CN113218875B - 一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法，属于激光无损检测技术领域，测量方法为：制备金属增材拉伸试样，表面进行处理，随后进行去应力退火；利用应力加载装置对拉伸试样进行应力加载，测量加载不同应力时的固定声程表面波传播时间，建立表面波传播时间的变化率与应力的关系，拟合得到声弹性系数及各项异性的修正因子；结合超声测量样品某区域的表面波传播时间，得到该区域的残余应力。由于表面波的频率与测量深度相关，建立金属增材制造件残余应力梯度检测模型，采用不同表面波频率进行测试即可计算得到金属增材制造件内部不同深度的残余应力分布。

Description

一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法
技术领域
本发明属于激光无损检测技术领域，具体涉及一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法。
背景技术
金属增材制造为一种新兴的制造技术，无需受到传统加工刀具和模具因素的影响且具有高精密度、高效率、易于生产工艺复杂的试件等优势，使得其在现代制造业中起到非常重要的作用，被广泛应用于航空航天、医疗、生物、汽车等领域，也越来越受到国内外各个国家的重视。
在金属增材制造过程中，由于其特殊的打印工艺，在熔池附近的温度梯度大最终会产生残余应力。金属增材制造件的残余应力是比较复杂的，由于增材制造是一个逐层叠加的过程，每一层都需要经过快速加热和冷却，在加热和凝固的过程中，因为热膨胀和收缩等因素，会产生拉应力和压应力，所以试样中会出现大小不等，分布也不均匀的残余应力场，使得检测难以进行。残余应力的存在对于金属增材制造成型过程有重要的影响，例如打印时发生动态失稳、翘曲变形和开裂等。此外，残余应力也会导致疲劳裂纹、应力腐蚀等失效，降低了零件的使用寿命，也可能为后续的使用埋下安全隐患。
激光超声检测中超声波的激励和接收都是利用激光来完成的，完全可以做到非接触式检测。激光超声具有远距离检测、频带宽、多模态波形和激励源形状多等优点，在增材制造在线检测领域具有广阔的应用前景。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法，该测量方法通过测得金属增材制件不同方向上的声弹性系数，得到某一深度的残余应力值，并通过残余应力梯度模型计算得出增材制件残余应力的梯度分布，有效解决了增材制造件内部残余应力分布复杂难以检测的问题。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)把抛光后的金属增材制件试样放入激光超声检测设备的样品台上，设定激光频率下；
2)采集x方向临界折射表面波传播时间tσ(x)，根据公式
Figure SMS_1
即得到沿着x方向上对应深度时的残余应力值；
3)采集y方向临界折射表面波传播时间tσ(y)，根据公式
Figure SMS_2
即得到沿着y方向上对应深度时的残余应力值；
其中，x方向为表面波与单向拉伸方向垂直，y方向为表面波与单向拉伸方向平行；t0MPa(x)为测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在x方向上固定声程的临界折射表面波时间为； t0MPa(y)为测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在y方向上固定声程的临界折射表面波时间为；K(x)为x方向上声弹性系数和K(y)为y方向上声弹性系数；α(x)和α(y)为各向异性修正因子。
进一步地，所述的步骤1)中，设定不同的激光频率，重复测量后，建立的金属增材制件残余应力梯度检测模型
Figure SMS_3
其中i＞j，计算得到抛光后金属增材制件试样不同深度的残余应力，即得到抛光后金属增材制件试样内部的残余应力梯度分布；其中σi对应抛光后的金属增材制件试样深度为Di时的应力，σj对应抛光后的金属增材制件试样深度为Dj时的应力。
进一步地，当测量抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度时的残余应力值时，利用公式
Figure SMS_4
得到抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度的残余应力值σi与σj，再根据金属增材制件残余应力梯度检测模型可以得到抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度为Di-j的残余应力值σi-j。
进一步地，当测量抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度时的残余应力值时，利用公式
Figure SMS_5
得到抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度时的残余应力值σi与σj；再根据金属增材制件残余应力梯度检测模型可以得到抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度为Di-j的残余应力值σi-j。
所述的残余应力梯度检测模型中Di为金属增材制造件在激光频率为fi时测得的深度，σi为金属增材制造件在深度为Di时测得的残余应力；残余应力梯度检测模型中Dj为金属增材制造件在激光频率为fj时测得的深度，σj为金属增材制造件在深度为Dj时测得的残余应力；σi-j为对应深度为Di-j的残余应力值。
