CN113552013A - 一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置 - Google Patents
一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113552013A CN113552013A CN202110771659.7A CN202110771659A CN113552013A CN 113552013 A CN113552013 A CN 113552013A CN 202110771659 A CN202110771659 A CN 202110771659A CN 113552013 A CN113552013 A CN 113552013A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- fatigue
- load
- additive manufacturing
- metal additive
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 54
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 54
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 title description 10
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 claims abstract description 23
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000009661 fatigue test Methods 0.000 claims abstract description 17
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 22
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 21
- 238000007514 turning Methods 0.000 claims description 15
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 14
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims description 14
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 8
- 238000001931 thermography Methods 0.000 claims description 8
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 5
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 2
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005050 thermomechanical fatigue Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/60—Investigating resistance of materials, e.g. refractory materials, to rapid heat changes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/02—Details
- G01N3/04—Chucks
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/02—Details
- G01N3/06—Special adaptations of indicating or recording means
- G01N3/068—Special adaptations of indicating or recording means with optical indicating or recording means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0058—Kind of property studied
- G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
- G01N2203/0073—Fatigue
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/022—Environment of the test
- G01N2203/0222—Temperature
- G01N2203/0226—High temperature; Heating means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/04—Chucks, fixtures, jaws, holders or anvils
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
- G01N2203/0694—Temperature
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明属于零件测试设备技术领域，针对通用的疲劳性能测试设备在进行金属增材制造零件疲劳实验时存在一定的局限性，公开一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，通过恒定机械载荷加载装置和周期机械载荷加载装置分别对被测件进行水平方向的恒定力加载、扭转载荷加载和垂直方向的周期载荷加载；通过激光加热系统对被测件的表面进行温度载荷加载，通过疲劳裂纹监测装置在线观测疲劳裂纹数量和裂纹长度；通过控制系统对温度信号处理并用于调节激光加热系统的工作模式和冷却系统的工作模式。本发明能够实现增材制造零件的热疲劳、机械疲劳、热‑机疲劳、高温机械疲劳实验，满足金属增材制造零件各向异性的特性对外力载荷和温度载荷加载方向的要求。
Description
技术领域
本发明属于零件测试设备技术领域，具体涉及一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置。
背景技术
金属增材制造是利用金属粉末或金属线材成形三维零件的一种加工方式，它结合了数控、光学以及材料科学等各项技术，包括激光选区熔化技术、电子束选区熔化技术、电熔增材制造技术和丝材电弧增材制造技术，能够减少后续切削加工过程，且成形效率较高，人力劳动量少，研发周期短。金属材料增材制造零件广泛用于航空航天、汽车、生物医疗等领域，但在应用过程中大多作为实验样机的临时零件或暂时替代性零件，金属增材制造零件距离成为装备核心零件还有一定的差距，主要原因是金属材料增材制造的过程中会产生很大的内应力，同时存在会存在内部孔洞和裂纹、球化等缺陷。这些缺陷必然会影响金属增材制造零件在各个领域的应用，尤其是成为终端产品的可能性。当零件长期处于载荷下时，疲劳是工程中最常见的一种零件破坏方式，金属材料在交变载荷的作用下，经过长期运转后发生的失效，称为疲劳破坏。据统计，失效零件中，90％以上是疲劳破坏。所以对金属增材制造零件的疲劳性能进行测试，并使得测试环境尽量满足零件真实应用场合的环境是非常重要的。根据金属增材制造零件的服役载荷环境，其疲劳形式包括热疲劳、机械疲劳、热-机械、高温机械疲劳等多种形式，对于增材制造零件生产商来说，没有一种测试设备可以满足所有疲劳形式的测试。而且增材制造零件不同于传统加工方式的一个主要区别在于，增材制造零件在垂直构建方向和平行构建方向存在很强的各向异性，在金属增材制造零件在疲劳性能实验中载荷的施加存在方向性。然而在现有的热疲劳实验装置上，很难实现实验过程中准确的温度场分布；而在现有的机械疲劳实验装置上，很难实现多种载荷形式的方向性加载；更严重的缺陷表现在温度载荷和机械载荷的协调控制性差导致实验周期长、实验耗资大。因此，研发一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置就显得尤为重要。
发明内容
针对现有技术中通用的疲劳性能测试设备在测试金属增材制造零件的疲劳性能存在一定的局限性，本发明的目的在于提供一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，本发明中被测的增材样件在经历热循环温度载荷的同时受到机械载荷的作用，能在特定的载荷方向上产生定向扩展裂纹，能够满足增材制造零件的热疲劳、机械疲劳、热-机疲劳、高温机械疲劳的测试，满足被测件各向异性的特性对外力载荷和温度载荷加载方向的要求，具有重要的科学意义及工程价值。
本发明采取的技术方案为：
一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，包括被测件夹持装置、激光加热系统、疲劳状态监测装置、测温系统、冷却系统和控制系统；
所述被测件夹持装置包括恒定机械载荷加载装置和周期机械载荷加载装置，通过恒定机械载荷加载装置对被测件进行水平方向的恒定力加载、扭转载荷加载，通过周期机械载荷加载装置对被测件进行垂直方向的周期载荷加载；
通过激光加热系统对被测件的表面施加温度载荷，所述激光加热系统设置有激光器和折返镜，激光器安装在激光器固定架上，激光器发射激光通过折返镜折射在被测件上；
所述疲劳裂纹监测装置包括CCD和高速摄影，通过疲劳裂纹监测装置在线观测，实现裂纹数量和裂纹长度的识别；
测温系统包括接触式的热电偶和非接触式的热成像、红外测温仪，通过控制系统对两种温度信号处理，从而调节激光加热系统的工作模式和冷却系统的工作模式。
进一步的，所述恒定机械载荷加载装置设置有水平布置的导轨以及两个动滑块和两个静滑块，静滑块a和静滑块b分别安装固定在导轨的两端，静滑块a上设置有固定板a，静滑块b上设置有支撑柱，与静滑块a相邻的动滑块a上设置有固定板b，被测件的两端分别固定安装支撑柱和固定板b上，固定板a上同时固定两根丝杠，两根丝杠通过丝杠螺母与固定板b连接；通过丝杠转动调节固定板a和固定板b之间距离，动滑块a沿着滑轨运动对被测件加载恒定应变的力，在固定板a和固定板b之间布置有距离传感器，通过控制系统监测距离传感器的信号，确定恒力加载值的大小。
