本發(fā)明涉及金屬材料增減材復(fù)合制造(3d打印)領(lǐng)域中的金屬材料高能束增減材-在線激光超聲檢測(cè)復(fù)合加工方法。

背景技術(shù)：

增材制造是三維實(shí)體離散為若干個(gè)二維平面，通過逐層疊加材料進(jìn)行生產(chǎn)，最終形成三維零件。減材制造是通過車削、銑削等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行去除，從而最終生產(chǎn)出成品。增減材復(fù)合制造是將二者結(jié)合起來(lái)，在增材制造一定層數(shù)后引入減材工藝，實(shí)時(shí)對(duì)沉積材料進(jìn)行高精度的減材加工。增材和減材過程的有機(jī)結(jié)合彌補(bǔ)了純?cè)霾墓ぜ砻尜|(zhì)量差，尺寸精度低的問題，同時(shí)又能成形傳統(tǒng)減材工藝不能制造的復(fù)雜幾何形狀零件。因此是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮募庸し椒ā?/p>

但是，增減材工藝中的增材制造過程(如激光近凈成形，電子束選區(qū)熔化)是局部高溫與快速冷卻的冶金過程，它以高能移動(dòng)熱源，沿著規(guī)劃好的路徑逐步進(jìn)行掃描，在不均勻加熱和快速冷卻過程中容易產(chǎn)生氣孔、夾雜、裂紋等各種缺陷，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)一般在零件整體成形后才進(jìn)行。零件材料缺陷的存在極大地限制零件的使用性能，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)零件報(bào)廢，造成時(shí)間、材料、資源等浪費(fèi)。而且，由于采用增減材復(fù)合制造工藝的零件，往往具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，后檢測(cè)處理的精度也很難保證。

因此，一種能夠在增減材復(fù)合制造過程中，對(duì)沉積材料的缺陷進(jìn)行在線檢測(cè)的方法顯得尤為重要。在傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法中：滲透和磁粉檢測(cè)只能探測(cè)表面缺陷，且容易對(duì)原材料粉體造成污染。射線檢測(cè)的設(shè)備復(fù)雜，信號(hào)處理繁瑣，檢測(cè)速度慢，且容易產(chǎn)生放射性污染。超聲波檢測(cè)需要對(duì)檢測(cè)材料涂抹耦合劑，在高溫且有粉塵的增減材成形環(huán)境中也不適用。

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，研究設(shè)計(jì)一種新型的金屬材料高能束增減材-在線激光超聲檢測(cè)復(fù)合加工方法，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的是研究設(shè)計(jì)一種新型的金屬材料高能束增減材-在線激光超聲檢測(cè)復(fù)合加工方法，用以有效地解決增材制造零件表面及內(nèi)部缺陷無(wú)法在線檢測(cè)和去除的問題；同時(shí)，利用減材功能對(duì)存在缺陷部分進(jìn)行在線去除，而后改進(jìn)增材工藝重新沉積，從而實(shí)現(xiàn)缺陷的在線檢測(cè)與修復(fù)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明所述的金屬材料高能束增減材-在線激光超聲檢測(cè)復(fù)合加工方法；其特征在于所述的加工方法包括如下步驟：

s1、增材成形：通過繪圖軟件繪制預(yù)制備的金屬構(gòu)件模型后，獲取金屬構(gòu)件分層截面數(shù)據(jù)，劃分分層截面高能束掃描路徑，采用高能束熔化金屬成形材料按照預(yù)設(shè)路徑逐層熔化/凝固堆積；

s2、減材加工：根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)，對(duì)已沉積成形的材料進(jìn)行減材加工，得到預(yù)設(shè)的尺寸精度和表面質(zhì)量的檢測(cè)平面；

s3、激光超聲檢測(cè)：在步驟s2中得到的檢測(cè)平面表面上進(jìn)行激光超聲無(wú)損檢測(cè)，對(duì)工件進(jìn)行一定深度的檢測(cè)，通過激光超聲信號(hào)判斷材料表面或者內(nèi)部是否有缺陷產(chǎn)生并確定其位置；

s4、檢測(cè)判斷及處理：

1)對(duì)超標(biāo)的表面或亞表面缺陷通過在線減材加工對(duì)缺陷部分進(jìn)行去除，然后調(diào)整增材工藝重新進(jìn)行步驟s1-s3直至完成整個(gè)金屬構(gòu)件；

