CN118043660A - 用增量磁导率测量3d打印金属构件屈服强度的方法及其测量系统 - Google Patents

用增量磁导率测量3d打印金属构件屈服强度的方法及其测量系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种使用递增磁导率非破坏性地测量金属构件的屈服强度的方法和系统。电磁体产生准静态激励磁场，将其施加到待测量的金属构件的两个点，同时通过发射线圈产生小的交变磁场并施加到金属构件。使用霍尔传感器测量施加到金属构件的准静态激励磁场的强度。由磁化的金属构件感应的磁场使用感测线圈来检测。使用霍尔传感器的输出信号和来自感测线圈的检测信号，获得金属构件的可逆磁导率(MIP)。从可逆磁导率和金属构件的晶粒尺寸之间的关系获得金属构件的晶粒尺寸，并且使用该晶粒尺寸计算金属构件的屈服强度。金属构件的晶粒尺寸和屈服强度可以非破坏性地测量。

Description

用增量磁导率测量3D打印金属构件屈服强度的方法及其测量 系统
【技术领域】
本发明涉及测量金属构件的屈服强度的技术领域，更具体地说，涉及在3D打印期间测量被打印的金属构件的屈服强度。
【技术背景】
3D打印技术的发展使高效生产形状复杂的金属零件成为可能。然而，传统上，仅通过在3D打印零件制造后对其进行破坏性拉伸测试，就可以确定3D打印零件是否达到了所需的机械性能。如果后期生产测试表明3D打印的零件未能达到所需的性能，则浪费了生产精力。即使在生产之初就出现了缺陷，也不能立即停止生产，并且继续进行不必要的生产过程会产生额外的成本。此外，由于拉伸测试方法需要破坏打印零件来对其进行分析，因此成本上升的负担随着测试对象数量的增加而增加。
另一方面，已知一种在3D打印过程中使用激光技术和人工神经网络技术实时监测打印对象损坏的技术。
【发明内容】
【有待解决的问题】
本发明的目的是提供一种测量金属构件屈服强度的方法和测量金属构件的屈服强度的测量系统，该测量系统使用磁增量磁导率(MIP)和霍尔-佩奇关系(Hall Petchrelationship)非破坏性地估计金属构件的晶粒尺寸和屈服强度。
本发明的另一个目的是提供一种测量金属构件屈服强度的方法和一种测量系统，用于使用MIP和霍尔-佩奇关系以非接触和非破坏性的方式实时测量正在制造的3D打印金属构件的屈服强度。
本发明要解决的问题不限于上述问题，而是可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下以各种方式扩展。
【解决问题的方法】
根据实现本发明目的的实施例，一种使用磁增量磁导率(MIP)测量金属构件屈服强度的方法，包括施加准静态激励磁场，该准静态激发磁场通过使用电磁体进入和离开待测量的金属构件的两个点而产生；将由发射线圈产生的、小于准静态激励磁场的交变磁场(ΔH)与所述准静态激励磁场的施加平行地施加到所述金属构件，以与所述准静态激励磁场重叠；使用霍尔传感器测量施加到金属构件内部的准静态激励磁场的强度；使用感测线圈检测由被准静态激励磁场和交变磁场(ΔH)磁化的金属构件感应的磁场；使用来自霍尔传感器的输出信号和来自感测线圈的检测信号，获得金属构件的可逆磁导率MIP；从所获得的可逆磁导率(MIP)和所述金属构件的晶粒尺寸之间的关系获得所述金属构件的晶粒尺寸；以及使用所获得的晶粒尺寸来计算金属构件的屈服强度。
在一个示例性实施例中，金属构件的屈服强度σy可以通过将所获得的金属构件的晶粒尺寸输入到金属构件的晶粒尺寸d和屈服强度σy之间的霍尔-佩奇关系方程中来获得，其中σ0是金属构件的摩擦应力，Ky是常数。
在示例性实施例中，金属构件可以是使用金属原材料实时3D打印的金属构件。
在一个示例性实施例中，该关系可以由蝶形图表示，该蝶形图显示了MIP根据金属构件的晶粒尺寸的变化。
在一个示例性实施例中，该方法还可以包括使用压电元件调整MIP测量传感器和金属构件之间的分离距离，其中该MIP测量传感器包括整体组合的电磁体、霍尔传感器、发射线圈和感测线圈，且该压电元件根据所施加的驱动电压的大小引起其厚度变化或移动；使用位移测量传感器测量MIP测量传感器和金属构件之间的分离距离；以及使用从位移测量传感器输出的分离距离测量信号来计算MIP测量传感器和金属构件之间的分离距离。
在示例性实施例中，分离距离测量信号可以是通过从MIP测量传感器向金属构件发射激光来检测从金属构件反射的激光的信号。
同时，为了实现本发明的目的，根据实施例的使用MIP测量金属构件屈服强度的系统包括电磁体、霍尔传感器、发射线圈、感测线圈和中央处理单元。电磁体包括具有两个支腿的磁轭和缠绕在磁轭上的电磁体线圈，并且被配置为通过允许当准静态电流在电磁体线圈中流动时产生的准静态激励磁场的通量通过金属构件的两个间隔开的点进入和离开来磁激励待测量的金属构件。霍尔传感器设置在电磁体的两个支腿之间，并且被配置为测量施加到金属构件内部的准静态激励磁场的强度。发射线圈缠绕在霍尔传感器上，并被配置为在交流电流流动并施加到金属构件时产生小于准静态激励磁场的交变磁场(ΔH)以与准静态激励磁场重叠。感应线圈缠绕在霍尔传感器上，并被配置为检测准静态激励磁场和由被交变磁场(ΔH)磁化的金属构件感应的磁场。所述中央处理单元被配置为使用来自所述霍尔传感器的输出信号和来自所述感测线圈的检测信号来获得所述金属构件的所述可逆磁导率(MIP)、从所获得的所述可逆磁导率(MIP)和所述金属构件的晶粒尺寸之间的关系来获得金属构件的晶粒尺寸，并且使用所获得的晶粒尺寸来计算金属构件的屈服强度。通过这种配置，用于测量金属构件的屈服强度的系统能够非破坏性地测量待测量的金属构件的晶粒尺寸和屈服强度。
