CN106018288A - 激光超声在线无损检测增材制造零件的方法 - Google Patents

激光超声在线无损检测增材制造零件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明是激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，属于无损检测领域。本发明利用激光激励的超声表面波幅度的变化检测增材制造过程产生的冶金缺陷，检测装置与增材制造设备的高能束发生装置相结合，实现在增材制造过程中同步对零件缺陷进行检测，避免了零件制造完成后因形状复杂带来的检测盲区，提高增材制造零件的可靠性，同时将检测过程与制造过程相结合，可以免去后续的检测时间，提高增材制造零件全生产过程的生产效率。

Description

激光超声在线无损检测增材制造零件的方法
技术领域
本发明是激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，属于无损检测领域。
背景技术
增材制造作为革命性的制造工艺，能够制造出传统减材制造方式很难甚至无法制造的复杂结构零件，大大增加了产品设计的灵活性，特别适用于小批量零件的快速制造。随着增材制造零件逐渐在涉及产品安全性的重要部件上获得应用，对其内部缺陷的无损检测越来越重要。但是，现有的无损检测手段对于增材制造零件而言存在以下几个问题：首先，增材制造的零件多具有非常复杂的形状或结构，传统超声、射线等无损检测方法存在检测过程中遮挡严重的问题而难以进行或检测过程十分复杂，第二，与传统方法相比，增材制造的零件表面切削加工余量很小，而很多无损检测方法都存在表面盲区，如果表面加工余量过小，可能会有部分不会被加工掉的区域无法检测，带来产品隐患，第三，传统无损检测方法都是在增材制造零件制造之后进行检测，检测时间甚至大于制造时间，使得整个生产工艺流程用时较多，因此，传统无损检测手段对于增材制造零件的检测存在困难。
发明内容
本发明针对上述问题设计了一种激光超声在线无损检测增材制造零件的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
(1)仪器安装
该方法所需仪器包括：脉冲激光器、激光干涉仪、第一透镜、反射镜、第二透镜、带有信号采集卡的电脑，首先将脉冲激光器的激光头、激光干涉仪的激光头、第一透镜、反射镜、第二透镜安装在安装平台上，将脉冲激光器的同步接口和激光干涉仪的同步接口用同轴电缆连接，再利用同轴电缆将激光干涉仪的同步接口、信号输出接口分别与带有信号采集卡的电脑的同步接口、信号输入接口连接，将安装平台安装在增材制造设备的高能束发生装置上，二者的相对位置可调并能够一起运动；
(2)调整光路
打开增材制造设备的定位激光，使其垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成定位光斑，打开激光干涉仪，调整激光干涉仪的激光头在安装平台上的位置，使其发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上并形成接收光斑，并保证在增材制造过程中，该光斑能够落在定位光斑经过的路径上，打开脉冲激光器，调整其激光头和反射镜在安装平台上的相对位置，使脉冲激光器发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成激励光斑，并在增材制造过程中，激励光斑落在定位光斑经过的路径上，将第一透镜安装在脉冲激光器的光路上，使第一透镜与脉冲激光器的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第一透镜的焦距，将第二透镜安装在激光干涉仪的光路上，使第二透镜与激光干涉仪的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第二透镜的焦距；
(3)检测
利用带有信号采集卡的电脑接收激光干涉仪给出的超声表面波信号，调节激光干涉仪的增益，使表面波信号幅度值达到满屏幕的80％，打开增材制造设备开始进行增材制造，在制造过程中每隔0.1-5秒记录一次超声表面波信号幅度值占满屏幕的百分数，增材制造设备每制造完一层，计算机将此层采集到的表面波信号幅度值保存为一个文件，直到整个增材制造过程结束；
(4)标记
在计算机上检查整个增材制造过程中采集到的表面波信号幅度值文件，若某一个文件中有连续一个以上的记录低于满屏幕的20-60％，则在该文件对应的层上进行标记；
(5)成像
