体位置及尺寸形状，进而影响工艺参数调整、缺陷去除或维修的技术问题，本发明提供了一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块及其加工方法和使用方法。本发明主要利用在试块内部预制闭合型人工缺陷，从而达到效果精准模拟实际检测对象的内部缺陷的目的。

本发明采用的技术手段如下：

一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块是由选区激光熔化成形-微铣复合加工技术制成的内部含有闭合型人工缺陷的非铁磁性金属试块，试块的两端设置有与闭合型人工缺陷逐一对应的标定槽。

进一步地，闭合型人工缺陷不与试块的任一表面相通。

进一步地，闭合型人工缺陷的顶面与侧壁均为尺寸/形位精度高、表面质量良好的加工面。

进一步地，闭合型人工缺陷的形状为接近于实际检测对象内部缺陷的几何体，包括但不局限为以下形状：长方体、圆柱体、棱柱体。

进一步地，闭合型人工缺陷的顶面与标定槽的标定面等高。

进一步地，非铁磁性金属需适用于选取激光熔化成形，且与检测对象材料相同。

进一步地，一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块的加工方法，其特征在于，所述的加工方法选用选区激光熔化成形—微铣复合加工技术，包括以下步骤：

第一步、根据实际检测对象在建模分层软件中建立试块的三维模形，建模后将模型翻转并切片分层，然后使用激光束，在基板上对金属粉末进行逐层熔化、凝固，堆积成形出一定高度的试块基体；

第二步、逐层堆积出闭合型人工缺陷的顶面和相应标定槽的标定面，以及一定高度的闭合型人工缺陷侧壁，该高度由微型铣刀的可达性和加工能力决定，标定槽位于试块两端且其标定面与闭合型人工缺陷的顶面等高，以实现对试块内部的闭合型人工缺陷位置的确定；

第三步、使用微型铣刀，加工闭合型人工缺陷的顶面和侧壁，以及标定槽的标定面；

第四步、根据微型铣刀的可达性和加工能力，继续向上逐层堆积一定层数，而后使用微型铣刀加工新成形出的闭合型人工缺陷的侧壁；

第五步、堆积成形与微铣加工交替循环进行，直至加工出闭合型人工缺陷的全部侧壁；

第六步、根据闭合型人工缺陷的底面的悬臂结构尺寸，设置局部激光功率，完成闭合型人工缺陷底面的直接熔化凝固成形；

第七步，试块内其他闭合型人工缺陷的加工步骤同二至六步，全部闭合型人工缺陷加工完成后，继续逐层堆积出试块的下表面，并使用端面铣刀将其铣削至所需的表面质量；

第八步，使用线切割沿基板切下试块得到检测表面，线切割位置由所需的闭合型人工缺陷距检测表面的深度决定；

第九步，使用砂轮磨削试块检测表面，使检测表面达到检测所需表面质量。

进一步地，除第六步中设置的局部激光功率为180-300 W外，其他步骤中成形所用激光功率均为200-400 W。

进一步地，一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块的使用方法，其特征在于，所述的使用方法是利用阻抗信号峰值频率曲线确定缺陷深度，利用阻抗信号幅值曲线确定缺陷尺寸，具体步骤如下：

第一步，使用频率范围为45-420 kHz的不同激励频率对试块内的尺寸相同、但深度不同的闭合型人工缺陷进行检测标定，建立缺陷深度—阻抗信号峰值频率曲线，缺陷距检测表面的深度是影响检测信号峰值频率大小的主要因素，通过建立缺陷深度—阻抗信号峰值频率曲线，可以有效地判断缺陷的深度。

第二步，保持激励频率不变，在试块表面沿闭合型人工缺陷长度方向进行检测标定，建立缺陷长度—阻抗信号幅值曲线；保持检测频率不变，对试块内深度相同、但高度不同的闭合型内部人工缺陷进行检测标定，建立缺陷高度—阻抗信号幅值曲线；