在一个示例性实施例中，金属构件的屈服强度σy可以通过将所获得的金属构件的晶粒尺寸输入到金属构件的粒度d和屈服强度σy之间的霍尔-佩奇关系中来获得，其中σ0是金属构件的摩擦应力，Ky是常数。
在一个示例性实施例中，该关系可以由蝶形图表示，该蝶形图显示了MIP作为金属构件晶粒尺寸的函数的变化。
在一个示例性实施例中，电磁体可以是U形或马蹄形电磁体，其两个支腿面向金属构件的两个间隔开的点。
在一个示例性实施例中，两个支腿的端面可以是锥形或倾斜端面，其横截面积分别朝向端面减小。
在一个示例性实施例中，该系统还可包括霍尔传感器支架，该霍尔传感器支架包括霍尔传感器固定部和线圈绕组部，霍尔传感器夹具被配置为保持霍尔传感器，发射线圈和感测线圈缠绕在该线圈绕组部上，从而将辅助霍尔传感器、发射线圈和感应线圈整体联接。
在一个示例性实施例中，霍尔传感器支架可包括圆柱体，该圆柱体在圆柱体的底部中心轴向形成有霍尔传感器安装孔，霍尔传感器插入该安装孔中，并且线圈绕组部可包括周向地形成在所述圆柱体的下外表面上的第一绕组槽和第二绕组槽，以包围霍尔传感器安装孔，所述发射线圈和所述感测线圈分别缠绕在第一绕组槽和第二绕组槽上。
在一个示例性实施例中，电磁体可以包括：电磁体线圈；U形或马蹄形磁轭，电磁体线圈缠绕在该磁轭上，该磁轭由磁性材料制成并具有第一和第二端面。电磁体可以被配置为提供磁路，使得当准静态激励频率的电流信号流过电磁体线圈时产生的准静态激励磁场穿过磁轭并且通过第一和第二端面进入和离开，从而当金属构件接近第一和第二端面时，允许准静态激励磁场穿过待测量的金属构件的预定截面。
在一个示例性实施例中，该系统还可以包括：第一测量信号处理单元，该第一测量信号处理单元连接到霍尔传感器，并被配置为将霍尔传感器的输出信号转换为第一数字数据以提供给中央处理单元；第二测量信号处理单元，被配置为将来自感测线圈的输出电压信号转换成第二数字数据以提供给中央处理单元；以及直流电源，以提供霍尔传感器所需的工作电压。
在一个示例性实施例中，该系统还可以包括：第一波形发生器，其配置为生成准静态低频电流信号；信号放大器，其配置为放大由所述第一波形发生器生成的准静态低频电流信号以提供给所述电磁体线圈；第二波形发生器，其配置为生成高频交流信号以提供给所述发射线圈；第一测量信号处理单元，其连接到霍尔传感器以数字化霍尔传感器的输出信号；以及第二测量信号处理单元，其连接到感测线圈以数字化来自感测线圈的检测信号。
在一个示例性实施例中，该系统还可以包括传感器位移单元，其配置为调节MIP测量传感器和待测量金属构件之间的分离距离，其中电磁体、霍尔传感器、发射线圈和感测线圈被整体组合在MIP测量传感器中。
在示例性实施例中，传感器位移单元可以包括：压电元件，该压电元件被配置为通过根据施加的驱动电压的大小引起压电元件的厚度变化或移动来调节MIP测量传感器和金属构件之间的分离距离；以及壳体，所述壳体被配置为支撑压电元件，使得压电元件的厚度变化或移动被传输到MIP测量传感器。在这种情况下，中央处理单元可以被配置为生成并向压电元件施加控制压电元件的厚度变化或移动所需的驱动电压。
在一个示例性实施例中，该系统还可以包括位移测量单元，该位移测量单元被配置为测量MIP测量传感器和待测量金属构件之间的分离距离。在这种情况下，中央处理单元可以被配置为控制位移测量单元的操作，并且使用来自位移测量单元中的输出信号来计算MIP测量传感器和金属构件之间的分离距离。
在一个示例性实施例中，位移测量单元可以包括激光位移测量传感器，该激光位移测量单元被配置为在固定到MIP测量传感器的同时产生要发射到金属构件的激光，并检测来自金属构件的反射激光。
【本发明的效果】
根据本发明的示例性实施例，可以以非接触、非破坏性的方式测量作为磁性材料的金属构件的屈服强度。因此，可以避免由于用于测试物理性能(例如屈服强度)的成品的破坏而造成的损失。此外，可以实时测量金属构件的屈服强度。可以实时监控正在制造的金属构件的屈服强度是否被适当地保证。如果确定正在制造的金属构件不具有期望的屈服强度，则可以立即丢弃该金属构件，而无需进行进一步的制造或加固和重新制造，从而最大限度地减少由于缺陷产品造成的损失。
本发明的示例性实施例可用于3D打印金属构件的工艺。MIP传感器和能够进行MIP测量的测量系统可以安装在金属3D打印机上，以实时非破坏性地测量正在3D打印的金属构件的屈服强度。此外，测量结果可以反映在3D打印制造过程中，以提高金属3D打印产品和结构的耐用性并降低缺陷率。
【附图的简要说明】
图1是表示MIP与金属构件的晶粒尺寸之间的关系的图。
图2示出了根据本发明的示例性实施例的MIP测量传感器的配置。
