一種激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的測試方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的測試方法，屬于殘余應(yīng)力測試技術(shù)領(lǐng)域。該方法是在逐層鉆孔法的基礎(chǔ)上，通過建立補償系數(shù)公式，計算補償系數(shù)對測量結(jié)果予以補償，提高逐層鉆孔法的測量精度。其次為測量零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力，在相同工藝條件下采用激光增材制造的方法打印兩塊尺寸相同的樣件，并從兩個方向采用逐層鉆孔法進行殘余應(yīng)力測量，最后對測量結(jié)果進行組合，得出激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力。采用本發(fā)明專利技術(shù)提出的三維殘余應(yīng)力測試方式能夠準(zhǔn)確檢測激光增材制造零件的內(nèi)部三維殘余應(yīng)力分布狀態(tài)及變化趨勢，為激光增材制造零件內(nèi)應(yīng)力控制，防止零件變形開裂提供了方法和依據(jù)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的測試方法
本專利技術(shù)涉及殘余應(yīng)力測試
，具體為一種激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的測試方法。
技術(shù)介紹
增材制造技術(shù)是將設(shè)計產(chǎn)品通過CAD（計算機輔助設(shè)計）軟件轉(zhuǎn)化為3D數(shù)據(jù)，之后通過特定的成型設(shè)備（即增材制造機），用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“制造”出產(chǎn)品。增材制造技術(shù)也稱“3D打印”或“快速成形”。根據(jù)工藝的不同增材制造技術(shù)的主要成型方法包括：光固化成形（SLA）、分層實體制造（LOM）、激光選域燒結(jié)（SLS）、熔融沉積成形（FDM）以及金屬近凈成形等。區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造，增材制造技術(shù)無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，因此可以簡化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品研制周期，提高效率并降低成本。但在金屬零件激光增材制造過程中，制造的零件經(jīng)常出現(xiàn)的變形和開裂等質(zhì)量問題，這些問題是阻礙增材制造技術(shù)發(fā)展及拓展應(yīng)用的制約性難題。導(dǎo)致這些問題出現(xiàn)的因素很多，但最根本的原因還是在于激光光束局部加熱所導(dǎo)致的溫度場分布不均勻，造成零件殘余應(yīng)力集中，進而引起“變形開裂”等問題。因此，對激光增材制造零件殘余應(yīng)力進行測試，分析其演化規(guī)律，提出殘余應(yīng)力控制方法和準(zhǔn)則，是解決激光增材制造零件“變形開裂”問題的較好途徑。目前，殘余應(yīng)力的測試技術(shù)發(fā)展至今相關(guān)測試方法已達數(shù)十種，但這些方法主要以測試零件表層二維殘余應(yīng)力為主，能夠測試零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的方法不多。目前，只有短波X射線衍射法和中子衍射法可以對零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力進行測量。這兩種方法的測試成本較高，且不適用于大型零件現(xiàn)場殘余應(yīng)力的測量。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對目前無法對激光增材制造零件內(nèi)部三維應(yīng)力進行測量的問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的測試方法，該方法能夠準(zhǔn)確檢測激光增材制造零件的內(nèi)部三維殘余應(yīng)力分布狀態(tài)及變化趨勢，為激光增材制造零件內(nèi)應(yīng)力控制，防止零件變形開裂提供了方法和依據(jù)。