更进一步的，所述恒定机械载荷加载装置设置有立柱、液压缸以及夹紧环；在被测件固定的一端通过夹紧环固定，同时在夹紧环的下端安装液压缸，并将液压缸安装在立柱上，通过调节液压缸的伸缩量定量对被测件施加扭转载荷。
更进一步的，所述周期机械载荷加载装置包括固定电机架、伺服电机、转盘、载荷调节杆，固定电机架安装在与静滑块b相邻的动滑块b上，固定电机架上安装伺服电机，伺服电机通过转轴和转盘连接，转盘上设置有载荷调节杆，通过调节载荷调节杆的长度调节周期载荷的大小，通过调节伺服电机的转速控制被测件周期载荷的加载频率。
更进一步的，所述固定电机架设置为高度可调节式结构，载荷调节杆上设置有U型槽口，并通过螺栓紧固在转盘上，通过U型槽口调节载荷调节杆的安装高度，进而调节周期载荷的载荷大小。
进一步的，所述激光加热系统包括沿垂直方向设置的激光-折返镜加热系统和沿水平方向设置的激光-折返镜加热系统，通过激光-折返镜加热系统分别对被测件水平方向和垂直方向施加温度载荷；所述激光器设置有激光器a和激光器b，激光器a和激光器b分别相对应安装在激光器固定架a和激光器固定架b上，激光器a发射激光透过折返镜a折射到被测件上，激光器b发射激光通过折返镜b折射到被测件上。满足增材制造零件由于平行构建方向和垂直构建方向性能各项异性对疲劳载荷施加的要求。
进一步的，所述测温系统包括接触式的热电偶和非接触式的热成像、红外测温仪，根据被测件的形状安装接触式热电偶，通过接触式热电偶对被测件的非激光作用区域测温；同时通过非接触式热成像或红外测温对激光作用区域测温。
进一步的，所述冷却系统包括电磁阀、冷却介质流道，冷却介质流道填充包括冷却水、冷却空气和液氮组成的冷却介质，在控制系统的控制下，冷却介质通过冷却介质流道作用到被测件表面，通过电磁阀的开启和关闭调节冷却介质的流量。
在本发明的一个实施方式中，所述被测件通过激光热载荷诱导表面裂纹的产生和扩展，被测件夹持装置施加机械载荷的大小的与被测件的裂纹扩展速度成正比，通过辅助的冷却装置，使得裂纹萌生扩展更快，进一步缩短试验周期。
本发明的有益效果为：
本测试装置可以实现增材制造零件的四种疲劳性能的实验；本发明中涉及的控制系统可以根据需求分别控制恒定机械力、扭转力、周期机械力和温度载荷，根据载荷形式实现增材零件的热疲劳、机械疲劳、热-机疲劳、高温机械疲劳性能的测试；增材零件只承受激光热载荷、夹具只对模型起支撑、固定约束作用，可以实现热疲劳实验；增材零件只承受周期机械载荷、夹具只对模型起支撑、固定约束作用，可以实现机械疲劳实验；增材零件承受激光热载荷、周期机械载荷，夹具只对模型起支撑、固定约束作用，可以实现热-机疲劳实验；增材零件承受激光加热作用并配合冷却系统使得被测件保持恒定高温，同时垂直方向的周期载荷加载，夹具只对模型起支撑、固定约束作用，可以实现高温机械疲劳实验；根据机械载荷或热载荷的加载频率和测试时间，本测试装置分别可以实现高周期疲劳、低周期疲劳、超高周期、变幅疲劳实验；
本测试装置的控制系统可以实现对测温系统、激光-折返镜加热系统、冷却系统、周期载荷加载系统的控制；控制系统对周期载荷加载系统的控制包括加载频率的控制；控制系统对激光-折返镜加热系统的控制包括激光频率、脉冲激光占空比、激光功率、折返镜运动控制、激光在被测件表面作用区域、激光作用时间的控制；控制系统对冷却系统的控制包括冷却系统的开启和关闭、冷却介质流量大小的控制等。
附图说明
图1为本发明中针对金属增材制造零件疲劳实验装置的整体结构示意图。
图2为本发明中恒定机械载荷加载装置的结构示意图。
图3为本发明中周期机械载荷加载装置的结构示意图。
其中，1、激光器固定架a；2、支撑柱；3、被测件；4、连接件；5、接触式热电偶；6、温度处理模块；7、激光器a；8、疲劳裂纹监测装置；9、折返镜a；10、折返镜b；11、激光器b；12、激光器固定架b；13、控制系统；14、固定件；15、旋转丝杠；16、固定板a；17、固定板b；18、距离传感器；19、导轨；20、静滑块a；21、动滑块a；22、电磁阀；23、冷却介质流道；24、载荷调整杆固定件；25、载荷调节杆；26、转盘；27、伺服电机；28、动滑块b；29、固定电机架；30、滑块锁定件；31、静滑块b；33、立柱；34、伸缩液压缸；35夹紧环。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
实施例1
如图1、图2、图3所示，一种针对金属增材制造零件性能的测试装置，包括被测件3夹持装置、载荷加载装置、激光加热系统、疲劳状态监测装置、测温系统、冷却系统和控制系统，
所述被测件3夹持装置包括恒定机械载荷加载装置和周期机械载荷加载装置，被测件3通过恒定机械载荷加载装置和周期机械载荷加载装置进行安装，通过恒定机械载荷加载装置和周期机械载荷加载装置分别对被测件3进行水平方向的恒定力加载、扭转载荷加载和垂直方向的周期载荷加载；
通过激光加热系统对被测件3的表面施加温度载荷，所述激光加热系统设置有激光器和折返镜，激光器安装在激光器固定架上，激光器发射激光透过折返镜折射在被测件3上；
所述疲劳裂纹监测装置8，疲劳监测装置设置为CCD或高速摄影，通过疲劳裂纹监测装置8在线观测实现裂纹数量和裂纹长度的识别；
测温系统包括接触式的热电偶测温和非接触式的热成像测温、红外测温，通过控制系统13对两种温度信号处理调节激光加热系统的工作模式和冷却系统的工作模式。