进一步地，所述的t0MPa(x)和t0MPa(y)的测定步骤如下：
1)制备金属增材制件拉伸试样，利用预磨机进行表面磨光再利用抛光机进行机械抛光然后电解抛光，随后进行去应力退火处理，得到去应力退火后的金属增材制件拉伸试样；
2)用激光超声检测设备对去应力退火后的金属增材制件拉伸试样x方向和y方向上固定声程的临界折射表面波传播时间进行测量，测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在x方向上固定声程的临界折射表面波时间为t0MPa(x)；测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在y方向上固定声程的临界折射表面波时间为t0MPa(y)。
进一步地，所述的声弹性系数和各向异性修正因的计算过程如下：
1)把去应力退火后的金属增材制件拉伸试样固定在万能拉伸试验机上，进行单向拉伸，施加的最高加载应力不超过去应力退火后的金属增材制件拉伸试样的屈服强度值；设定加载程序，加载不同的应力，采集沿着x方向上各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射表面波传播时间tσ(x)和沿着y方向上各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射表面波传播时间tσ(y)；
2)以施加的应力σ为横坐标，临界折射表面波传播时间差Δt＝t0MPa(x)-tσ(x)与tσ(x)的比值为纵坐标绘图，拟合得到x方向上的声弹性系数K(x)以及x方向的各向异性修正因子α(x)；以施加的应力为横坐标，临界折射表面波传播时间差Δt＝t0MPa(y)-tσ(y)与tσ(y)的比值为纵坐标绘图，拟合得到y 方向上的声弹性系数和K(y)以及y方向的各向异性修正因子α(y)。
进一步地，所述的抛光后的金属增材制件试样，是通过把金属增材制件试样利用预磨机进行表面磨光后利用抛光机进行机械抛光以随后电解抛光，得到抛光后的金属增材制件试样。
进一步地，所述的步骤1)-步骤3)在相同的温度下进行，温度波动不超过±1℃。
进一步地，步骤1)中，所述的抛光后的金属增材制件试样表面粗糙度在0.2～0.5μm范围。
进一步地，步骤1)中，所述的去应力退火后的金属增材制件拉伸试样表面粗糙度在 0.2～0.5μm范围。
有益效果：本发明通过提供一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法，该测量方法通过测得金属增材制件不同方向上的声弹性系数，得到某一深度的残余应力值，并通过残余应力梯度模型计算得出增材制件残余应力的梯度分布，有效解决了增材制造件内部残余应力分布复杂难以检测的问题，同时利用激光超声检测，可实现在线无损检测，能更好地优化增材制造件的加工工艺，此外通过残余应力梯度模型计算得出不同的超声频率下不同深度的残余应力，进一步提高测量精度。
附图说明
图1为制备单向拉伸试样的示意图；
图2为激光超声测量金属增材制造件残余应力的原理图；
图3为超声探头位置示意图；
图4为金属增材制件内部残余应力分布的示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。这些附图均为简化的示意图，描述也只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法，包括如下步骤：
1)把抛光后的金属增材制件试样放入激光超声检测设备的样品台上，设定激光频率下；
2)采集x方向临界折射表面波传播时间tσ(x)，根据公式
Figure SMS_6
即得到沿着x方向上对应深度时的残余应力值；
3)采集y方向临界折射表面波传播时间tσ(y)，根据公式
Figure SMS_7
即得到沿着y方向上对应深度时的残余应力值；
其中，x方向为表面波与单向拉伸方向垂直，y方向为表面波与单向拉伸方向平行；t0MPa(x)为测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在x方向上固定声程的临界折射表面波时间为； t0MPa(y)为测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在y方向上固定声程的临界折射表面波时间为；K(x)为x方向上声弹性系数和K(y)为y方向上声弹性系数；α(x)和α(y)为各向异性修正因子。
步骤1)中，设定不同的激光频率，重复测量后，建立的金属增材制件残余应力梯度检测模型
Figure SMS_8
其中i＞j，计算得到抛光后金属增材制件试样不同深度的残余应力，即得到抛光后金属增材制件试样内部的残余应力梯度分布；其中σi对应抛光后的金属增材制件试样深度为Di时的应力，σj对应抛光后的金属增材制件试样深度为Dj时的应力。
当测量抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度时的残余应力值时，利用公式
Figure SMS_9
得到抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度的残余应力值σi与σj，再根据金属增材制件残余应力梯度检测模型可以得到抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度为Di-j的残余应力值σi-j。