在增材制造设备每两次高度方向进给之间，利用增材制造设备提供的定位光斑每一个位置坐标减去该定位光斑与接收光斑之间的相对坐标，形成一个二维矩阵，将满屏幕高度定义为256，0％屏幕高度定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波幅度分布的二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染，获得表面波幅度分布的二维彩虹图，增材制造设备每完成一次高度方向进给，绘制一张二维彩虹图，直到完成整个增材制造。
在增材制造过程中，激励光斑和接收光斑之间的距离为1—10mm，激励光斑落在定位光斑经过的路径上。
在增材制造过程中，激励光斑和接收光斑均置于定位光斑路径中心。
本发明的工作原理是：
照射在材料表面上的激励激光会在材料中激励超声表面波，利用激光干涉仪检测激励激光附近材料的表面振动，可以检测到超声表面波，该波形的传播深度约1-2mm，并且其幅度与传播路径上的材料有关，如果在传播路径上的材料中存在冶金缺陷，接收到的表面波幅度会大幅下降，将激励激光和接收激光照射在增材制造过程中刚刚凝固成形的位置上，并随着增材制造熔池位置的移动而移动，通过检测表面波信号的幅度变化，可以实时检测增材制造过程中产生的冶金缺陷，实现增材制造零件的在线无损检测。
本发明具有的优点和有益效果是：
本发明利用激光超声表面波幅度的变化检测增材制造过程产生的冶金缺陷，检测装置与增材制造设备的高能束发生装置相结合，实现在增材制造过程中同步对零件缺陷进行检测，避免了零件制造完成后因形状复杂带来的检测盲区，提高增材制造零件的可靠性，同时将检测过程与制造过程相结合，可以免去后续的检测时间，提高增材制造零件全生产过程的生产效率。
提出一种激光超声无损检测材料织构的方法，有利于大范围分析材料的晶粒取向，研究材料的织构特点，该方法具有检测范围大、速度快、样品要求低等优点，
具体实施方式
该种激光超声在线无损检测增材制造零件，其特征在于：
(1)仪器安装
该方法所需仪器包括：脉冲激光器、激光干涉仪、第一透镜、反射镜、第二透镜、带有信号采集卡的电脑，首先将脉冲激光器的激光头、激光干涉仪的激光头、第一透镜、反射镜、第二透镜安装在安装平台上，将脉冲激光器的同步接口和激光干涉仪的同步接口用同轴电缆连接，再利用同轴电缆将激光干涉仪的同步接口、信号输出接口分别与带有信号采集卡的电脑的同步接口、信号输入接口连接，将安装平台安装在增材制造设备的高能束发生装置上，二者的相对位置可调并能够一起运动；
(2)调整光路
打开增材制造设备的定位激光，使其垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成定位光斑，打开激光干涉仪，调整激光干涉仪的激光头在安装平台上的位置，使其发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上并形成接收光斑，并保证在增材制造过程中，该光斑能够落在定位光斑经过的路径上，打开脉冲激光器，调整其激光头和反射镜在安装平台上的相对位置，使脉冲激光器发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成激励光斑，并在增材制造过程中，激励光斑落在定位光斑经过的路径上，将第一透镜安装在脉冲激光器的光路上，使第一透镜与脉冲激光器的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第一透镜的焦距，将第二透镜安装在激光干涉仪的光路上，使第二透镜与激光干涉仪的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第二透镜的焦距；
(3)检测
利用带有信号采集卡的电脑接收激光干涉仪给出的超声表面波信号，调节激光干涉仪的增益，使表面波信号幅度值达到满屏幕的80％，打开增材制造设备开始进行增材制造，在制造过程中每隔0.1-5秒记录一次超声表面波信号幅度值占满屏幕的百分数，增材制造设备每制造完一层，计算机将此层采集到的表面波信号幅度值保存为一个文件，直到整个增材制造过程结束；
(4)标记
在计算机上检查整个增材制造过程中采集到的表面波信号幅度值文件，若某一个文件中有连续一个以上的记录低于满屏幕的20-60％，则在该文件对应的层上进行标记；
(5)成像
在增材制造设备每两次高度方向进给之间，利用增材制造设备提供的定位光斑每一个位置坐标减去该定位光斑与接收光斑之间的相对坐标，形成一个二维矩阵，将满屏幕高度定义为256，0％屏幕高度定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波幅度分布的二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染，获得表面波幅度分布的二维彩虹图，增材制造设备每完成一次高度方向进给，绘制一张二维彩虹图，直到完成整个增材制造。
实施例1