第三步，对实际检测对象进行扫描检测，比照人工缺陷与实际内部缺陷的阻抗信号峰值频率和幅值曲线，判断实际内部缺陷的深度与尺寸。

使用本发明所述的含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块对实际内部缺陷进行模拟，试块内涡流场分布规律与含有内部缺陷的实际检测对象体内的涡流场分布规律相同，即导体厚度有限时涡流场可绕过缺陷下方，因此使用本发明模拟实际薄板内部的未熔合孔洞时，两者的涡流检测信号幅值相差不超过2.6 %。而现有的敞开型人工缺陷涡流检测试块只能采用在试块背部开槽的方式来模拟实际内部缺陷，其内部的涡流场只能从人工缺陷上方和两侧绕过，因此与实际检测对象体内的涡流场分布规律差别较大，两者涡流检测信号幅值相差32 %。

使用本发明所述的加工方法，通过建模后翻转模型，首先成形出对检测精度影响最大的闭合型人工缺陷顶面，避免了该面成为最后成形的悬臂结构，并使微铣加工该面成为可能，进而保证了检测精度。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明能准确地模拟实际检测对象的内部缺陷，从而使得检测信号可有效地用于评定实际内部缺陷的位置尺寸与形状，使用本发明所述的含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块模拟实际薄板内部的未熔合孔洞时，涡流检测信号幅值差不大于2.6 %，与现有的敞开式人工缺陷涡流检测试块相比，信号幅值差减少了92 %。

2、本发明的基于选区激光熔化成形-微铣复合加工技术的制备方法，通过在建模后翻转模型，实现了对闭合型内部人工缺陷顶面及侧壁的微铣加工，具有尺寸、形状、位置精度高的特点；

3、本发明的制备方法可根据实际检测对象的尺寸、材料和内部缺陷特征自由制定相应的人工缺陷试块，具有可制定化、生产周期短、加工效率高、适用范围广等优点，具有良好的市场应用前景。

综上，应用本发明的技术方案解决了现有技术中敞开式人工缺陷涡流检测试块与含内部缺陷的实际检测对象相差较大，无法准确评定实际内部缺陷的位置、尺寸及形状，进而影响后续工艺参数调整、缺陷去除或维修的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块结构示意图。

图2为图1的局部剖视放大图。

图3为本发明所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块加工方法流程示意图。

图4为检测含有内部缺陷的实际检测对象时，其内部的涡流场分布规律示意图。

图5为检测现有的敞开式人工缺陷涡流检测试块时，其内部的涡流场分布规律示意图。

图6为检测本发明所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块时，其内部的涡流场分布规律示意图。

图中：1、试块 1-1、试块的检测表面 1-2、试块的下表面 2、闭合型人工缺陷 2-1、闭合型人工缺陷顶面 2-2、闭合型人工缺陷底面 3、标定槽 3-1、标定槽标定面 4、基板 5、试块基体 6、激光束 7、微型铣刀 8、端面铣刀 9、砂轮。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位（旋转90度或处于其他方位），并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1、2所示，本发明提供了一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，该试块1用于检测实际检测对象内部的层间未熔合缺陷。实际检测对象为钛合金Ti-6Al-4V薄板，厚度为3 mm。根据实际检测对象，确定内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块材料为钛合金Ti-6Al-4V，确定试块尺寸为：20 mm长、15 mm宽、3 mm厚。为模拟层间未熔合缺陷，试块1内部含有四组共十二个特征不同的闭合型人工缺陷2，其宽度均为0.1 mm。试块1内部左侧一组纵向排列的人工缺陷用于长度检测，其深度均为0.3 mm，高度均为0.5 mm，长度分别为2 mm、3 mm和4 mm ；右侧三组横向排列的人工缺陷用于深度/尺寸检测，各组距检测表面1的深度分别为0.3 mm、0.6 mm和0.9 mm，每组内含三个长度均为1 mm，高度分别为0.5 mm、1 mm和1.5 mm的人工缺陷。以其中一个人工缺陷为例，规定人工缺陷各面中，靠近检测表面1-1的一面为人工缺陷顶面2-1，该面为微铣加工面；靠近试块1的下表面1-2的一面为人工缺陷底面2-2，该面为直接熔化凝固成形的悬臂结构；人工缺陷整个侧壁均为微铣加工面。试块两端设置有与各人工缺陷分别对应的标定槽3，标定槽3的标定面3-1距检测表面1-1的距离与其对应的闭合型人工缺陷2的顶面2-1距离检测表面1-1的距离相同，用来在实际检测中确定闭合型内部人工缺陷2的深度。