当测量抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度时的残余应力值时，利用公式
Figure SMS_10
得到抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度时的残余应力值σi与σj；再根据金属增材制件残余应力梯度检测模型可以得到抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度为Di-j的残余应力值σi-j。
残余应力梯度检测模型中Di为金属增材制造件在激光频率为fi时测得的深度，σi为金属增材制造件在深度为Di时测得的残余应力；残余应力梯度检测模型中Dj为金属增材制造件在激光频率为fj时测得的深度，σj为金属增材制造件在深度为Dj时测得的残余应力；σi-j为对应深度为Di-j的残余应力值。
t0MPa(x)和t0MPa(y)的测定步骤如下：
1)制备金属增材制件拉伸试样，利用预磨机进行表面磨光再利用抛光机进行机械抛光然后电解抛光，随后进行去应力退火处理，得到去应力退火后的金属增材制件拉伸试样；
2)用激光超声检测设备对去应力退火后的金属增材制件拉伸试样x方向和y方向上固定声程的临界折射表面波传播时间进行测量，测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在x方向上固定声程的临界折射表面波时间为t0MPa(x)；测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在y方向上固定声程的临界折射表面波时间为t0MPa(y)。
声弹性系数和各向异性修正因的计算过程如下：
1)把去应力退火后的金属增材制件拉伸试样固定在万能拉伸试验机上，进行单向拉伸，施加的最高加载应力不超过去应力退火后的金属增材制件拉伸试样的屈服强度值；设定加载程序，加载不同的应力，采集沿着x方向上各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射表面波传播时间tσ(x)和沿着y方向上各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射表面波传播时间tσ(y)；
2)以施加的应力σ为横坐标，临界折射表面波传播时间差Δt＝t0MPa(x)-tσ(x)与tσ(x)的比值为纵坐标绘图，拟合得到x方向上的声弹性系数K(x)以及x方向的各向异性修正因子α(x)；以施加的应力为横坐标，临界折射表面波传播时间差Δt＝t0MPa(y)-tσ(y)与tσ(y)的比值为纵坐标绘图，拟合得到y 方向上的声弹性系数和K(y)以及y方向的各向异性修正因子α(y)。
抛光后的金属增材制件试样，是通过把金属增材制件试样利用预磨机进行表面磨光后利用抛光机进行机械抛光以随后电解抛光，得到抛光后的金属增材制件试样。
步骤1)-步骤3)在相同的温度下进行，温度波动不超过±1℃。
步骤1)中，抛光后的金属增材制件试样表面粗糙度在0.2～0.5μm范围。
步骤1)中，去应力退火后的金属增材制件拉伸试样表面粗糙度在0.2～0.5μm范围。
对于金属增材制件的几种常见的材料选择以及对应的屈服强度、电解质抛光、电解液选择、电压、电解时间、去应力退火温度、保温时间以及冷却方式的选择如下表1所示，表格内参数仅供参考，实际处理过程中参数的选择需根据具体牌号确定。
表1
Figure SMS_11
实施例
对尺寸为250mm×35mm×6mm使用SLM增材制造方式成型的316L不锈钢金属增材制件的残余应力进行测量，其操作步骤如下：
(1)制备一个SLM增材制造方式成型的316L不锈钢金属增材制造拉伸试样，拉伸试样的尺寸为250mm×35mm×6mm，把拉伸试样进行表面磨光以及机械抛光后进行电解抛光随后进行去应力退火处理；
(2)将经过去应力退火的拉伸试样放在激光超声检测仪器样品台上，如图2所示，用激光超声仪器测量退火后拉伸试样x方向和y方向上固定声程的临界折射表面波传播时间 0.000025170s和0.000012590s；
(3)将退火后的拉伸试样固定在万能拉伸试验机上，对其进行单向拉伸，如图1所示；设定加载程序，加载不同的应力，以确保拉伸试件在弹性范围内变形而不会损坏；如图3所示，采集各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射表面波传播时间t0MPa、t3.5MPa、 t7.0MPa.......t21MPa，每次记录三次，取平均值，以施加的应力σ为横坐标，临界折射表面波传播时间差Δt＝t0MPa-tσ与tσ的比值为纵坐标绘图，拟合得到x方向和y方向上的声弹性系数 3.797×10-5和2.179×10-5以及各向异性修正因子2.341×10-4和2.118×10-4；
(4)把待测试样表面磨光后进行机械抛光随后进行电解抛光；
(5)将待测试样放入激光超声检测装置的样品台上，使用激光频率为5MHz，把待测试样放入激光超声检测设备的样品台上，采集不同方向临界折射表面波传播时间tσ，根据公式
Figure SMS_12
得到对应0.8mm的残余应力值。
(6)使用激光频率分别为2.5MHz和5MHz进行测量，记录对应的检测深度和超声波传播时间D和t，根据金属增材制件残余应力梯度检测模型
Figure SMS_13