图3示出了采用图2中所示的MIP测量传感器的MIP计量系统的配置。
图4示出了通过准静态低频磁场测量的金属构件的磁化的变化以及由于通过高频交变磁场的进一步磁化而引起的涡电流信号的变化。
图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的基于MIP方法的用于测量3D打印金属构件的屈服强度的系统的配置。
图6是根据本发明的示例性实施例的基于MIP方法的测量金属3D打印过程的方法的流程图。
【具体实施例】
以下，将参考附图更详细地描述本发明的优选实施例。在附图中，相同的附图标记用于相同的部件，并且省略对相同部件的重复描述。
图1示出了MIP与金属构件的晶粒尺寸之间的关系。磁导率是指材料对外加磁场的响应程度。磁通密度(B)和磁场强度(H)是相关的，但是B-H曲线的形状可以根据材料而变化很大。在磁性材料中，磁通密度(B)不与磁场强度(H)的大小成比例地变化，而是如图1所示的不可逆地变化，导致磁滞回线。然而，在磁滞回线的非常小的范围内(在图1中的两条虚线之间)，可以看出B-H具有可逆关系，并且该范围内的磁导率被称为可逆磁导率μΔ。MIP被定义为铁磁性材料(如金属)的可逆磁导率，通过向暴露于恒定准静态磁场的铁磁性材料施加小的交变磁场以与准静态磁场重叠来测量。MIP或可逆磁导率μΔ的表达式如下，
其中μ0是真空中的磁导率，4π×10-7H/mΔH和ΔB分别表示施加到铁磁材料的交变磁场强度的变化和交变磁场引起的磁通密度的变化。
MIP可以通过测量磁化过程中小回路的磁通密度来计算。铁磁材料的微观结构特征，如磁畴，很容易受到塑性变形和疲劳损伤等机械损伤的影响。通常，MIP受材料的微观结构和晶粒尺寸的影响。因此，MIP测量可以用于非破坏性地估计要测量的金属构件的晶粒尺寸。具体来说，如果在弱静磁场中晶粒尺寸较大，则金属构件容易被高频交变磁场磁化，但ΔB较大，因此μΔ也较大。如果晶粒尺寸较小，则磁化相对较差。此外，在强静磁场中，晶粒尺寸大时μΔ较小，但晶粒尺寸小时μΔ较大。利用这些关系，可逆磁导率μΔ或MIP可用于估计晶粒尺寸。
此外，已知金属构件的晶粒尺寸d和屈服强度σy之间存在一种关系，称为霍尔-佩奇关系，
其中σ0表示金属构件的摩擦应力，Ky为常数。
因此，如果已知金属构件的晶粒尺寸d，则可以使用上述霍尔-佩奇关系方程来估计金属构件的屈服强度σy。
最终，金属构件的屈服强度σy可以根据可逆磁导率μΔ和霍尔-佩奇关系方程确定。换言之，可逆磁导率μΔ或MIP可以通过测量磁通密度随磁场增量的变化来获得，而金属构件的晶粒尺寸可以基于MIP的变化与金属构件晶粒尺寸之间的关系来获得，然后是屈服强度σy，可以通过将所获得的晶粒尺寸代入霍尔-佩奇关系式(2)来获得。该方法允许在不破坏金属构件的情况下估计金属构件的屈服强度σy。
为了确定3D打印的金属构件的屈服强度，首先需要测量MIP。在示例性实施例中，可以提供MIP测量传感器和包括该传感器的MIP测量系统，以非接触、非破坏性的方式实时测量金属构件的MIP。
图2示出了根据示例性实施例的MIP测量传感器的配置。
参考图2，MIP测量传感器20可以包括电磁体45和霍尔传感器单元80。电磁体45可以包括磁轭30和缠绕在磁轭30上的电磁体线圈40。磁轭30可以起到提供磁路的作用，该磁路可以聚焦周围磁场的磁通量并使其移动通过其内部。为了实现这一点，磁轭30可以由增强周围磁场的聚焦的磁性材料制成。在一个实施例中，磁轭30可以由铁磁材料制成，例如铁、镍或包括这些材料中的每一种作为主要材料的合金。
磁轭30可具有包括开口部分的结构，例如间隔开预定距离的第一和第二支腿30a、30b，并通过连接两个支腿30a和30b顶部的连接件30c成形为马蹄形或U形结构。在一个示例中，两个支腿30a、30b的两个端面32a、32b可以基本上处于同一水平面。在一个示例中，两个端面32a、32b可以在基本上平行于金属构件的表面的平面中。例如，如果金属构件的表面是平面的，那么两个端面32a、32b也可以是彼此平行的平面。第一支腿30a和第二支腿30b可以是圆柱的形状，或者是多边形柱的形状，例如正方形柱。
电磁体线圈40可以缠绕在磁轭30的任何部分上。在一个示例中，磁轭30的第一支腿30a和/或第二支腿30b可以缠绕有高导电线的电磁体线圈40。
这些电磁体45可以向待测量的金属构件10施加准静态激励磁场。让我们考虑磁轭30的第一和第二支腿30a、30b的端面32a、32b接近金属构件10的表面的状态。通过向电磁体线圈40施加具有准静态激励频率的正弦波电流，在电磁体线圈40周围产生准静态激励磁场85。准静态激励磁场85的磁通量集中在磁轭30内，并且沿着由磁轭30提供的磁路行进，如图2中的长短交替虚线所示。然后，磁通量可以通过第一和第二支腿30a、30b的端面32a或32b中的任何一个离开磁轭30，进入金属构件10，在行进预定距离的同时对金属构件10进行磁激励，再次离开金属构件10、通过另一端面32a或32b进入磁轭30的内部，并穿过磁轭30的内部到达相对的端面32a或32b。在示例性实施例中，准静态激励磁场85可以是当具有例如0.1Hz的激励频率的正弦电流流过电磁体线圈40时产生的准静态磁场。激励磁场85的强度可以是大约10kA/m。