如图3所示，本发明所述的实施例1中的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块的加工方法为：

第一步，在建模分层软件中建立试块的三维模型后将模型翻转放置并切片分层，本实施例试块1的三维模型尺寸为,该尺寸预留了加工余量，然后使用激光束6在钛合金基板4上对钛合金粉末进行逐层熔化、凝固，堆积成形出高度为1.8 mm的试块基体5；

第二步，在试块基体5上继续逐层堆积，直至成形出闭合型人工缺陷2的顶面2-1和相应标定槽3的标定面3-1，以及高度为0.8 mm的闭合型人工缺陷侧壁，侧壁高度由微型铣刀7的可达性和加工能力决定；

第三步，使用微型铣刀7加工闭合型人工缺陷2顶面2-1及标定槽3的标定面3-1，然后加工闭合型人工缺陷的侧壁；

第四步，根据微型铣刀7的可达性和加工能力，继续向上逐层堆积一定层数，然后使用微型铣刀7加工新堆积出的人工缺陷侧壁；

第五步，选区激光熔化成形与微铣加工交替循环进行，直至加工出闭合型人工缺陷2的整个侧壁；

第六步，当堆积成形至闭合型人工缺陷2的底面2-2所在分层时，设置局部激光功率，熔化凝固该分层的金属粉末，直接成形出缺陷底面2-2，该面为悬臂结构；

第七步，试块内其他闭合型人工缺陷的加工方法同步骤二至六，全部人工缺陷加工完成后，继续逐层堆积成形出试块1的下表面1-2，然后使用端面铣刀8将其铣削至所需的表面质量；

第八步，使用线切割将试块沿基板4切下，线切割位置由所需的人工缺陷距检测表面的深度决定，本实施例中线切割加工后，最浅一组人工缺陷的深度为0.31 mm（含0.01 mm磨削加工余量）；

第九步，使用砂轮9磨削试块1的检测表面1-1，使得检测表面1-1的表面粗糙度Ra为0.8 μm。

本实施例除第六步中设置的局部激光功率为180 W外，其他步骤中成形所用激光功率均为200 W。

一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块使用方法为：

第一步，使用试块对涡流检测仪进行灵敏度设定，在激励频率为45 kHz的条件下调节仪器增益，使长1 mm、高0.5 mm、深0.9 mm的闭合型人工缺陷信号幅值占据仪器屏幕的40 %。然后在45-420 kHz的频率范围内，使用不同激励频率对试块内的长1 mm、高0.5mm，深度分别为0.3 mm，0.6 mm和0.9 mm的一组闭合型人工缺陷进行检测标定，建立缺陷深度—阻抗信号峰值频率曲线；

第二步，保持激励频率为90 kHz不变，在试块表面沿闭合型人工缺陷长度方向进行检测标定，建立缺陷长度—阻抗信号幅值曲线；保持检测频率为90 kHz不变，分别对试块内深度相同、但高度不同的闭合型内部人工缺陷进行检测标定，建立缺陷高度—阻抗信号幅值曲线；