激光烧结式增材制造设备上制造GH4169高温合金零件，其检测步骤如下：
(1)仪器安装
该方法所需仪器包括：脉冲激光器、激光干涉仪、第一透镜、反射镜、第二透镜、带有信号采集卡的电脑，首先将脉冲激光器的激光头、激光干涉仪的激光头、第一透镜、反射镜、第二透镜安装在安装平台上，将脉冲激光器的同步接口和激光干涉仪的同步接口用同轴电缆连接，再利用同轴电缆将激光干涉仪的同步接口、信号输出接口分别与带有信号采集卡的电脑的同步接口、信号输入接口连接，将安装平台安装在增材制造设备的高能束发生装置上，二者的相对位置可调并能够一起运动；
(2)调整光路
打开增材制造设备的定位激光，使其垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成定位光斑，打开激光干涉仪，调整激光干涉仪的激光头在安装平台上的位置，使其发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上并形成接收光斑，并保证在增材制造过程中，该光斑能够落在定位光斑经过的路径上，打开脉冲激光器，调整其激光头和反射镜在安装平台上的相对位置，使脉冲激光器发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成激励光斑，并在增材制造过程中，激励光斑落在定位光斑经过的路径上，将第一透镜安装在脉冲激光器的光路上，使第一透镜与脉冲激光器的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第一透镜的焦距，将第二透镜安装在激光干涉仪的光路上，使第二透镜与激光干涉仪的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第二透镜的焦距；
(3)检测
利用带有信号采集卡的电脑接收激光干涉仪给出的超声表面波信号，调节激光干涉仪的增益，使表面波信号幅度值达到满屏幕的80％，打开增材制造设备开始进行增材制造，在制造过程中每隔0.5秒记录一次超声表面波信号幅度值占满屏幕的百分数，增材制造设备每制造完一层，计算机将此层采集到的表面波信号幅度值保存为一个文件，直到整个增材制造过程结束；
(4)标记
在计算机上检查整个增材制造过程中采集到的表面波信号幅度值文件，其中第五个文件中有连续三个记录低于满屏幕的40％，则在零件的第五层上进行标记；
(5)成像
在增材制造设备每两次高度方向进给之间，利用增材制造设备提供的定位光斑每一个位置坐标减去该定位光斑与接收光斑之间的相对坐标，形成一个二维矩阵，将满屏幕高度定义为256，0％屏幕高度定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波幅度分布的二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染，获得表面波幅度分布的二维彩虹图，增材制造设备每完成一次高度方向进给，绘制一张二维彩虹图，直到完成整个增材制造。
实施例2
电子束选区融化式增材制造设备上制造TC4钛合金零件，其检测步骤如下：
(1)仪器安装
该方法所需仪器包括：脉冲激光器、激光干涉仪、第一透镜、反射镜、第二透镜、带有信号采集卡的电脑，首先将脉冲激光器的激光头、激光干涉仪的激光头、第一透镜、反射镜、第二透镜安装在安装平台上，将脉冲激光器的同步接口和激光干涉仪的同步接口用同轴电缆连接，再利用同轴电缆将激光干涉仪的同步接口、信号输出接口分别与带有信号采集卡的电脑的同步接口、信号输入接口连接，将安装平台安装在增材制造设备的高能束发生装置上，二者的相对位置可调并能够一起运动；
(2)调整光路
打开增材制造设备的定位激光，使其垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成定位光斑，打开激光干涉仪，调整激光干涉仪的激光头在安装平台上的位置，使其发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上并形成接收光斑，并保证在增材制造过程中，该光斑能够落在定位光斑经过的路径上，打开脉冲激光器，调整其激光头和反射镜在安装平台上的相对位置，使脉冲激光器发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成激励光斑，并在增材制造过程中，激励光斑落在定位光斑经过的路径上，将第一透镜安装在脉冲激光器的光路上，使第一透镜与脉冲激光器的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第一透镜的焦距，将第二透镜安装在激光干涉仪的光路上，使第二透镜与激光干涉仪的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第二透镜的焦距；