本專利技術(shù)的技術(shù)方案如下：一種激光增材制造零件內(nèi)部三維應(yīng)力的測試方法，該方法首先采用逐層鉆孔法測量經(jīng)過去應(yīng)力熱處理的標(biāo)定樣塊的內(nèi)部殘余應(yīng)力，并依據(jù)測量結(jié)果擬合出補償系數(shù)公式，對測量結(jié)果予以補償；然后采用激光增材制造技術(shù)在相同工藝條件下制造出兩塊尺寸相同的零件，并從兩個方向采用逐層鉆孔法對殘余應(yīng)力進行測量；最后采用補償系數(shù)公式對零件的殘余應(yīng)力測量結(jié)果進行補償，補償后的殘余應(yīng)力值再進行組合，得出零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力。具體包括如下步驟：（1）選取一塊與待測量零件相同的材料作為標(biāo)定樣塊，對其進行去應(yīng)力熱處理，使其內(nèi)部應(yīng)力均布；（2）在標(biāo)定樣塊表面取5個測量點，采用逐層鉆孔法對其進行測量，標(biāo)定樣塊的殘余應(yīng)力值測量值逐層衰減，需要進行補償；以5個測量點第一層測量值的平均值作為整個標(biāo)定樣塊的標(biāo)準(zhǔn)殘余應(yīng)力值，然后將第2層至最后一層測量的殘余應(yīng)力值與樣塊標(biāo)準(zhǔn)殘余應(yīng)力值進行對比，求出各層的補償系數(shù)；最終依據(jù)層數(shù)和補償系數(shù)的關(guān)系，采用多項式回歸法，擬合出x向和y向的殘余應(yīng)力補償系數(shù)經(jīng)驗公式為：yαx＝0.0188x3-0.3174x2+1.9333x-3.3181（1）yαy＝0.0223x3-0.3607x2+2.0799x-3.5101（2）式中：x為鉆孔的層數(shù)，yαx為x方向的殘余應(yīng)力補償系數(shù)，yαy為y方向的殘余應(yīng)力補償系數(shù)；（3）采用激光增材制造技術(shù)在相同工藝條件下制造出兩塊形狀尺寸相同的零件，這兩個零件的應(yīng)力分布狀態(tài)相同；分別從兩個方向采用逐層鉆孔法測量兩個零件的殘余應(yīng)力值，即：測量其中一個零件在不同深度（Z方向）情況下x、y方向的殘余應(yīng)力值，測量另一個零件不同深度（X方向）情況下y、z方向的殘余應(yīng)力值；（4）應(yīng)用步驟（2）所得補償系數(shù)經(jīng)驗公式，對步驟（3）測量的各個殘余應(yīng)力值進行補償，再將經(jīng)過補償后的各殘余應(yīng)力值進行組合，最終得到零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力。上述步驟（1）中所述去應(yīng)力熱處理工藝是升溫至750℃保溫4小時，然后爐冷至室溫。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：（1）測量精度高逐層鉆孔法存在一個關(guān)鍵的問題，由于該方法采用的是表層應(yīng)變片采集各層的應(yīng)變釋放值，隨著孔深的增加，表層應(yīng)變片的測量精度會被影響。因此逐層鉆孔法的測量精度不高，而本專利技術(shù)的提出的測量方法，依據(jù)大量測量結(jié)果提出補償系數(shù)公式，應(yīng)用公式計算出補償系數(shù)對逐層鉆孔法的測量結(jié)果予以補償，測量精度較高。（2）測量成本低，適于工業(yè)應(yīng)用對激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的測試，國內(nèi)外最有效的測量手段大多采用短波X射線衍射法和中子衍射法，而這兩種方法應(yīng)用的核心設(shè)備造價很高，國內(nèi)擁有這兩種設(shè)備的研究機構(gòu)屈指可數(shù)。因此，這兩種方法的測量成本相對較高，而本專利技術(shù)提出的測量方法，僅是以普通的應(yīng)變測量設(shè)備作為基礎(chǔ)，所選應(yīng)變片也是較為基礎(chǔ)的應(yīng)變測量耗材，因此成本和造價相對較低。而本專利技術(shù)提出的測量方法，所用設(shè)備便攜性很好，特別適合實際工業(yè)應(yīng)用。（3）可測量零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力目前，測量殘余應(yīng)力的方法很多，按測試方法對被測試件有無破壞，可分為物理無損測試法和機械有損測試法兩大類。無損測試法有：X-射線衍射法、磁性法、超聲波法、中子衍射法等，機械測試法有：分割全釋放法、逐層切削法、電化學(xué)腐蝕剝層法、鉆孔法及以鉆孔法為基礎(chǔ)的云紋干涉法和全息干涉法等。目前以上這些方法除了成本較高的中子衍射法和短波X射線衍射法外，都無法對零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力進行測量，且中子衍射法和短波X射線衍射法的測量深度也有限（50mm以內(nèi)）。本專利技術(shù)提出的測量方法，可通過從兩個方向測量，并組合測量結(jié)果的方式，得出激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力。附圖說明圖1為樣件激光增材制造加工過程。圖2為預(yù)處理后的激光增材制造樣件。