在一个示例性实施例中，霍尔传感器单元80可以设置在磁轭30的第一支腿30a和第二支腿30b之间。霍尔传感器单元80可以包括霍尔传感器50和线圈单元60、65。
线圈单元可以包括用于将高频交变磁场90施加到待测量的金属构件10的发射线圈60，以及用于测量由待测量金属构件10感应的磁场的感测线圈65。
众所周知，霍尔传感器是一种可以测量磁场强度的传感器。在MIP测量传感器20中，霍尔传感器50可以被安装为测量施加到金属构件10的内部的准静态激励磁场85的切向强度。在一个示例中，霍尔传感器50可以设置在磁轭30的第一支腿30a和第二支腿30b之间。霍尔传感器50可以定位在与第一支腿30a的第一端面32a和第二支腿30b的第二端面32b基本上相同的水平上。
发射线圈60可以缠绕在霍尔传感器50的周边。在交流电流流动期间，发射线圈60可以产生小的交变磁场ΔH，该交变磁场ΔH可以施加到金属构件10以与大的准静态激励磁场(MIP的定义)重叠。为此，例如50kHz的交流电流可以施加到发射线圈60。与准静态激励磁场的强度相比，交变磁场的强度ΔH可能较小。
感测线圈65也可以缠绕在霍尔传感器50上。通过由电磁体45施加的大的准静态激励磁场和由发射线圈60施加的小的交变磁场的叠加，可以在被磁化的金属构件10周围产生磁场。感测线圈65可以检测由该磁场感应的感应电压。检测到的感应电压的绝对值可以与金属构件10的MIP或可逆磁导率成比例。
在一个示例性实施例中，为了便于这样的布置，霍尔传感器单元80还可以包括霍尔传感器支架70，该霍尔传感器保持件70将霍尔传感器50、发射线圈60和感测线圈65整体地组合在一起。霍尔传感器支架70可以包括被配置为保持霍尔传感器50的霍尔传感器固定部，以及可以缠绕发射线圈60和感测线圈65的线圈绕组部。在示例性实施例中，如图2的(B)所示，霍尔传感器支架70可以是圆柱体，在圆柱体的底部中心具有轴向取向的霍尔传感器安装孔72作为霍尔传感器固定部。此外，在圆柱体的下外表面上，第一绕组槽74和第二绕组槽76可以形成为一个在上，一个在下，以周向地围绕霍尔传感器安装孔72，分别作为发射线圈60和感测线圈65的线圈绕组部。
利用霍尔传感器支架70，霍尔传感器50可插入霍尔传感器安装孔72中，并与第一和第二支腿30a、30b的端面32a、32b基本齐平，如上所述。发射线圈60和感测线圈65可以分别缠绕在第一缠绕槽74和第二缠绕槽76中，以围绕霍尔传感器50，即，感测线圈60可以缠绕成比发射线圈60更靠近待测量的金属构件10。发射线圈60和感测线圈是独立的线圈。发射线圈60是当高频交流电流流动时产生与高频相对应的交变磁场的线圈，感测线圈65是用于通过检测从金属构件10感应的第三磁场来测量金属构件10的磁化的线圈。由发射线圈60产生的交变磁场可以施加到金属构件10。金属构件被准静态激励磁场和交变磁场磁化，由此感应的磁场在感测线圈65中感应出电压。感测线圈65可以检测并输出感应电压。
图3示出了采用图2所示的MIP测量传感器的MIP测量系统的配置。
参考图3，除了MIP测量传感器20之外，MIP测量系统100还可以包括数据测量单元110、信号放大器125、中央处理单元160和直流电源170。
数据测量单元110可以包括第一波形发生器120和第二波形发生器130以及第一测量信号处理单元140和第二测量信号处理单元150。信号放大器125可以连接在第一波形发生器120和MIP传感器20的电磁体线圈40之间。直流电源170可以连接到霍尔传感器50的电源端子。第二波形发生器130可以连接到发射线圈60。第一测量信号处理单元140可以连接到霍尔传感器50的输出端子，并且第二测量信号处理单位150可以连接到感测线圈65。
直流电源170可以提供霍尔传感器50工作所需的电源。
第一波形发生器120可以产生准静态低频电流信号。例如，准静态低频电流信号可以由信号放大器125放大为足够大幅度的电流信号以提供给电磁体线圈40。当放大的准静态低频电流流过电磁体线圈40时，可以产生准静态低频磁场以穿过电磁体线圈40的内部。该准静态低频磁场85的磁通量可以集中在磁轭30内，并且在磁轭30部分中沿着磁轭20行进，但是在两个端面32a、32b之间的非磁轭部分，通过存在于两个端面31a、31b之间的介质。介质可以是空气和金属构件10。在示例性实施例中，第一波形发生器120可以产生准静态正弦波，例如低于1Hz。这导致准静态低频磁场85也随着时间以正弦波的形式变化(磁滞回线)。
当准静态低频磁场85被施加到金属构件10时，第二波形发生器130和发射线圈60可以另外向金属构件10施加高频交变磁场90。也就是说，当准静态低频磁场85被施加到金属构件10时，第二波形发生器130可以产生高频交流电并将其施加到发射线圈60。在示例性实施例中，第二波形发生器130可以产生例如1-10kHz的正弦电流。当高频交变电流流过发射线圈60时，可以在发射线圈60中形成高频交变磁场90。高频交变磁场90可以在垂直穿过霍尔传感器50的同时施加到待测量的金属构件10。