2)如果沒有檢測(cè)到明顯缺陷，則直接循環(huán)重復(fù)步驟s1-s3直至完成整個(gè)金屬構(gòu)件。

本發(fā)明所述的高能束包括具有高功率或高亮度熱源的激光束、電子束或電弧或離子束。

本發(fā)明所述的金屬成形材料為粉末、絲狀或板狀材料。

本發(fā)明所述的高能束根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)將金屬成形材料熔化/凝固堆積單層或多層。

本發(fā)明所述的步驟s2的減材加工可根據(jù)預(yù)設(shè)工藝條件在步驟s1的增材成形過程中進(jìn)行，對(duì)零件內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)在其封閉成形前進(jìn)行內(nèi)表面加工。

本發(fā)明所述的激光超聲檢測(cè)傳感器的超聲吸收部分采用光學(xué)法檢測(cè)，包括非干涉技術(shù)和干涉技術(shù)等各種形式。

本發(fā)明所述的熔化/凝固堆積層的厚度小于所述激光超聲檢測(cè)的極限深度，所述激光超聲檢測(cè)的深度通過改變激光激勵(lì)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。

較現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明解決了純?cè)霾闹圃炝慵o(wú)法進(jìn)行缺陷的在線檢測(cè)和去除問題，使同時(shí)具有優(yōu)異內(nèi)部組織和復(fù)雜幾何形狀的高性能關(guān)鍵零部件的一體化制造成為可能。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)增減材復(fù)合制造成形零件的在線檢測(cè)，可有效地降低產(chǎn)品缺陷率，節(jié)約時(shí)間和成本。

2、本發(fā)明可在發(fā)現(xiàn)缺陷的情況下，對(duì)缺陷部分進(jìn)行減材去除，從而實(shí)現(xiàn)在線缺陷修復(fù)。

3、相比于其他無(wú)損檢測(cè)方法，本發(fā)明采用的激光超聲檢測(cè)方法檢測(cè)精度高、檢測(cè)速度快、可檢測(cè)具有復(fù)雜幾何形狀的零件、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)接觸檢測(cè)、沒有污染、不需耦合劑。

4、本發(fā)明采用的激光超聲檢測(cè)方法能夠在沉積材料有余熱的情況下工作。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明共有3幅附圖,其中：

圖1為本發(fā)明的加工方法示意圖。

圖2為本發(fā)明在實(shí)施例1中所用激光超聲檢測(cè)的原理圖，

圖3為本發(fā)明的加工方法流程框圖。

在圖中：1、高能束噴頭；2、亞表面缺陷；3、已沉積工件；4、減材刀具；5、激光超聲探頭；

a、增減材試塊；b、脈沖激勵(lì)激光器；c、激光超聲接收器；d、輸出信號(hào)；e、檢測(cè)激光器；f、缺陷。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的具體實(shí)施例如附圖1-3所示，金屬材料高能束增減材-在線激光超聲檢測(cè)復(fù)合加工方法包括如下步驟：

s1、增材成形：通過繪圖軟件(通常采用cad繪制零件三維模型)繪制預(yù)制備的金屬構(gòu)件模型后，采用切片軟件獲取金屬構(gòu)件分層截面數(shù)據(jù)，劃分分層截面高能束掃描路徑，采用高能束熔化金屬成形材料按照預(yù)設(shè)路徑逐層熔化/凝固堆積；所述高能束包括具有高功率或高亮度熱源的激光束、電子束或電弧或離子束等等。所述高能束根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)將金屬成形材料熔化/凝固堆積單層或多層。所述熔化/凝固堆積層的厚度小于所述激光超聲檢測(cè)的極限深度(即檢測(cè)的量程范圍)，所述激光超聲檢測(cè)的深度通過改變激勵(lì)頻率進(jìn)行調(diào)整，從而保證整個(gè)工件通過逐層掃描的的方式得到檢測(cè)。所述金屬成形材料為粉末、絲狀或板狀材料。

s2、減材加工：根據(jù)預(yù)設(shè)的工藝參數(shù)：如刀具轉(zhuǎn)速，切削深度，每齒進(jìn)給量等對(duì)已沉積成形的材料進(jìn)行必要的減材加工，主要為了消除臺(tái)階效應(yīng)，得到預(yù)設(shè)的尺寸精度和表面質(zhì)量的檢測(cè)平面，加工出高表面質(zhì)量檢測(cè)平面；其中，減材加工可根據(jù)預(yù)設(shè)工藝條件在增材成形過程中進(jìn)行，對(duì)零件內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)在其封閉成形前進(jìn)行內(nèi)表面加工(如中空結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的加工)。增減材復(fù)合加工可以為后續(xù)激光超聲在線檢測(cè)提供平整檢測(cè)平面，避免增材粗糙表面影響缺陷信號(hào)。