所述疲劳裂纹监测装置8用于监测被测区域A内的疲劳裂纹长度、疲劳裂纹数量，通过控制系统设定终止条件，包括监测的裂纹长度达到固定长度、疲劳裂纹数量达到固定数量。
控制系统13实现对测温系统、激光-折返镜加热系统、冷却系统、周期载荷加载系统的控制；控制系统13对周期载荷加载系统的控制包括加载频率的控制；控制系统13对激光-折返镜加热系统的控制包括激光频率、脉冲激光占空比、激光功率、激光在被测件3表面作用区域、激光作用时间的控制；控制系统13对冷却系统的控制包括冷却系统的开启和关闭、冷却介质流量大小的控制。
本发明的又一实施例，如图1和图2所示，恒定机械载荷加载装置设置有水平布置的导轨19以及两个动滑块和两个静滑块，静滑块a20和静滑块b31分别安装固定在导轨19的两端，一端作为被测件3的固定端支撑。静滑块a20上设置有固定板a16，静滑块b31上设置有支撑柱2，与静滑块a20相邻的动滑块a21上设置有固定板b17，被测件3的两端分别固定安装支撑柱2和固定板b17上，即被测件3的一端通过连接件4固定安装在支撑柱2顶端，被测件3的另一端通过固定件14固定安装在固定板b17顶端；固定板a16固定有两根丝杠，两根丝杠同步穿过固定板b17同时与固定板b17通过丝杠螺母连接；通过旋转丝杠15控制动滑块a21带动固定板b17在导轨19上移动，进而可以调节固定板a16和固定板b17的距离，动滑块a21沿着滑轨运动对被测件3加载恒定应变的力，即动滑块a21在滑轨上运动进而对被测件3加载恒定应变的力约束，在固定板a16和固定板b17之间布置有距离传感器18，通过控制系统13监测距离传感器18的信号，确定恒力加载值的大小。
通过恒定应变的方式对被测件3在水平方向施加恒定载荷的力，调节固定板a16和固定板b17两个固定板之间的距离进而可以调节模型在水平方向上施加的恒定载荷的大小，改变恒定载荷的大小使得测试过程尽量还原被测件3的真实载荷大小，满足增材制造零件疲劳性能测试的要求，而且本发明的被测件的能力不受被测模型大小的限制。
本发明的又一实施例，如图1和图2所示，扭转载荷加载装置包括立柱33、伸缩液压缸34、夹紧环35，夹紧环35安装在被测件3与连接件4的连接端，通过夹紧环35将被测件3夹紧，液压缸34的一端固定在立柱33上，另一端顶在夹紧环35上，立柱33固定不动，通过调节液压缸34的伸缩将夹紧环35顶高，被测件3因为固定在夹具上，所以在夹紧环35作用力下实现扭转运动，从而实现了装置对被测件3的扭转载荷加载。
夹紧环35的端部设置为与被测件3相互匹配的一对半圆弧形结构，一对半圆弧形结构相互卡合套设在被测件3的外壁上，夹紧环35的自由端部水平延伸设置为夹紧杆，夹紧杆相互对应的位置设置有紧固螺栓，通过螺栓对夹紧环35进行紧固，夹紧杆的自由端部和液压缸34的液压缸连接，液压缸34下方的立柱33根据实际情况可进行高度调整。
本发明的又一实施例，如图1和图3所示，周期机械载荷加载装置包括固定电机架29、伺服电机27、转盘26、载荷调节杆25，固定电机架29安装在与静滑块b31相邻的动滑块b28上，固定电机架29上安装伺服电机27，伺服电机27通过转轴和转盘26连接，转盘26上设置有载荷调节杆25，通过在载荷调整杆固定件24将载荷调节杆25与转盘26固定，通过调节伺服电机27的转速控制被测件3周期载荷的加载频率。
本发明的又一实施例，如图1和图3所示，固定电机架29设置为高度可调节式结构，载荷调节杆25上设置有U型槽口，并通过螺栓紧固在转盘26上，通过U型槽口调节载荷调节杆25的安装高度，转盘26固定在伺服电机27轴上，通过调节伺服电机27的转速可以实现周期载荷的加载频率。动滑块b28初始位置通过滑块锁定件30锁定，动滑块b28实现在导轨19上的移动从而调整周期机械载荷在被测件3上的加载位置，使得测试过程尽量还原被测件3的真实载荷环境。
在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图1所示，激光加热系统包括沿垂直方向设置的激光-折返镜加热系统和沿水平方向设置的激光-折返镜加热系统，满足增材制造零件在平行构建方向和垂直构建方向结构和性能各项异性对疲劳载荷施加的要求。通过激光-折返镜加热系统分别对被测件3水平方向和垂直方向施加温度载荷；激光器和折返镜的数量根据模型大小而决定；激光器的类型不限于脉冲激光器、准脉冲激光器、连续激光器；所述激光器设置有激光器a7和激光器b11，激光器a7和激光器b11分别相对应安装在激光器固定架a1和激光器固定架b12上，激光器a7发射激光透过折返镜a9折射到被测件3上，激光器b11发射激光通过折返镜b10折射到被测件3上。
如图1所示，水平方向的激光加热系统包括折返镜b10、激光器b11、激光器固定架b12，通过水平方向的激光器系统可以实现对被测件3的侧表面温度载荷的加载；垂直方向的激光加热系统包括激光器固定架a1、激光器a7、折返镜a9，通过垂直方向的激光器系统可以实现对被测件3的侧表面温度载荷的加载；通过水平方向的激光加热系统和垂直方向的激光加热系统分别可以对增材制造零件两个相互垂直方向施加温度载荷，满足增材制造零件在平行构建方向和垂直构建方向结构和性能各项异性对疲劳载荷施加的要求。
本发明中的激光器类型包括脉冲激光器、准脉冲激光器、连续激光器，控制系统13实现激光作用时间、脉冲激光频率、脉冲激光占空比、激光功率等参量的控制，控制系统13通过折返镜a9、折返镜b10实现激光作用区域和作用路径的控制，使得测试过程尽量还原被测件3的真实载荷环境，满足增材制造零件疲劳实验的要求。
