一种激光增材制造零件内部三维残余应力的测试方法

摘要

本发明公开了一种激光增材制造零件内部三维残余应力的测试方法，属于残余应力测试技术领域。该方法是在逐层钻孔法的基础上，通过建立补偿系数公式，计算补偿系数对测量结果予以补偿，提高逐层钻孔法的测量精度。其次为测量零件内部三维残余应力，在相同工艺条件下采用激光增材制造的方法打印两块尺寸相同的样件，并从两个方向采用逐层钻孔法进行残余应力测量，最后对测量结果进行组合，得出激光增材制造零件内部三维残余应力。采用本发明提出的三维残余应力测试方式能够准确检测激光增材制造零件的内部三维残余应力分布状态及变化趋势，为激光增材制造零件内应力控制，防止零件变形开裂提供了方法和依据。

说明书

技术领域

本发明涉及残余应力测试技术领域，具体为一种激光增材制造零件内部三维 残余应力的测试方法。

背景技术

增材制造技术是将设计产品通过CAD（计算机辅助设计）软件转化为3D数 据，之后通过特定的成型设备（即增材制造机），用液化、粉末化、丝化的固体材 料逐层“制造”出产品。增材制造技术也称“3D打印”或“快速成形”。根据工艺 的不同增材制造技术的主要成型方法包括：光固化成形（SLA）、分层实体制造 （LOM）、激光选域烧结（SLS）、熔融沉积成形（FDM）以及金属近净成形等。 区别于传统的“去除型”制造，增材制造技术无需原胚和模具，就能直接根据计算 机图形数据通过增加材料的方法生成任何形状的物体，因此可以简化产品的制造 程序，缩短产品研制周期，提高效率并降低成本。

但在金属零件激光增材制造过程中，制造的零件经常出现的变形和开裂等质 量问题，这些问题是阻碍增材制造技术发展及拓展应用的制约性难题。导致这些 问题出现的因素很多，但最根本的原因还是在于激光光束局部加热所导致的温度 场分布不均匀，造成零件残余应力集中，进而引起“变形开裂”等问题。因此， 对激光增材制造零件残余应力进行测试，分析其演化规律，提出残余应力控制方 法和准则，是解决激光增材制造零件“变形开裂”问题的较好途径。

目前，残余应力的测试技术发展至今相关测试方法已达数十种，但这些方法 主要以测试零件表层二维残余应力为主，能够测试零件内部三维残余应力的方法 不多。目前，只有短波X射线衍射法和中子衍射法可以对零件内部三维残余应力 进行测量。这两种方法的测试成本较高，且不适用于大型零件现场残余应力的测 量。

发明内容

针对目前无法对激光增材制造零件内部三维应力进行测量的问题，本发明 的目的是提供一种激光增材制造零件内部三维残余应力的测试方法，该方法能够 准确检测激光增材制造零件的内部三维残余应力分布状态及变化趋势，为激光增 材制造零件内应力控制，防止零件变形开裂提供了方法和依据。

本发明的技术方案如下：

一种激光增材制造零件内部三维应力的测试方法，该方法首先采用逐层钻孔 法测量经过去应力热处理的标定样块的内部残余应力，并依据测量结果拟合出补 偿系数公式，对测量结果予以补偿；然后采用激光增材制造技术在相同工艺条件 下制造出两块尺寸相同的零件，并从两个方向采用逐层钻孔法对残余应力进行测 量；最后采用补偿系数公式对零件的残余应力测量结果进行补偿，补偿后的残余 应力值再进行组合，得出零件内部三维残余应力。具体包括如下步骤：

（1）选取一块与待测量零件相同的材料作为标定样块，对其进行去应力热处 理，使其内部应力均布；

（2）在标定样块表面取5个测量点，采用逐层钻孔法对其进行测量，标定样 块的残余应力值测量值逐层衰减，需要进行补偿；以5个测量点第一层测量值的 平均值作为整个标定样块的标准残余应力值，然后将第2层至最后一层测量的残 余应力值与样块标准残余应力值进行对比，求出各层的补偿系数；最终依据层数 和补偿系数的关系，采用多项式回归法，拟合出x向和y向的残余应力补偿系数 经验公式为：

y_αx＝0.0188x³-0.3174x²+1.9333x-3.3181       （1）

y_αy＝0.0223x³-0.3607x²+2.0799x-3.5101          （2）

式中：x为钻孔的层数，y_αx为x方向的残余应力补偿系数，y_αy为y方向的残 余应力补偿系数；

（3）采用激光增材制造技术在相同工艺条件下制造出两块形状尺寸相同的零 件，这两个零件的应力分布状态相同；分别从两个方向采用逐层钻孔法测量两个 零件的残余应力值，即：测量其中一个零件在不同深度（Z方向）情况下x、y方 向的残余应力值，测量另一个零件不同深度（X方向）情况下y、z方向的残余应 力值；