第三步，在实际检测对象即钛合金薄板上沿整个面进行扫描检测，得到实际层间未熔合缺陷的阻抗信号峰值频率和幅值曲线，然后比照人工缺陷曲线，进而判断实际层间未熔合缺陷的深度与尺寸。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，提供了一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，试块成形材料为铝合金AlMg5，结构与实施例1相同。实施例2具体区别在于材料不同导致的加工参数不同。

上述铝合金试块加工时，除第六步所用局部激光功率为300 W外，其余步骤中成形所用激光功率均为400 W。

上述铝合金试块在使用时，与实施例1相同。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，其特征在于：

所述的检测试块是由选区激光熔化成形-微铣复合加工技术制成的内部含有闭合型人工缺陷（2）的非铁磁性金属试块（1），试块（1）的两端设置有与闭合型人工缺陷（2）逐一对应的标定槽（3）；

所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块的加工方法采用选区激光熔化成形-微铣复合加工技术，包括以下步骤：

第一步、根据实际检测对象在建模分层软件中建立试块的三维模形，建模后将模型翻转并切片分层，然后使用激光束（6），在基板（4）上对金属粉末进行逐层熔化、凝固，堆积成形出一定高度的试块基体（5）；

第二步、逐层堆积出闭合型人工缺陷（2）的顶面（2-1）和相应标定槽（3）的标定面（3-1），以及一定高度的闭合型人工缺陷侧壁，侧壁高度由微型铣刀（7）的可达性和加工能力决定，标定槽（3）位于试块两端且其标定面（3-1）与闭合型人工缺陷（2）的顶面（2-1）等高，以实现对试块（1）内部的闭合型人工缺陷（2）位置的确定；

第三步、使用微型铣刀（7），加工闭合型人工缺陷（2）的顶面（2-1）和侧壁，以及标定槽（3）的标定面（3-1）；

第四步、根据微型铣刀（7）的可达性和加工能力，继续向上逐层堆积一定层数，而后使用微型铣刀（7）加工新成形出的闭合型人工缺陷（2）的侧壁；

第五步、堆积成形与微铣加工交替循环进行，直至加工出闭合型人工缺陷（2）的全部侧壁；

第六步、根据闭合型人工缺陷（2）的底面（2-2）的悬臂结构尺寸，设置局部激光功率，完成闭合型人工缺陷（2）底面（2-2）的直接熔化凝固成形；

第七步，试块（1）内其他闭合型人工缺陷（2）的加工步骤同二至六步，全部闭合型人工缺陷（2）加工完成后，继续逐层堆积出试块（1）的下表面（1-2），并使用端面铣刀（8）将其铣削至所需的表面质量；

第八步，使用线切割沿基板（4）切下试块（1）得到检测表面（1-1），线切割位置由所需的闭合型人工缺陷（2）距检测表面（1-1）的深度决定；

第九步，使用砂轮（9）磨削试块（1）的检测表面（1-1），使检测表面（1-1）达到检测所需表面质量。

2.根据权利要求1所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，其特征在于，所述的闭合型人工缺陷（2）不与试块（1）的任一表面相通。

3.根据权利要求2所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，其特征在于，所述的闭合型人工缺陷（2）的顶面（2-1）与侧壁均为尺寸/形位精度高、表面质量良好的加工面。

4.根据权利要求3所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，其特征在于，所述的闭合型人工缺陷（2）的形状为接近于实际检测对象内部缺陷的几何体，包括以下形状：长方体、圆柱体、棱柱体。

5.根据权利要求1所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，其特征在于，所述的闭合型人工缺陷（2）的顶面（2-1）与标定槽（3）的标定面（3-1）等高。

6.根据权利要求1所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，其特征在于，所述的非铁磁性金属试块需适用于选取激光熔化成形，且与检测对象的材料相同。

7.根据权利要求1所述的内部含有闭合型人工缺陷的涡流检测试块，其特征在于，除所述的第六步中设置的局部激光功率为180-300 W外，其他步骤中成形所用激光功率均为200-400 W。

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