本发明的又一实施例，如图1所示，测温系统包括接触式的热电偶测温和非接触式的热成像测温、红外测温；温度监测系统包括接触式热电偶5和温度处理模块6，根据被测件3的形状安装接触式热电偶5，通过接触式热电偶5对被测件3的非激光作用区域测温；同时通过非接触式热成像或红外测温对激光作用区域测温，通过控制系统13识别不同测温装置的信号，并控制冷却系统的开启和关闭、冷却介质的流速等，保证激光加热过程测件3被均匀加热、按预定温度梯度加热，同时保证测件3的最高加热温度不超过限定值，避免测件3发生激光高温烧蚀。
在实施例1的基础上，本发明的又一实施例，如图1所示，冷却系统包括电磁阀22、冷却介质流道23，冷却介质流道23填充包括冷却水、冷却空气和液氮组成的冷却介质，在控制系统13的控制下，冷却介质通过冷却介质流道23作用到被测件3表面，通过电磁阀22的开启和关闭调节冷却介质的流量。
本发明可以测量增材制造零件(被测件3)的四种疲劳实验；本发明中涉及的控制系统13根据需求分别控制恒定机械力、扭转载荷力、周期机械力和温度载荷，根据载荷形式实现增材零件的热疲劳、机械疲劳、热-机疲劳、高温机械疲劳的实验；增材零件只承受激光热载荷、夹具只对模型起支撑、固定约束作用，实现热疲劳实验；增材零件只承受周期机械载荷、夹具只对模型起支撑、固定约束作用，实现机械疲劳实验；增材零件承受激光热载荷、周期机械载荷，夹具只对模型起支撑、固定约束作用，实现热-机疲劳的实验；根据机械载荷或热载荷的加载频率和测试时间，本测试装置分别实现高周期疲劳、低周期疲劳、超高周期、变幅疲劳实验。本发明可以根据增材制造零件的应用场合或测试指标，在控制系统13的控制下分别实现增材零件的热疲劳、机械疲劳、热-机疲劳、高温机械疲劳的测试实验，具有重要的科学意义和重要的工程价值。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，其特征在于，包括被测件夹持装置、激光加热系统、疲劳状态监测装置、测温系统、冷却系统和控制系统；
所述被测件夹持装置包括恒定机械载荷加载装置和周期机械载荷加载装置，通过恒定机械载荷加载装置对被测件进行水平方向的恒定力加载、扭转载荷加载，通过周期机械载荷加载装置对被测件进行垂直方向的周期载荷加载；
通过激光加热系统对被测件的表面进行温度载荷加载，所述激光加热系统设置有激光器和折返镜，激光器安装在激光器固定架上，激光器发射激光经过折返镜折射在被测件上；
所述疲劳裂纹监测装置包括CCD和高速摄影，通过疲劳裂纹监测装置在线观测实现裂纹数量和裂纹长度的识别；
通过测温系统测量温度信号，通过控制系统对两种温度信号处理调节激光加热系统的工作模式和冷却系统的工作模式。
2.根据权利要求1所述一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，其特征在于，所述恒定机械载荷加载装置设置有水平布置的导轨以及两个动滑块和两个静滑块，静滑块a和静滑块b分别安装固定在导轨的两端，静滑块a上设置有固定板a，静滑块b上设置有支撑柱，与静滑块a相邻的动滑块a上设置有固定板b，被测件的两端分别固定安装支撑柱和固定板b上，固定板a上同时固定两根丝杠，两根丝杠通过丝杠螺母与固定板b连接；通过丝杠转动调节固定板a和固定板b之间距离，动滑块a沿着滑轨运动对被测件加载恒定应变的力，在固定板a和固定板b之间布置有距离传感器，通过控制系统监测距离传感器的信号，确定恒力加载值的大小。
3.根据权利要求1所述一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，其特征在于，所述恒定机械载荷加载装置还设置有立柱、液压缸以及夹紧环；在零件固定的一端通过夹紧环固定，同时在夹紧环的下端安装液压缸，并将液压缸安装在立柱上，通过调节液压缸的伸缩量定量对被测零件施加扭转载荷。
4.根据权利要求1所述一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，其特征在于，所述周期机械载荷加载装置包括固定电机架、伺服电机、转盘、载荷调节杆，固定电机架安装在与静滑块b相邻的动滑块b上，固定电机架上安装伺服电机，伺服电机通过转轴和转盘连接，转盘上设置有载荷调节杆，通过调节载荷调节杆的长度调节周期载荷的大小，通过调节伺服电机的转速控制被测件周期载荷的加载频率。
5.根据权利要求4所述一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，其特征在于，所述固定电机架设置为高度可调节式结构，载荷调节杆上设置有U型槽口，并通过螺栓紧固在转盘上，通过U型槽口调节载荷调节杆的安装高度，进而调节周期载荷的载荷大小。
6.根据权利要求1所述一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置，其特征在于，所述激光加热系统包括沿垂直方向设置的激光-折返镜加热系统和沿水平方向设置的激光-折返镜加热系统，通过激光-折返镜加热系统分别对被测件水平方向和垂直方向施加温度载荷；所述激光器设置有激光器a和激光器b，激光器a和激光器b分别相对应安装在激光器固定架a和激光器固定架b上，激光器a发射激光透过折返镜a折射到被测件上，激光器b发射激光通过折返镜b折射到被测件上。