可以使用霍尔传感器50和第一测量信号处理单元140来测量由在电磁体线圈40中流动的准静态电流产生的准静态低频磁场对金属构件10的磁化。施加到金属构件10的准静态低频磁场85的强度可以使用霍尔传感器50来检测。霍尔传感器50的输出信号可以被提供给第一测量信号处理单元140，并被转换成数字值，即，施加到金属构件10的准静态低频磁场85的强度可以被获得为数字值。
此外，当由发射线圈60产生的高频交变磁场90施加到金属构件10时，可以在金属构件10中产生涡电流，由此感应的磁场在感测线圈65中感应电压(或电流)。在感测线圈65中流动的感应电流(感应电压)被提供给第二测量信号处理单元150以被转换成数字值。
即使在将准静态低频磁场85施加到待测量的金属构件10的同时施加相同强度的高频交变磁场90，金属构件10通过高频交变磁场90的磁化程度由于金属构件10的可逆磁导率而变化，这取决于所施加的准静态低频磁场85的强度。这导致由感测线圈65和第二测量信号处理单元150测量的涡电流信号的大小变化。
当由第一测量信号处理单元140测量的由于准静态低频磁场85引起的金属构件10的磁化的变化和由第二测量信号处理单位150测量的由于高频交变磁场90的进一步磁化引起的涡电流信号的变化时，可以采取如图4所示的蝶形的形状。
MIP可以被认为是根据准静态低频磁场85的强度对高频交变磁场90作用下测量的金属构件10的附加磁化度(可逆磁导率)的变化的测量值，已知其与被测量的金属构件10的晶粒尺寸有关。在弱的准静态低频磁场中，如果金属构件10的晶粒尺寸大，则金属构件10容易被高频交变磁场磁化，但是如果金属构件10的晶粒尺寸小，则金属构件10的磁化相对较差。相反，在强的准静态低频磁场中，如果金属构件10的晶粒尺寸大，则高频交变磁场对金属构件10产生的磁化不好，但是如果晶粒尺寸小，则金属构件10具有良好的磁化。
由于在上述霍尔-佩奇关系中晶粒尺寸与材料的屈服强度有关，因此可以通过测量根据晶粒尺寸的MIP变化来估计待测量金属构件10的屈服强度，即，图4所示的蝶形。换句话说，由于存在‘蝶形的变化→待测量的金属构件10的晶粒尺寸的变化→待测量的金属构件10的屈服强度的变化’的关系，该关系可用于通过金属构件10的MIP测量来测量待测量的金属构件的晶粒尺寸、然后根据该晶粒尺寸来估计待测量的金属构件10的屈服强度。
然而，蝶形的变化和晶粒尺寸的变化之间的定量关系尚不清楚。因此，可以通过将该关系简化为“蝶形变化的关系→屈服强度的变化”来估计屈服强度。为此，可以制造多个相同材料但屈服强度不同的试样。并且，可以从关于试样的蝶形中提取与屈服强度相关的特性，然后可以通过回归分析找到所提取的特性与待测量的金属构件10的屈服强度之间的关系。
基于这些点，中央处理单元160可以使用由第一测量信号处理单元140提供的数字信号(即，霍尔传感器50的输出信号的数字数据)以及由第二测量信号处理单元150提供的数字信号(即感测线圈65的输出电压的数字数据)来获得3D打印金属构件10的可逆磁导率(MIP)。然后，中央处理单元160可以根据所获得的可逆磁导率(MIP)和金属构件10的晶粒尺寸之间的关系来获得金属构件的晶粒尺寸，并且使用所获得的晶粒尺寸来计算金属构件10中的屈服强度。
接下来，图5示出了根据本发明的另一示例性实施例的基于MIP方法的用于测量3D打印金属构件的屈服强度的系统的配置。
当使用MIP估计3D打印金属构件300的屈服强度时，待测量的3D打印金属构件300与MIP测量传感器220之间的分离(剥离)距离具有显著影响。因此，可能需要一种精确控制和测量剥离距离的方法。为此，参考图5，除了图3所示的MIP测量系统100的组件之外，用于测量3D打印金属构件的屈服强度的系统200还可以包括传感器位移单元、位移测量单元和中央处理单元260。
传感器位移单元可配置为调整MIP测量传感器220相对于待测量的3D打印金属构件300的剥离距离。为此，在示例性实施例中，传感器位移单元可以包括压电元件270和壳体250。
众所周知，压电元件270是一种能够在施加时将电信号转换为机械应变的元件，因此向压电元件施加电压270可以引起元件的厚度变化或移动。
壳体250可配置为支撑压电元件270，从而将压电元件的厚度变化或移动传输至MIP测量传感器220。压电元件270可以通过壳体250以介于MIP测量传感器220和壳体250之间的形式设置。例如，压电元件270可以被设置为夹在壳体250和电磁体245的磁轭230的连接230c之间的构造。
由于壳体250固定在适当位置，因此磁轭230可以通过压电元件270的厚度变化而朝向3D打印金属构件300移动。通过精确地控制施加到压电元件270的电信号，可以调节压电元件270的厚度或移动，并且可以将MIP测量传感器220和3D打印金属构件300之间的分离距离精确地调节到微米级。
位移测量单元可以被配置为测量3D打印的金属构件300和MIP测量传感器220之间的分离距离。在示例性实施例中，位移测量单元可以包括位移测量传感器280。位移测量传感器280可以是激光位移测量传感器，其被配置为使用激光测量3D打印金属构件300和MIP测量传感器220之间的分离距离。也就是说，位移测量传感器280可以产生激光并将激光发射到3D打印金属构件300，并且检测从3D打印金属构件300反射的激光，并且将接收到的激光转换为相应的电信号。转换后的电信号可以用作计算3D打印的金属构件300和MIP测量传感器220之间的分离距离的信号。为此，转换后的电信号可以被转换成数字数据并被提供给中央处理单元260。
