CN112945863A - 一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法，将激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理，得到不同微观组织，采用光纤相控阵超声检测方法对不同热处理试件进行检测，利用传统超声方法测算出超声波的测试参数；将试件通过机械测试的方法计算合金材料参数；基于两种测试结果的比较，建立超声检测参数特征值与材料宏观力学性能指标之间的映射关系，采用PSO算法进行曲线拟合，建立数学模型；建立数学模型及数据库，通过模型来定量预测相同试件的宏观力学性能指标的大小，同时采用微观组织成分、比例和晶粒的大小解释宏观力学指标大小的差异。与现有技术相比，本发明具有效率高，速度快，降低数据拟合之间的误差等优点。

Description

一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法

技术领域

本发明涉及激光无损检测技术领域，尤其是涉及一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，俗称3D打印、三维打印(ThreeDimension Printing)技术，目前金属增材制造技术逐渐成熟，已广泛应用于航空航天、医疗、汽车、核电等领域。近年来，随着激光增材制造成形技术发展迅猛，成形材料种类不断增多，成形精度不断提高，成形结构日趋复杂。金属构件激光增材制造成形技术作为增材制造成形技术体系中最前沿的技术，在航空航天、汽车船舶、医疗器械等领域广泛应用。在激光增材制造合金钢构件成形过程中，合金钢构件的缺陷控制、力学性能和成形质量好坏直接影响构件后续在役时的运行安全和使用寿命。硬度和抗拉强度作为合金钢的重要性能指标，不仅可以直接反映合金钢的综合力学性能，而且其与断裂性能、抗疲劳性能、抗点蚀性能及塑性性能息息相关，因此合金钢硬度及抗拉强度的评价与表征是材料力学性能测试的重要研究内容，对激光增材制造合金钢构件控形、控性具有重要意义。

激光增材制造金属构件的无损检测评价主要集中在对其缺陷和应力进行检测，对于构件内部的组织合材料力学性能包括弹性模量、密度、屈服强度、拉伸强度、延伸率和冲击韧性主要靠机械破坏的方法获得，不仅对测试样品尺寸有一定的要求同时对测试样品的表面粗造度，测量的设备都有要求。传统的机械检测方法是通过拉伸、压入、冲击等方式进行检测，检测速度慢且容易对测试样品造成破坏，且检测的结果无法实现即时在线获取。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，该系统包括：

激光超声激发装置，通过光纤脉冲激励激光器激发出脉冲激光，将激光平均分成若干束，并对每路激光束进行放大后，将同源激光相干合束，最后通过聚焦镜聚焦到待测热处理工件上，所述待测热处理工件为激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理后的试件；

激发控制装置，通过计算机控制光纤脉冲激光的激发，启停功率的调节以及光纤相控阵激发相位的调节；

环境补偿装置，对现场空气温度、湿度、大气压力和材料温度进行实时高精度检测与控制；

激光超声接收装置，与待测热处理工件连接，实现待测热处理工件上超声信号的实时采集；

扫查装置，对激光超声激发装置的激光照射位置进行定位。

所述激光超声激发装置包括高频光纤脉冲激光器、耦合器、光纤放大器和合束器。

进一步地，所述高频光纤脉冲激光器输出激光波长为1064nm，最大脉冲能量为200mj，脉冲宽度为15ns，最大重复频率为30Hz，光束发散角<1°的脉冲激光。所述耦合器采用FC光纤适配器。

所述扫查装置包括二维扫描动镜、与二维扫描动镜连接的步进电机、与步进电机连接的步进电机控制器以及两轴扫描振镜，步进电机与高频光纤脉冲激光器连接，所述扫查装置通过步进电机控制器控制二维扫描动镜的运动及高频光纤脉冲激光器脉冲的发射，两轴扫描振镜连接高频光纤脉冲激光器。所述二维扫描动镜包括X、Y两个扫描振镜，各扫描振镜设有摆动电机及固定在该电机转轴上的全反射镜片。