7.根据权利要求1所述一种针对金属增材制造零件性能的测试装置，其特征在于，所述测温系统包括接触式的热电偶和非接触式的热成像、红外测温仪，根据被测件的形状安装接触式热电偶，通过接触式热电偶对被测件的非激光作用区域测温；同时通过非接触式热成像或红外测温对激光作用区域测温。
8.根据权利要求1所述一种针对金属增材制造零件性能的测试装置，其特征在于，所述冷却系统包括电磁阀、冷却介质流道，冷却介质流道填充包括冷却水、冷却空气和液氮组成的冷却介质，在控制系统的控制下，冷却介质通过冷却介质流道作用到被测件表面，通过电磁阀的开启和关闭调节冷却介质的流量。
9.根据权利要求1所述一种针对金属增材制造零件性能的测试装置，其特征在于，所述被测件通过激光热载荷诱导表面裂纹的产生和扩展，被测件夹持装置施加机械载荷的大小的与被测件的裂纹扩展速度成正比。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110771659.7A CN113552013A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110771659.7A CN113552013A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113552013A true CN113552013A (zh) | 2021-10-26 |
Family
ID=78131389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110771659.7A Pending CN113552013A (zh) | 2021-07-08 | 2021-07-08 | 一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113552013A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114577589A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-06-03 | 北京乾合晶芯电子技术有限公司 | 用于金属材料低周疲劳的检测的评价方法及检测系统 |
| CN114923724A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-08-19 | 西安交通大学 | 空天飞行器结构用梯度热冲击与热疲劳试验装置及方法 |
| CN117329995A (zh) * | 2023-10-30 | 2024-01-02 | 上海璞康医疗器械有限公司 | 医用导管同心度检测装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102706759A (zh) * | 2012-06-12 | 2012-10-03 | 三一重工股份有限公司 | 一种弯曲疲劳试验机 |
| CN204108038U (zh) * | 2014-10-16 | 2015-01-21 | 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 | 一种型材扭曲调型装置 |
| CN106644800A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-10 | 中国科学院力学研究所 | 一种热疲劳实验装置 |
| CN106769594A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-31 | 中国科学院力学研究所 | 一种热疲劳实验方法 |
| CN110006626A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-07-12 | 中国人民解放军海军工程大学 | 模拟船体梁对波浪载荷响应的实验装置 |
| CN110579404A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-12-17 | 吉林大学 | 高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法 |
-
2021
- 2021-07-08 CN CN202110771659.7A patent/CN113552013A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102706759A (zh) * | 2012-06-12 | 2012-10-03 | 三一重工股份有限公司 | 一种弯曲疲劳试验机 |
| CN204108038U (zh) * | 2014-10-16 | 2015-01-21 | 南车青岛四方机车车辆股份有限公司 | 一种型材扭曲调型装置 |
| CN106644800A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-10 | 中国科学院力学研究所 | 一种热疲劳实验装置 |
| CN106769594A (zh) * | 2016-12-05 | 2017-05-31 | 中国科学院力学研究所 | 一种热疲劳实验方法 |
