[发明专利]一种金属增材制造件残余应力的激光超声测量方法

说明书

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。

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t_σ(x)，根据公式即得到沿着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t_σ(y)，根据公式即得到沿着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；t_0MPa(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； t_0MPa(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σ_i对应抛光后的金属增材制件试样深度为D_i时的应力，σ_j对应抛光后的金属增材制件试样深度为D_j时的应力。