所述环境补偿装置包括空气温度传感器、材料温度传感器、电脑终端、气体密封罐、热源以及内置有湿度传感器和气压传感器的环境补偿机。各传感器的控制器连接所述环境补偿主机，所述环境补偿主机连接所述电脑终端，所述电脑终端与气体密封罐和热源分别连接。

一种增材制造合金材料的力学性能无损检测方法，该方法包括如下步骤：

S1：将激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理，获取不同微观组织。

S2：将热处理后的试件置于三维移动平台上，采用光纤相控阵超声检测方法对不同热处理试件进行检测，利用超声方法测算出超声波的横波速度、纵波速度和群速度后，通过FFT变换得到的二次谐波信号计算出合金材料的衰减系数和非线性系数。

S3：将热处理的试件通过机械测试方法，计算合金材料的弹性模量、泊松比、屈服强度和延伸率，基于超声检测与机械测试二者的比较，建立超声检测参数特征值与材料宏观力学性能指标之间的线性或者非线性映射关系。

S4：采用PSO算法对步骤S3得到的映射关系进行曲线拟合，建立数学模型，在达到误差要求的前提条件下，完成采用光纤相控阵超声检测评价激光增材制造合金钢件力学性能的标定实验。

S5：建立数学模型及数据库，并通过建立的数学模型定量预测相同试件的宏观力学性能指标的大小，同时采用微观组织成分、比例和晶粒的大小因素变化获取宏观力学指标大小的差异。

进一步地，步骤S4的具体内容为：

采用PSO算法将超声测得特征参数进行预处理，随后利用粒子群算法对BP神经网络建立的线性或非线性数学模型进行更新优化，寻找最优的权值阈值，从而对映射关系进行的曲线拟合，建立最优的非线性数学模型，所建立的最优的非线性数学模型为超声检测参数与合金构件力学特性之间的线性或者非线性数学模型，该模型的输入为实验条件下测得的超声横波速度，纵波速度，衰减速度，群速度，相速度和非线性系数，输出为合金材料的弹性模量、屈服强度和泊松比。模型建立后，在达到误差要求的前提条件下，完成采用光纤相控阵超声检测评价激光增材制造合金钢件力学性能的标定实验。

本发明提供的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统及方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)本发明采用高频光纤脉冲激光器，分辨率更高，测得的超声参数更加精确，同时工作效率更高。

2)本发明采用环境补偿装置，能够实现对空气温度、湿度、大气压力和材料温度的实时高精度检测与控制，避免结果受环境因素的影响。

3)本发明不仅能够检测材料的硬度、残余应力、和工作应力，而且还能对金属构件的屈服强度、拉伸强度、伸长率和冲击韧性进行检测。

4)采用基于PSO优化的神经网络来拟合输入和输出，算法简单，效率高，很好地解决了数据拟合之间误差大的问题。

附图说明

图1为实施例中增材制造合金材料的力学性能无损检测系统的结构示意图；

图2为实施例中环境补偿装置的原理示意图；

图3为实施例中超声检测方法评价合金钢构件力学性能标定模型框图；

图4为实施例中基于PSO算法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

激光超声无损检测技术是利用激光的热弹效应，在不破坏被检测试件的性能和完整性的前提下，检测试件的物理性能和组织状态，以此来查明试件的表面和内部是否含有缺陷的技术。不仅可以评价构件的硬度、残余应力、和工作应力，还可以采用非线性超声检测技术评价构件的早期损伤和力学性能退化。无损检测技术相对传统机械方法(拉伸、压入、冲击等)具有快速、非破坏、在役在线等方面具有独特的优势。