| CN110006626A (zh) * | 2019-04-18 | 2019-07-12 | 中国人民解放军海军工程大学 | 模拟船体梁对波浪载荷响应的实验装置 |
| CN110579404A (zh) * | 2019-09-12 | 2019-12-17 | 吉林大学 | 高温复杂机械载荷下材料力学性能原位测试仪器与方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 机械工业部科技与质量监督司，中国机械工程学会理化检验分会编: "《机械工程材料测试手册：物理金相卷》", 30 November 1999, 辽宁科学技术出版社 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114577589A (zh) * | 2022-04-28 | 2022-06-03 | 北京乾合晶芯电子技术有限公司 | 用于金属材料低周疲劳的检测的评价方法及检测系统 |
| CN114923724A (zh) * | 2022-07-22 | 2022-08-19 | 西安交通大学 | 空天飞行器结构用梯度热冲击与热疲劳试验装置及方法 |
| CN114923724B (zh) * | 2022-07-22 | 2022-10-28 | 西安交通大学 | 空天飞行器结构用梯度热冲击与热疲劳试验装置及方法 |
| CN117329995A (zh) * | 2023-10-30 | 2024-01-02 | 上海璞康医疗器械有限公司 | 医用导管同心度检测装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113552013A (zh) | 一种针对金属增材制造零件疲劳实验装置 | |
| CN109520857B (zh) | 高通量小试样蠕变及蠕变裂纹扩展试验装置及其使用方法 | |
| CN103234804A (zh) | 大功率非接触式激光快速加热装置 | |
| CN106644800B (zh) | 一种热疲劳实验装置 | |
| Bennett et al. | Cooling rate effect on tensile strength of laser deposited Inconel 718 | |
| US11801542B2 (en) | Micro control device for simulating electric thermal field change of plate/strip | |
| CN109163982A (zh) | 一种热环境双向加载试验设备和试验方法 | |
| CN104742018B (zh) | 一种控制磨削参数的磨削方法 | |
| JP7231483B6 (ja) | 金属材料の引張試験方法及び装置 | |
| CN109143967B (zh) | 一种模拟切削力加载情况的进给系统热误差测试装置及方法 | |
| Zhao et al. | Development of in situ fatigue performance testing apparatus for materials under coupling conditions of high-temperature and combined mechanical loads | |
| CN114608950A (zh) | 一种利用电子万能试验机进行慢应变速率拉伸试验的方法 | |
| CN115806058A (zh) | 飞行器锥形舱段连接处热强度考核试验装置 | |
| CN111060408B (zh) | 一种应变控制的热机械疲劳性能测试方法 | |
| AU734850B2 (en) | Method and apparatus for controlling the temperature of an ingot during casting, particularly at start-up | |
| CN106769594B (zh) | 一种热疲劳实验方法 | |
| CN110940570A (zh) | 一种基于激光辐照的材料可控高温试验装置与方法 | |
| CN113203768A (zh) | 一种基于激光加热的各向异性材料的热导率测试方法 | |
| CN110672426A (zh) | 十字双拉表征加热测试平台及方法 | |
| Savage | Apparatus for studying the effects of rapid thermal cycles and high strain rates on the elevated temperature behavior of materials | |
| CN221302740U (zh) | 一种热机械疲劳试验系统 | |
| CN209745755U (zh) | 一种温度压力可控的扩散实验装置 | |
| JPS58186030A (ja) | 加熱冷却試験装置 | |
| Hartley et al. | Tensile testing at constant true plastic strain rate | |
| CN108762328B (zh) | 高温超导带材焊接压力控制、性能测试装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211026 |