（4）应用步骤（2）所得补偿系数经验公式，对步骤（3）测量的各个残余应 力值进行补偿，再将经过补偿后的各残余应力值进行组合，最终得到零件内部三 维残余应力。

上述步骤（1）中所述去应力热处理工艺是升温至750℃保温4小时，然后炉 冷至室温。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）测量精度高

逐层钻孔法存在一个关键的问题，由于该方法采用的是表层应变片采集各层 的应变释放值，随着孔深的增加，表层应变片的测量精度会被影响。因此逐层钻 孔法的测量精度不高，而本发明的提出的测量方法，依据大量测量结果提出补偿 系数公式，应用公式计算出补偿系数对逐层钻孔法的测量结果予以补偿，测量精 度较高。

（2）测量成本低，适于工业应用

对激光增材制造零件内部三维残余应力的测试，国内外最有效的测量手段大 多采用短波X射线衍射法和中子衍射法，而这两种方法应用的核心设备造价很高， 国内拥有这两种设备的研究机构屈指可数。因此，这两种方法的测量成本相对较 高，而本发明提出的测量方法，仅是以普通的应变测量设备作为基础，所选应变 片也是较为基础的应变测量耗材，因此成本和造价相对较低。而本发明提出的测 量方法，所用设备便携性很好，特别适合实际工业应用。

（3）可测量零件内部三维残余应力

目前，测量残余应力的方法很多，按测试方法对被测试件有无破坏，可分为 物理无损测试法和机械有损测试法两大类。无损测试法有：X-射线衍射法、磁性 法、超声波法、中子衍射法等，机械测试法有：分割全释放法、逐层切削法、电 化学腐蚀剥层法、钻孔法及以钻孔法为基础的云纹干涉法和全息干涉法等。目前 以上这些方法除了成本较高的中子衍射法和短波X射线衍射法外，都无法对零件 内部三维残余应力进行测量，且中子衍射法和短波X射线衍射法的测量深度也有 限（50mm以内）。本发明提出的测量方法，可通过从两个方向测量，并组合测量 结果的方式，得出激光增材制造零件内部三维残余应力。

附图说明

图1为样件激光增材制造加工过程。

图2为预处理后的激光增材制造样件。

图3为应变片及端子粘贴图。

图4为焊接导线图。

图5为逐层钻孔图。

图6为双方向逐层钻孔法示意图；图中：（a）X向钻孔；（b）Y向钻孔；（c） 零件上钻孔位置。

图7为实验测试现场。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的方案进一步详细描述：

逐层钻孔法是每次以微小进给量进行钻孔，测出每次钻孔产生的应变值，通 过计算得到不同层厚的应力值。这种方法存在两个不足，首先它采用表层应变片 采集零件内部的应变释放值，随着孔深的增加，表层应变片的测量精度会被影响， 甚至当达到一定深度后，表层应变片无法测量到应变值；其次，逐层钻孔法测量 的是不同深度下X和Y方向上的残余应力，无法对零件内部三维应力进行测量。

本发明针对逐层钻孔法存在测量误差的问题，通过测量经过去应力热处理的 标定样块的内部残余应力，并依据测量结果拟合出补偿系数公式，对测量结果予 以补偿，提高逐层钻孔法的测量精度，同时对零件内部三维残余应力测量，在相 同工艺条件下采用激光增材制造的方法打印两块尺寸相同的样件，并从两个方向 采用逐层钻孔法进行残余应力测量，最后对测量结果进行组合，得出激光增材制 造零件内部三维残余应力。

实施例1：

（1）试样的制备

实验在5KW CO₂横流激光器上进行，并在真空环境下制备测量样件。激光 增材制造粉末和所用基板材料均为牌号为TA15钛合金，实验前先将基板打磨抛 光，以去除表面氧化皮层并增加其表面光洁度，然后用丙酮对其做进一步的清洗 处理，对TA15钛合金粉末则在120℃真空环境下进行干燥处理。实验采用的具 体工艺参数如表1所示。