除了通过处理由上述第一和第二测量信号处理单元140、150提供的数据来计算金属构件300的晶粒尺寸和屈服强度之外，中央处理单元260可以被配置为产生并向压电元件270施加调节压电元件270的厚度变化或移动所需的驱动电压。此外，中央处理单元260可以控制位移测量传感器280的操作，并接收来自位移测量传感器280的输出信号，以计算3D打印金属构件300和MIP测量传感器220之间的分离距离。
在一个示例性实施例中，电磁体245的磁轭230的第一和第二支腿230a、230b可以具有锥形形状，其横截面积从第一和第二支腿230a和230b的预定高度到它们各自的下端减小。在另一示例中，例如，如图5所示，第一支腿230a和第二支腿230b的端面232a、232b可以各自具有倾斜形状。当磁轭230的第一和第二支腿230a、230b的端面232a、232b被布置成这样的形状时，由电磁体线圈40感应的磁场可以被收集在端面232a和232b处，并且可以仅将磁场施加到小的区域，从而获得以毫米为单位的屈服强度测量的空间分辨率。
因此，根据本发明实施例的用于测量3D打印金属构件200的屈服强度的系统可以安装在金属3D打印机上，以测量制造中的金属构件的屈服强度。测量结果可以被结合到制造过程中，以提高3D打印金属产品和结构的安全性和耐用性，并降低故障率。
图6示出了根据本发明的示例性实施例的基于MIP方法的测量金属3D打印过程的方法的流程图。
参考图6，第一波形发生器120可以生成准静态低频电流信号，以经由信号放大器125施加到电磁体线圈40，从而生成穿过电磁体线圈40并环绕磁轭230的准静态低频磁场285(步骤S10)。在MIP测量传感器220紧邻待测量的3D打印金属构件300的情况下，由电磁体线圈40产生的准静态低频磁场285可以离开磁轭230的两个尖端端面232a、232b中的一个，穿透待测量的3D打印金属构件的一部分，即物理性质测量区域310，然后重新进入另一个端面。
同时，由第二波形发生器130施加到发射线圈60的高频交变电流可以产生穿过发射线圈60和霍尔传感器50的高频交变磁场(步骤S12)。该高频交变磁场290也可以穿过特性测量区域310。
此时霍尔传感器50可以检测由特性测量区域310中彼此重叠的准静态低频磁场310和高频交变磁场290两者引起的磁场的切向分量，并将检测到的切向分量的信号提供给第一测量信号处理单元140。第一测量信号处理单元140可以放大检测到的信号，并将放大的信号转换为数字信号以提供给中央处理单元260。同时，感测线圈65还可以检测由特性测量区域310中的高频涡电流产生的磁场感应的电压，并将检测到的电压信号提供给第二测量信号处理单元150。第二测量信号处理单元150还可以放大接收到的电压信号，并将放大的信号转换为数字信号以提供给中央处理单元260(步骤S14)。
使用由第一和第二测量信号处理单元140、150提供的数字信号，中央处理单元260可以计算3D打印金属构件300的晶粒尺寸和相应的屈服强度(步骤S16-S24)。更具体地，3D打印可以通过堆叠材料来制造构件。当通过3D打印堆叠单层厚度(约100-200μm)的金属材料时，底部的现有堆叠的一部分可能熔化，这可能导致3D打印的金属材料300的晶粒尺寸的变化和屈服强度的相应变化。有鉴于此，可以使用调整MIP测量传感器220的输入信号的频率和强度的方法来控制涡电流可以影响的深度(例如，100至300μm)，并执行到目标深度的屈服强度测量。已知受高频涡电流影响的有效深度具有以下关系(步骤S16和S18)，
其中，f是高频涡电流输入信号的频率，μ是3D打印的金属构件300的磁导率，σ是3D打印金属构件的电导率。通过使用该等式调节高频涡电流输入信号的频率，可以在具有已知磁导率和电导率的3D打印金属构件300中控制涡电流有效深度。在金属3D打印期间，可以实时、非接触和非破坏性的方式估计正在制造的金属构件300的每个堆叠层的屈服强度，并且可以通过将逐层估计结果与G码几何信息相结合来估计构件的屈服强度。这里，G码几何形状信息可以是用于3D打印的设计图，其包含关于要生产的构件的几何形状和层压方法的信息。通过将测得的每层的屈服强度信息添加到G码几何信息，可以通过分析来估计整个3D打印金属构件300的屈服强度(步骤S20至S24)。
图3和图5的中央处理单元160、260可以实现为硬件组件、软件组件和/或硬件组件和软件组件的组合。例如，在实施例中，中央处理单元160、260可以使用一个或多个通用或专用计算机来实现，例如处理器、控制器、算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微型计算机、现场可编程阵列(FPA)、可编程逻辑单元(PLU)、微处理器或者能够执行和响应指令的任何其他装置。中央处理单元160、260的处理单元可以执行操作系统(OS)和在该操作系统上运行的一个或多个软件应用程序。中央处理单元160、260的处理装置还可以响应于软件的执行来访问、存储、操作、处理和生成数据。为了便于理解，处理装置有时被描述为利用单个处理元件，但是本领域的普通技术人员将认识到，处理装置可以包括多个处理元件和/或多种类型的处理元件。例如，处理装置可以包括多个处理器或者一个处理器和一个控制器。