基于上述思路，本发明提出了一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统。该系统包括激光超声激发装置、激发控制装置、环境补偿装置、激光超声接收装置、扫查装置和三维移动平台。待测热处理工件设于三维移动平台上，实现被测工件的三轴移动并根据平台的精确刻度完成前期的标定和校准工作。待测热处理工件为激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理后的试件。图1中的上半部分属于光纤相控阵部分，通过反馈光来调节相位控制器，相位控制器再来控制每路光的相位，保证相干合束和发射角扫描。FC光纤适配器的作用是将光路平均分成多束光路，同时可以将光纤输出的能量最大限度的进行传输。

1、激光超声激发装置

所述激光超声激发装置主要由高频光纤脉冲激光器、耦合器、光纤放大器和合束器。合束器可优选采用远场变换透镜。

高频光纤脉冲激光器可输出激光波长为1064nm，最大脉冲能量为200mj，脉冲宽度为15ns，最大重复频率为30Hz，光束发散角<1°的脉冲激光，在保证一定信噪比的超声信号同时，可以完成更高效率的检测，相比于传统的只有10-20KHZ的激光器更适合在工业中。通过光纤脉冲激励激光器激发出脉冲激光，先经过耦合器(可优先采用FC光纤适配器)将激光平均分成若干束，每路分别进行相位控制，再分别通过光纤放大器对激光放大，再通过远场变换透镜将同源激光相干合束，最后通过聚焦镜聚焦到待测热处理工件上。实现热弹机制激发出超声波并低于烧蚀阈值。

进一步地，若以光波长(633nm)为测量单位，高频光纤脉冲激光器的分辨率可达到nm级别。高频光纤脉冲激光器与传统激光超声YAG脉冲激光器重频为10-20HZ相比，在保证一定的信噪比信号的同时，可以完成更高效率的检测，更适合工业行业使用。

进一步地，可通过光纤功率分束器可对激光功率在0-100％范围内调节，为了方便调节，分束器内配备波长6400nm、功率1mW的二极管指示灯，用于对中光束。

进一步地，由于激光在材料内激发的体波具有方向性，可利用激光超声方法、检测位置灵活的特点，采用固定探测点不动，以固定步长扫描激光线源的方法在材料中激发超声信号。

2、激发控制装置

所述激发控制装置主要由激光控制机柜、计算机和光纤相控阵的相位控制器组成，用于完成激发装置的外部触发。计算机连接高频光纤脉冲激光器。激光控制机柜内放置光纤相控阵的相位控制器和计算机，光纤相控阵的相位控制器连接计算机。计算机用于完成硬件的控制和软件的分析，通过计算机来实现光纤脉冲激光的激发，启停功率的调节以及光纤相控阵激发相位的调节。所述激发控制装置在计算机上实现光纤脉冲激光器的发射、停止、扫描方式、功率大小以及相位的控制。

3、环境补偿装置

所述环境补偿装置主要由环境补偿主机(内置湿度传感器和气压传感器)、电脑终端、空气温度传感器、材料温度传感器、气体密封罐和热源组成。用于实现对空气温度、湿度、大气压力和材料温度的实时高精度检测与控制。各传感器的控制器通过气路连接环境补偿主机，环境补偿主机通过电路连接电脑终端，电脑终端与气体密封罐和热源分别连接。当检测到外部环境如压力、温度等发生变化时，电脑终端将会驱动气体密封罐或者热源对整个实验条件进行补偿，减少外部环境对测量造成的影响。各传感器集成在环境补偿装置中，环境补偿装置设定在待测热处理工件所处环境中，各传感器与激光超声接收装置、计算机为闭环控制的关系。

4、激光超声接收装置

所述激光超声接收装置主要包括压电传感器，电荷放大器，高通滤波器和数据采集卡。压电传感器、电荷放大器、高通滤波器和数据采集卡依次连接，压电传感器设于热处理工件上。

进一步地，压电传感器采用不同中心频率的参数规格，并经过电荷放大器BNC输出和BNC输入，与数据采集卡相连接，数据采集卡与计算机的控制端相连接，完成超声信号的实时采集。