表1激光增材制造主要工艺参数

激光功率 扫描速度 送粉速度 扫描方式

P/W v/ mm·s^-1f/ g·min^-1  3500 7 0.7 交错扫描

所制备的样件外形尺寸大小为56mm×24mm×30mm，样件制备过程和预处 理后的激光增材制造样件如图1、图2。

（2）残余应力测量

电阻应变片的粘贴技术比较复杂，粘贴质量的优劣对测量的可靠性影响很大， 因此是一个非常关键性的环节，试验中严格按照如下步骤进行操作。

1）设计布片方案：试验中应变片分布和标定样件应变片分布一致，钻孔直径 为1.5mm，应变计之间间隔18mm，以避免孔与孔之间的干涉。

2）选片：首先检查应变片的外观，剔除敏感栅有形状缺陷以及片内有气泡、 霉斑、锈点的应变片，再用电桥测量应变片的电阻值，并进行阻值选配。

3）打磨：对试件表面待测点位置进行打磨，使其表面平整光滑。

4）画线：在被测点精确地用钢针画好十字交叉线以便定位。

5）清洗：用浸有丙酮的药棉清洗待测部位表面，清除油垢灰尘，保持清洁干 净。

6）粘贴：将选好的应变片背面均匀地涂上一层粘结剂，胶层厚度要适中，然 后将应变片的十字线对准试件待测部位的十字交叉线，轻轻校正方向，然后盖上 一张玻璃纸，用手指朝一个方向滚压应变片，挤出气泡和过量的胶水，保证胶层 尽可能薄而均匀，再用同样的粘结剂粘贴引线端子（图3所示）。

7）固化：贴片后自然干燥4小时以上。

8）检查：通过万用表检查应变片电阻及应变片引线绝缘情况。

9）固定导线：将应变片的两根导线引出线焊在接线端子上，再将连接导线由 接线端子引出（图4所示）。

10）用逐层钻孔法测量样件内部残余应力。钻孔时采用对准装置通过显微镜对 钻孔位置进行对准，然后逐层匀速钻孔（图5）至设定深度，这里共钻孔5层， 每层厚度为1mm。

（3）补偿系数拟合公式

选取一块与待测量零件相同材料的标定样块（TA15），对其进行去应力热处 理（750℃保温4小时+炉冷），使其内部应力均布。在标定样块表面取5个点， 采用逐层钻孔法对其进行测量，发现当逐层钻孔到第2层以后，残余应力值测量 值不断衰减，需要进行补偿。这里以5个测量点第一层测量值的平均值作为整个 标定样块的标准残余应力值，然后将2-8层的残余应力值与样块标准残余应力值 进行对比，求出各层的补偿系数。最终依据层数和补偿系数的关系，采用多项式 回归法，拟合出x和y向的残余应力补偿系数经验公式，具体如式1和式2所示。

y_αx＝0.0188x₃-0.3174x²+1.9333x-3.3181       （1）

y_αy＝0.0223x₃-0.3607x²+2.0799x-3.5101       （2）

其中x为钻孔的层数，y_αx为x方向的残余应力补偿系数，y_αy为y方向的残余 应力补偿系数。

（4）激光增材制造零件内部三维残余应力测量

在相同工艺参数下制造了两个试样，这两个试样的应力分布状态应基本相同。 分别从两个方向采用逐层钻孔法测量两个试样的残余应力值(图6)，测量试件1 不同深度（Z方向）情况下x、y方向的残余应力值，测量试样2不同深度（X方 向）情况下y、z方向的残余应力值。再应用补偿系数公式，对其进行补偿。最后 组合测量值，得到样件内部三维残余应力如表2所示，测试现场如图7所示。

表2三维残余应力测量值（单位：MPa）

注：σ_x为x方向的残余应力值，σ_y为y方向的残余应力值，σ_z为z方向的 残余应力值。

分析表2可知，在样件内部，σ_z普遍比σ_x和σ_y要大很多，且为压应力，且两 端部的残余应力值要比中间部位的残余应力值大。且激光增材制造制造的样件内 部残余应力小于表层残余应力，随着钻孔深度的增加，样件内部残余应力逐渐减 小。且表面残余应力以拉应力为主，而深入样件6层（6.6mm）之后逐渐转变为 压应力。