s3、激光超聲檢測(cè)：在步驟s2中得到的檢測(cè)平面表面上進(jìn)行激光超聲無(wú)損檢測(cè)，脈沖激勵(lì)激光器b釋放的激光通過透鏡對(duì)增減材試樣a的表面進(jìn)行照射，通過熱彈性效應(yīng)或燒蝕作用等激發(fā)出超聲波，激發(fā)出的超聲波會(huì)使由檢測(cè)激光器e中發(fā)出的檢測(cè)激光發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)最終會(huì)被激光超聲接收器c接受到并轉(zhuǎn)化為輸出信號(hào)d。而增減材試塊a中如果有表面或亞表面缺陷f的存在，則激光激發(fā)出的超聲波將發(fā)生變化，其對(duì)檢測(cè)激光的影響也隨之改變，這種改變會(huì)被激光超聲接收器c捕捉到并形成輸出型號(hào)d。因此，可以通過激光超聲信號(hào)判斷材料表面或者內(nèi)部是否有缺陷產(chǎn)生并確定其位置；檢測(cè)范圍和深度可以通

過調(diào)節(jié)激勵(lì)激光的分布和頻率來(lái)控制。所述激光超聲檢測(cè)傳感器的超聲吸收部

分采用光學(xué)法檢測(cè)，包括非干涉技術(shù)和干涉技術(shù)等各種形式。

s4、檢測(cè)判斷及處理：1)對(duì)不可容忍的、超標(biāo)的表面或亞表面缺陷通過在線減材加工進(jìn)行去除，然后調(diào)整增材工藝重新進(jìn)行步驟s1-s3直至完成整個(gè)金屬構(gòu)件；

2)如果沒有檢測(cè)到明顯缺陷，則直接循環(huán)重復(fù)步驟s1-s3直至完成整個(gè)金屬構(gòu)件。

高能束包括具有高功率或高亮度熱源的激光束、電子束或電弧或離子束。

金屬成形材料為粉末、絲狀或板狀材料。

高能束根據(jù)預(yù)設(shè)工藝參數(shù)將金屬成形材料熔化/凝固堆積單層或多層。

步驟s2的減材加工可根據(jù)預(yù)設(shè)工藝條件在步驟s1的增材成形過程中進(jìn)行，對(duì)零件內(nèi)部封閉結(jié)構(gòu)在其封閉成形前進(jìn)行內(nèi)表面加工。

激光超聲檢測(cè)傳感器的超聲吸收部分采用光學(xué)法檢測(cè)，包括非干涉技術(shù)和干涉技術(shù)等各種形式。

熔化/凝固堆積層的厚度小于所述激光超聲檢測(cè)的極限深度，所述激光超聲檢測(cè)的深度通過改變激光激勵(lì)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)施例1

如圖1所示，一種金屬材料高能束增減材-在線激光超聲檢測(cè)復(fù)合加工方法，具體操作包括以下步驟：

高能束噴頭1按照預(yù)設(shè)規(guī)劃的分層截面高能束掃描路徑，成形一定層數(shù)的已沉積工件3；

根據(jù)具體工藝參數(shù)設(shè)置，減材刀具4對(duì)已沉積工件3進(jìn)行必要的減材加工，去除臺(tái)階效應(yīng)并加工出表面檢測(cè)平面；

通過激光超聲探頭5對(duì)減材后的新沉積材料進(jìn)行平面掃描，通過激光超聲信號(hào)判斷材料表面或者內(nèi)部是否有亞表面缺陷2產(chǎn)生并確定其位置；

如果檢測(cè)到不可容忍的亞表面缺陷2，則根據(jù)檢測(cè)確定的缺陷位置，利用減材刀具4對(duì)缺陷2部分進(jìn)行定點(diǎn)去除，然后調(diào)整增材工藝，循環(huán)進(jìn)行上述步驟；如果沒有檢測(cè)到明顯缺陷，則直接循環(huán)重復(fù)上述步驟，直至整個(gè)金屬構(gòu)件成形完成。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，所有熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明公開的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其本發(fā)明的構(gòu)思加以等同替換或改變均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。