5、扫查装置

扫查装置主要由步进电机、两轴扫描振镜和二维扫描动镜(两片扫描振镜)组成，步进电机与二维扫描动镜连接，步进电机与高频光纤脉冲激光器连接。通过步进电机控制器来控制二维扫描动镜和高频光纤脉冲激光器脉冲的发射。两轴扫描振镜连接高频光纤脉冲激光器，可在二维平面中实现X、Y轴的移动，从而实现激光照射位置的定位以及扫描路径的实现。两轴扫描振镜的组成包含X、Y两个扫描振镜，振镜则有摆动电机和固定在该电机转轴上的全反射镜片组成。X-Y机械扫描器X、Y轴的行程均为250mm，机械运动精度为5μm。

所述二维扫描动镜包括摆动电机，不同于其他普通电机，摆动电机只具有偏转功能，偏转角与电流成正比，整个过程采用闭环控制，由位置传感器、误差放大器、功率放大器、位置区分器和电流积分器共同作用，完成二维路径的扫描。

所述激发装置表现为高频光纤脉冲激光器发出一束激光脉冲，通过两轴扫描振镜、两偏扫描振镜和聚焦镜在工件上形成直径为1mm的圆光斑，实现热弹机制激发出超声波并低于烧蚀阈值，完成无损检测。

本发明实施例另一方面还提供一种增材制造合金材料的力学性能无损检测方法，该方法包括下列步骤：

步骤S1：将激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理，得到不同微观组织，直接反映在试件的宏观力学性能不同。

步骤S2：采用光纤相控阵超声检测方法对不同热处理试件进行检测，利用传统超声方法测算出超声波的横波速度，纵波速度，群速度等；再利用经过FFT变换得到的二次谐波信号去计算出合金材料的衰减系数和非线性系数。

步骤S3：由图3可以看出，先将热处理的试件通过机械测试的方法，计算得出合金材料的弹性模量、泊松比、屈服强度、延伸率等不同。其中，采用机械方法测量合金材料的力学特性是现有技术，在此不过多赘述。本步骤的超声检测部分的具体内容为：接着通过实验首先测得超声通过合金构件的横波速度，纵波速度，群速度，衰减速度等，将超声测得特征参数值带入现有公式计算得到合金构件的力学性能，例如弹性模量、泊松比、屈服强度、延伸率等，基于超声检测与机械测试方法得到的力学性能值的比较，建立超声检测参数特征值与材料宏观力学性能指标之间的线性或者非线性映射关系。

步骤S4：采用PSO算法将超声测得特征参数进行降噪等预处理，在利用粒子群算法对BP神经网络建立的线性或非线性数学模型进行更新优化，找出最优的权值阈值，从而对映射关系进行曲线拟合，建立最优的非线性数学模型，建立的非线性数学模型是超声检测参数与合金构件力学特性之间的线性或者非线性数学模型，输入是实验条件下测得的超声横波速度，纵波速度，衰减速度，群速度，相速度，非线性系数等，输出是合金材料的弹性模量、屈服强度、泊松比等。建立模型后，在达到误差要求的前提条件下，完成采用光纤相控阵超声检测评价激光增材制造合金钢件力学性能的标定实验，即通过测量超声通过合金构件的特征参数值，代入数学模型，来计算合金构件的力学性能。

步骤S5：建立数学模型及数据库，并通过建立的数学模型来定量预测相同试件的宏观力学性能指标的大小，同时采用微观组织成分、比例和晶粒的大小等因素变化来解释宏观力学指标大小的差异。具体地，通过前述步骤建立的数学模型，只要测的超声经过合金构件一些特征参数值，带入数学模型，即可计算出合金构件的力学特性，完成合金构件性能的无损检测与性能评价。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，其特征在于，包括：

激光超声激发装置，通过光纤脉冲激励激光器激发出脉冲激光，将激光平均分成若干束，并对每路激光束进行放大后，将同源激光相干合束，最后通过聚焦镜聚焦到待测热处理工件上，所述待测热处理工件为激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理后的试件；