中央处理单元160、260的软件可以包括计算机程序、代码、指令或其一个或多个组合，并且可以将处理单元配置为根据需要进行操作，或者可以独立地或共同地指示处理单元。中央处理单元160、260的软件可以以程序指令的形式实现，该程序指令可以通过各种计算机装置执行并记录在计算机可读介质上。计算机可读介质可以单独地或组合地包括程序指令、数据文件、数据结构等。记录在介质上的程序指令可以是针对实施例专门设计和配置的，或者可以是计算机软件领域的技术人员已知的和可用的。计算机可读记录介质的示例包括磁介质，例如硬盘、软盘和磁带；诸如CD-ROM和DVD的光学介质；诸如软盘的磁光介质；以及专门配置为存储和执行程序指令的硬件设备，例如ROM、RAM、闪存等。程序指令的示例包括机器语言代码，例如由编译器创建的代码，以及可以由计算机使用解释器等执行的高级语言代码。上述硬件设备可以被配置为作为一个或多个软件模块来执行实施例的操作，反之亦然。
【工业适用性】
例如，本发明可用于测量铁磁性材料(如金属)的屈服强度，特别适用于金属构件的3D打印，可用于3D打印的金属构件的屈服强度的非破坏性地实时监测。
尽管以上实施例已通过有限的附图进行了说明，但本领域技术人员将理解，在不偏离以下专利权利要求中所述的本发明的思想和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，与本专利的权利要求等同的其他实施方式、其他实施例和事物也在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种使用增量磁导率(MIP)测量金属构件的屈服强度的方法，包括：
施加准静态激励磁场，所述准静态激励磁场通过使用电磁体通过待测量的金属构件的两个点进出而产生；
将由发射线圈产生的、小于所述准静态激励磁场的交变磁场(ΔH)与所述准静态激励磁场的施加平行地施加到所述金属构件，以与所述准静态激励磁场重叠；
使用霍尔传感器测量施加到所述金属构件内部的所述准静态激励磁场的强度；
使用感测线圈检测由被所述准静态激励磁场和所述交变磁场(ΔH)磁化的所述金属构件感应的磁场；
使用来自所述霍尔传感器的输出信号和来自所述感测线圈的检测信号，获得所述金属构件的可逆磁导率(MIP)；
从所获得的可逆磁导率(MIP)和所述金属构件的晶粒尺寸之间的关系获得所述金属构件的晶粒尺寸；和
使用所获得的晶粒尺寸来计算所述金属构件的屈服强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属构件的屈服强度σy是通过将所获得的所述金属构件的晶粒尺寸输入到所述金属构件的所述晶粒尺寸d和所述屈服强度σy之间的霍尔-佩奇关系方程式，而获得的，其中σ0是所述金属构件的摩擦应力，Ky是常数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述金属构件是使用金属原材料实时3D打印的金属构件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述关系由蝶形图表示，所述蝶形图示出了MIP根据所述金属构件的所述晶粒尺寸的变化。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括使用压电元件来调节MIP测量传感器和所述金属构件之间的分离距离，所述MIP测量传感器包括整体组合的所述电磁体、所述霍尔传感器、所述发射线圈和所述感测线圈，所述压电元件根据施加的驱动电压的大小引起其厚度变化或移动；使用位移测量传感器测量所述MIP测量传感器和所述金属构件之间的分离距离；以及使用从所述位移测量传感器输出的分离距离测量信号来计算所述MIP测量传感器和所述金属构件之
间的所述分离距离。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述分离距离测量信号是当从所述MIP测量传感器向所述金属构件发射激光时通过检测从所述金属构件反射的激光而获得的信号。
7.一种使用MIP测量金属构件的屈服强度的系统，包括：
电磁体，其包括具有两个支腿的磁轭和缠绕在所述磁轭上的电磁体线圈，并且被配置为通过允许当准静态电流在所述电磁体线圈中流动时产生的准静态激励磁场的通量通过待测量的金属构件的两个间隔开的点进入和离开来磁激励所述金属构件；
霍尔传感器，其设置在所述电磁体的两个支腿之间，并且被配置为测量施加到所述金属构件的内部的所述准静态激励磁场的强度；
发射线圈，其缠绕在所述霍尔传感器上并且被配置为在交流电流流动并且施加到所述金属构件时产生小于所述准静态激励磁场的交变磁场(ΔH)以与所述准静态激励磁场重叠；
感测线圈，其缠绕在所述霍尔传感器上并且被配置为检测所述准静态激励磁场和由被所述交变磁场(ΔH)磁化的所述金属构件感应的磁场；和