计算得到金属增材制件深度为D0.8mm-1.6mm的残余应力，从而得到整个增材制件内残余应力梯度分布。

Claims (5)

1.一种金属增材制造件残余应力的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）把抛光后的金属增材制件试样放入激光超声检测设备的样品台上，设定激光频率；
2）采集x方向临界折射表面波传播时间
Figure QLYQS_1
，根据公式，即得到沿着x方向上对应深度时的残余应力值
Figure QLYQS_2
；
3）采集y方向临界折射表面波传播时间
Figure QLYQS_3
，根据公式，即得到沿着y方向上对应深度时的残余应力值
Figure QLYQS_4
；
其中，x方向为表面波与单向拉伸方向垂直，y方向为表面波与单向拉伸方向平行；t0MPa(x)为测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在x方向上固定声程的临界折射表面波时间；t0MPa(y)为测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在y方向上固定声程的临界折射表面波时间；K(x)为x方向上声弹性系数和K(y)为y方向上声弹性系数；α(x)和α(y)为各向异性修正因子；
所述的步骤1）中，设定不同的激光频率，重复测量后，建立的金属增材制件残余应力梯度检测模型
Figure QLYQS_6
，其中i＞j，计算得到抛光后金属增材制件试样不同深度的残余应力，即得到抛光后金属增材制件试样内部的残余应力梯度分布；其中
Figure QLYQS_8
对应抛光后的金属增材制件试样深度为Di时的应力，
Figure QLYQS_11
对应抛光后的金属增材制件试样深度为Dj时的应力，当测量抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度时的残余应力值时，利用公式
Figure QLYQS_7
得到抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度的残余应力值
Figure QLYQS_10
与
Figure QLYQS_13
，再根据金属增材制件残余应力梯度检测模型可以得到抛光后的金属增材制件试样沿着x方向对应深度为Di-j的残余应力值
Figure QLYQS_14
，当测量抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度时的残余应力值时，利用公式
Figure QLYQS_5
得到抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度时的残余应力值
Figure QLYQS_9
与
Figure QLYQS_12
；再根据金属增材制件残余应力梯度检测模型可以得到抛光后的金属增材制件试样沿着y方向对应深度为Di-j的残余应力值，所述的t0MPa(x)和t0MPa(y)的测定步骤如下：
a）制备金属增材制件拉伸试样，利用预磨机进行表面磨光再利用抛光机进行机械抛光然后电解抛光，随后进行去应力退火处理，得到去应力退火后的金属增材制件拉伸试样；
b）用激光超声检测设备对去应力退火后的金属增材制件拉伸试样x方向和y方向上固定声程的临界折射表面波传播时间进行测量，测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在x方向上固定声程的临界折射表面波时间为t0MPa(x)；测得去应力退火后的金属增材制件拉伸试样在y方向上固定声程的临界折射表面波时间为t0MPa(y)，
所述的声弹性系数和各向异性修正因子的计算过程如下：
S1）把去应力退火后的金属增材制件拉伸试样固定在万能拉伸试验机上，进行单向拉伸，设定加载程序，采集沿着x方向上各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射表面波传播时间tσ(x)和沿着y方向上各个加载应力时激发探头与接收探头之间的临界折射表面波传播时间tσ(y)；
S2）以施加的应力为横坐标，临界折射表面波传播时间差Δt=t0MPa(x)-tσ(x)与tσ(x)的比值为纵坐标绘图，拟合得到x方向上的声弹性系数K(x)以及x方向的各向异性修正因子α(x)；以施加的应力为横坐标，临界折射表面波传播时间差Δt=t0MPa(y)-tσ(y)与tσ(y)的比值为纵坐标绘图，拟合得到y方向上的声弹性系数K(y)以及y方向的各向异性修正因子α(y)。
2.根据权利要求1所述的一种金属增材制造件残余应力的测量方法，其特征在于，所述的抛光后的金属增材制件试样，是通过把金属增材制件试样利用预磨机进行表面磨光后利用抛光机进行机械抛光以随后电解抛光，得到抛光后的金属增材制件试样。
3.根据权利要求1所述的一种金属增材制造件残余应力的测量方法，其特征在于，所述的步骤1）-步骤3）在相同的温度下进行，温度波动不超过±1℃。
4.根据权利要求1所述的一种金属增材制造件残余应力的测量方法，其特征在于，步骤1）中，所述的抛光后的金属增材制件试样表面粗糙度在0.2~0.5μm范围。
5.根据权利要求1所述的一种金属增材制造件残余应力的测量方法，其特征在于，步骤1）中，所述的去应力退火后的金属增材制件拉伸试样表面粗糙度在0.2~0.5μm范围。
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