圖3為應(yīng)變片及端子粘貼圖。圖4為焊接導(dǎo)線圖。圖5為逐層鉆孔圖。圖6為雙方向逐層鉆孔法示意圖；圖中：（a）X向鉆孔；（b）Y向鉆孔；（c）零件上鉆孔位置。圖7為實驗測試現(xiàn)場。具體實施方式下面結(jié)合附圖和實施例對本專利技術(shù)的方案進一步詳細(xì)描述：逐層鉆孔法是每次以微小進給量進行鉆孔，測出每次鉆孔產(chǎn)生的應(yīng)變值，通過計算得到不同層厚的應(yīng)力值。這種方法存在兩個不足，首先它采用表層應(yīng)變片采集零件內(nèi)部的應(yīng)變釋放值，隨著孔深的增加，表層應(yīng)變片的測量精度會被影響，甚至當(dāng)達到一定深度后，表層應(yīng)變片無法測量到應(yīng)變值；其次，逐層鉆孔法測量的是不同深度下X和Y方向上的殘余應(yīng)力，無法對零件內(nèi)部三維應(yīng)力進行測量。本專利技術(shù)針對逐層鉆孔法存在測量誤差的問題，通過測量經(jīng)過去應(yīng)力熱處理的標(biāo)定樣塊的內(nèi)部殘余應(yīng)力，并依據(jù)測量結(jié)果擬合出補償系數(shù)公式，對測量結(jié)果予以補償，提高逐層鉆孔法的測量精度，同時對零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力測量，在相同工藝條件下采用激光增材制造的方法打印兩塊尺寸相同的樣件，并從兩個方向采用逐層鉆孔法進行殘余應(yīng)力測量，最后對測量結(jié)果進行組合，得出激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力。實施例1：（1）試樣的制備實驗在5KWCO2橫流激光器上進行，并在真空環(huán)境下制備測量樣件。激光增材制造粉末和所用基板材料均為牌號為TA15鈦合金，實驗前先將基板打磨拋光，以去除表面氧化皮層并增加其表面光潔度，然后用丙酮對其做進一步的清洗處理，對TA15鈦合金粉末則在120℃真空環(huán)境下進行干燥處理。實驗采用的具體工藝參數(shù)如表1所示。表1激本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種激光增材制造零件內(nèi)部三維應(yīng)力的測試方法，其特征在于：該方法首先采用逐層鉆孔法測量經(jīng)過去應(yīng)力熱處理的標(biāo)定樣塊的內(nèi)部殘余應(yīng)力，并依據(jù)測量結(jié)果擬合出補償系數(shù)公式，對測量結(jié)果予以補償；然后采用激光增材制造技術(shù)在相同工藝條件下制造出兩塊尺寸相同的零件，并從兩個方向采用逐層鉆孔法對殘余應(yīng)力進行測量；最后采用補償系數(shù)公式對零件的殘余應(yīng)力測量結(jié)果進行補償，補償后的殘余應(yīng)力值再進行組合，得出零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種激光增材制造零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力的測試方法，其特征在于：該方法首先采用逐層鉆孔法測量經(jīng)過去應(yīng)力熱處理的標(biāo)定樣塊的內(nèi)部殘余應(yīng)力，并依據(jù)測量結(jié)果擬合出補償系數(shù)公式，對測量結(jié)果予以補償；然后采用激光增材制造技術(shù)在相同工藝條件下制造出兩塊尺寸相同的零件，并從兩個方向采用逐層鉆孔法對殘余應(yīng)力進行測量；最后采用補償系數(shù)公式對零件的殘余應(yīng)力測量結(jié)果進行補償，補償后的殘余應(yīng)力值再進行組合，得出零件內(nèi)部三維殘余應(yīng)力；該方法包括如下步驟：(1)選取一塊與待測量零件相同的材料作為標(biāo)定樣塊，對其進行去應(yīng)力熱處理，使其內(nèi)部應(yīng)力均布；(2)在標(biāo)定樣塊表面取5個測量點，采用逐層鉆孔法對其進行測量，標(biāo)定樣塊的殘余應(yīng)力值測量值逐層衰減，需要進行補償；以5個測量點第一層測量值的平均值作為整個標(biāo)定樣塊的標(biāo)準(zhǔn)殘余應(yīng)力值，然后將第2層至最后一層測量的殘余應(yīng)力值與樣塊標(biāo)準(zhǔn)殘余應(yīng)力值進行對比，求出各層的補償系數(shù)；最終依據(jù)層數(shù)和補償系數(shù)的關(guān)系，采用多項式回歸法，擬合出x向和y向的殘余應(yīng)力補償系數(shù)經(jīng)驗公式為：yαx＝0.0188x3-0.3174x2+1...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：趙宇輝，趙吉賓，王福雨，來佑彬，王志國，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：遼寧;21