(3)检测
利用带有信号采集卡的电脑接收激光干涉仪给出的超声表面波信号，调节激光干涉仪的增益，使表面波信号幅度值达到满屏幕的80％，打开增材制造设备开始进行增材制造，在制造过程中每隔1秒记录一次超声表面波信号幅度值占满屏幕的百分数，增材制造设备每制造完一层，计算机将此层采集到的表面波信号幅度值保存为一个文件，直到整个增材制造过程结束；
(4)标记
在计算机上检查整个增材制造过程中采集到的表面波信号幅度值文件，其中第十二个文件中有连续五个记录低于满屏幕的50％，在该零件的第十二层上进行标记，第二十个文件中有连续四个记录低于满屏幕的50％，在该零件的第二十层上进行标记，；
(5)成像
在增材制造设备每两次高度方向进给之间，利用增材制造设备提供的定位光斑每一个位置坐标减去该定位光斑与接收光斑之间的相对坐标，形成一个二维矩阵，将满屏幕高度定义为256，0％屏幕高度定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波幅度分布的二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染，获得表面波幅度分布的二维彩虹图，增材制造设备每完成一次高度方向进给，绘制一张二维彩虹图，直到完成整个增材制造。

Claims (3)

1.一种激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，其特征在于：
(1)仪器安装
该方法所需仪器包括：脉冲激光器、激光干涉仪、第一透镜、反射镜、第二透镜、带有信号采集卡的电脑，首先将脉冲激光器的激光头、激光干涉仪的激光头、第一透镜、反射镜、第二透镜安装在安装平台上，将脉冲激光器的同步接口和激光干涉仪的同步接口用同轴电缆连接，再利用同轴电缆将激光干涉仪的同步接口、信号输出接口分别与带有信号采集卡的电脑的同步接口、信号输入接口连接，将安装平台安装在增材制造设备的高能束发生装置上，二者的相对位置可调并能够一起运动；
(2)调整光路
打开增材制造设备的定位激光，使其垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成定位光斑，打开激光干涉仪，调整激光干涉仪的激光头在安装平台上的位置，使其发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上并形成接收光斑，并保证在增材制造过程中，该光斑能够落在定位光斑经过的路径上，打开脉冲激光器，调整其激光头和反射镜在安装平台上的相对位置，使脉冲激光器发出的激光垂直照射在增材制造设备的工作平台上，形成激励光斑，并在增材制造过程中，激励光斑落在定位光斑经过的路径上，将第一透镜安装在脉冲激光器的光路上，使第一透镜与脉冲激光器的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第一透镜的焦距，将第二透镜安装在激光干涉仪的光路上，使第二透镜与激光干涉仪的光束垂直并且与增材制造设备的工作平台的距离为第二透镜的焦距；
(3)检测
利用带有信号采集卡的电脑接收激光干涉仪给出的超声表面波信号，调节激光干涉仪的增益，使表面波信号幅度值达到满屏幕的80％，打开增材制造设备开始进行增材制造，在制造过程中每隔0.1-5秒记录一次超声表面波信号幅度值占满屏幕的百分数，增材制造设备每制造完一层，计算机将此层采集到的表面波信号幅度值保存为一个文件，直到整个增材制造过程结束；
(4)标记
在计算机上检查整个增材制造过程中采集到的表面波信号幅度值文件，若某一个文件中有连续一个以上的记录低于满屏幕的20-60％，则在该文件对应的层上进行标记；
(5)成像
在增材制造设备每两次高度方向进给之间，利用增材制造设备提供的定位光斑每一个位置坐标减去该定位光斑与接收光斑之间的相对坐标，形成一个二维矩阵，将满屏幕高度定义为256，0％屏幕高度定义为0，中间划分为256级，每一级对应一个灰度值，将灰度值填充到相应的位置矩阵中，绘制出表面波幅度分布的二维灰度图，进一步利用彩虹色对灰度图进行渲染，获得表面波幅度分布的二维彩虹图，增材制造设备每完成一次高度方向进给，绘制一张二维彩虹图，直到完成整个增材制造。
2.根据权利要求1所述的激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，其特征在于：在增材制造过程中，激励光斑和接收光斑之间的距离为1—10mm，激励光斑落在定位光斑经过的路径上。
3.根据权利要求1所述的激光超声在线无损检测增材制造零件的方法，其特征在于：在增材制造过程中，激励光斑和接收光斑均置于定位光斑路径中心。
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