中央处理单元，其配置为使用来自所述霍尔传感器的输出信号和来自所述感测线圈的所述检测信号来获得所述金属构件的所述可逆磁导率(MIP)，以根据所获得的所述可逆磁导率(MIP)和所述金属构件的所述晶粒尺寸之间的关系来获得所述金属构件的晶粒尺寸，并且使用所获得的晶粒尺寸来计算所述金属构件的屈服强度，
其中所述系统能够非破坏性地测量待测量的所述金属构件的所述晶粒尺寸和屈服强度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述金属构件的屈服强度σy是通过将所获得的所述金属构件的晶粒尺寸输入到所述金属构件的所述晶粒尺寸d和所述屈服强度σy之间的霍尔-佩奇关系方程式，而获得的，其中σ0是所述金属构件的摩擦应力，Ky是常数。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，所述关系由蝶形图表示，所述蝶形图示出了MIP根据所述金属构件的晶粒尺寸的变化。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述电磁体是U形或马蹄形电磁体，其具有面向所述金属构件的所述两个间隔开的点的两个支腿。
11.根据权利要求7所述的系统，其中，所述两个支腿的端面是锥形或倾斜的端面，所述锥形或倾斜端面的横截面积分别朝向所述端面减小。
12.根据权利要求7所述的系统，还包括霍尔传感器支架，所述霍尔传感器支架包括霍尔传感器固定部和线圈绕组部，所述霍耳传感器固定部被配置成保持所述霍尔传感器，所述发射线圈和所述感测线圈缠绕在所述线圈绕组部上，从而一体地联接所述霍尔传感器、所述发射线圈和所述感测线圈。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述霍尔传感器支架包括圆柱体，所述圆柱体在其底部的中心轴向形成有霍尔传感器安装孔，所述霍耳传感器插入所述霍尔传感器安装孔中，并且其中所述线圈绕组部包括周向地形成在所述圆柱体的下外表面上的第一绕组槽和第二绕组槽以包围所述霍尔传感器安装孔，所述发射线圈和所述感测线圈分别缠绕在第一绕组槽和第二绕组槽上。
14.根据权利要求7所述的系统，其中所述电磁体包括电磁体线圈；U形或马蹄形磁轭，所述电磁体线圈绕所述U形或马蹄形磁轭缠绕，所述磁轭由磁性材料制成并且具有第一和第二端面，其中所述电磁体被配置为提供磁路，使得当准静态激励频率的电流信号流过所述电磁体线圈时产生的准静态激励磁场穿过所述磁轭并通过所述第一端面和所述第二端面进出，从而当所述待测量的金属构件接近所述第一和第二端面时，允许所述准静态激励磁场穿过所述金属构件的预定截面。
15.根据权利要求7所述的系统，还包括：第一测量信号处理单元，其连接到所述霍尔传感器并且被配置为将来自所述霍尔传感器的输出信号转换成待提供给所述中央处理单元的第一数字数据；第二测量信号处理单元，其配置为将来自所述感测线圈的输出电压信号转换成待提供给所述中央处理单元的第二数字数据；以及直流电源，其提供所述霍尔传感器所需的工作电压。
16.根据权利要求7所述的系统，还包括：第一波形发生器，其配置为生成准静态低频电流信号；信号放大器，其配置为放大由所述第一波形发生器生成的所述准静态低频电流信号以提供给所述电磁体线圈；第二波形发生器，其配置为生成高频交流信号以提供给所述发射线圈；第一测量信号处理单元，其连接到所述霍尔传感器以数字化所述霍尔传感器的输出信号；以及第二测量信号处理单元，其连接到所述感测线圈以数字化来自所述感测线圈的检测信号。
17.根据权利要求7所述的系统，还包括传感器位移单元，其配置为调节MIP测量传感器与待测量的所述金属构件之间的分离距离，其中所述电磁体、所述霍尔传感器、所述发射线圈和所述感测线圈被整体地组合在所述MIP测量传感器中。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述传感器位移单元包括：压电元件，其配置为通过根据施加的驱动电压的大小引起所述压电元件的厚度变化或移动来调节所述MIP测量传感器与所述金属构件之间的分离距离；以及壳体，其被配置为支撑所述压电元件，使得所述压电元件的厚度变化或移动被传输到所述MIP测量传感器，其中所述中央处理单元被配置为产生控制所述压电元件厚度变化或移动所需的驱动电压并将其施加到所述压电元件。
19.根据权利要求17和18中任一项所述的系统，还包括位移测量单元，其配置为测量所述MIP测量传感器与待测量金属构件之间的分离距离，并且其中所述中央处理单元被配置成控制所述位移测量单元的操作，并且使用来自所述位移测量单元的输出信号来计算所述MIP测量传感器与所述金属构件间的分离距离。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述位移测量单元包括激光位移测量传感器，其配置为在固定到所述MIP测量传感器的同时产生待发射到所述金属构件的激光，并检测从所述金属构件反射的激光。
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