激发控制装置，通过计算机控制光纤脉冲激光的激发，启停功率的调节以及光纤相控阵激发相位的调节；

环境补偿装置，对现场空气温度、湿度、大气压力和材料温度进行实时高精度检测与控制；

激光超声接收装置，与待测热处理工件连接，实现待测热处理工件上超声信号的实时采集；

扫查装置，对激光超声激发装置的激光照射位置进行定位。

2.根据权利要求1所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，其特征在于，所述激光超声激发装置包括高频光纤脉冲激光器、耦合器、光纤放大器和合束器。

3.根据权利要求2所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，其特征在于，所述高频光纤脉冲激光器输出激光波长为1064nm，最大脉冲能量为200mj，脉冲宽度为15ns，最大重复频率为30Hz，光束发散角<1°的脉冲激光。

4.根据权利要求2所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，其特征在于，所述耦合器采用FC光纤适配器。

5.根据权利要求1所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，其特征在于，所述扫查装置包括二维扫描动镜、与二维扫描动镜连接的步进电机、与步进电机连接的步进电机控制器以及两轴扫描振镜，步进电机与高频光纤脉冲激光器连接，所述扫查装置通过步进电机控制器控制二维扫描动镜的运动及高频光纤脉冲激光器脉冲的发射，两轴扫描振镜连接高频光纤脉冲激光器。

6.根据权利要求5所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，其特征在于，所述二维扫描动镜包括X、Y两个扫描振镜，各扫描振镜设有摆动电机及固定在该电机转轴上的全反射镜片。

7.根据权利要求1所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统，其特征在于，所述环境补偿装置包括空气温度传感器、材料温度传感器、电脑终端、气体密封罐、热源以及内置有湿度传感器和气压传感器的环境补偿机，各传感器的控制器连接所述环境补偿主机，所述环境补偿主机连接所述电脑终端，所述电脑终端与气体密封罐和热源分别连接。

8.一种应用如权利要求1～7任一项所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测系统的检测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将激光增材制造试件在不同热处理制度下进行热处理，获取不同微观组织；

2)将热处理后的试件置于三维移动平台上，采用光纤相控阵超声检测方法对不同热处理试件进行检测，利用超声方法测算出超声波的横波速度、纵波速度和群速度后，通过FFT变换得到的二次谐波信号计算出合金材料的衰减系数和非线性系数；

3)将热处理的试件通过机械测试方法，计算合金材料的弹性模量、泊松比、屈服强度和延伸率，基于超声检测与机械测试二者的比较，建立超声检测参数特征值与材料宏观力学性能指标之间的线性或者非线性映射关系；

4)采用PSO算法对步骤3)得到的映射关系进行曲线拟合，建立数学模型，在达到误差要求的前提条件下，完成采用光纤相控阵超声检测评价激光增材制造合金钢件力学性能的标定实验；

5)建立数学模型及数据库，并通过建立的数学模型定量预测相同试件的宏观力学性能指标的大小，同时采用微观组织成分、比例和晶粒的大小因素变化获取宏观力学指标大小的差异。

9.根据权利要求8所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测方法，其特征在于，步骤4)的具体内容为：

采用PSO算法将超声测得特征参数进行预处理，随后利用粒子群算法对BP神经网络建立的线性或非线性数学模型进行更新优化，寻找最优的权值阈值，从而对映射关系进行的曲线拟合，建立最优的非线性数学模型，模型建立后，在达到误差要求的前提条件下，完成采用光纤相控阵超声检测评价激光增材制造合金钢件力学性能的标定实验。

10.根据权利要求9所述的增材制造合金材料的力学性能无损检测方法，其特征在于，所建立的最优的非线性数学模型为超声检测参数与合金构件力学特性之间的线性或者非线性数学模型，该模型的输入为实验条件下测得的超声横波速度，纵波速度，衰减速度，群速度，相速度和非线性系数，输出为合金材料的弹性模量、屈服强度和泊松比。

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