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产品信息  / News
基于超声技术的3D打印增材制造零件的体检方法


TECLAB   Shaw.Din   shaw@teclab.cn


摘要:本文主要通过介绍两种优化的无损检测方法检测增材制造(AM)零件:基于超声共振谱RUS和全聚焦相控阵超PAUT(采用了FMC全矩阵采集和TFM全聚焦成像)。根据ISO/TC261-ASTM/F42国际标准,分别采用两种检测方法对采用增材制造的星形零件进行检测。零件包含了典型的增材制造100-700 um分层缺陷。通过RUS方法可以甄别零件是否含有缺陷,但是无法得知缺陷的数量,位置和大小当量。PUAT检测效果取决于缺陷的形状,方向和位置,最佳的检测效果是针对模拟分层缺陷制作的垂直圆柱形缺陷,检测精度可达200 um.

关键字:无损检测,体积性无损检测,增材制造,超声共振检测,相控阵超声检测,全聚焦成像




介绍

    随着金属增材制造技术在工业领域的应用和发展,尤其航空航天和医用领域越来越多的采用了金属增材制造技术生产关键性的零配件。由于增材制造所生产的零配件往往具有复杂的形状和不理想的表面粗糙度,传统的检测方法往往不再适用。为了确保这种技术生产的产品质量有所保障,急需寻求一种无损的快速的检测方法。

    对于体积性检测,基于X射线的计算机成像技术XCT往往是最合适的检测手段,被测件的形状和表面粗糙度往往不受限制。然后被测件的尺寸和密度则受到了X射线源发射功率以及检测腔室的限制。如此,往往XCT是一种检测成本极高也非常耗时的检测手段。

    RUS超声共振检测技术不检测零件的具体细节,通过分析零件的共振频率来甄别零件是否符合质量要求。操作使用简单,快速,不受零件的大小,形状和粗糙度影响。

    PAUT相控阵超声检测技术也不失为一种可选的检测手段,通过超声声束偏转在不移动探头的情况下也可能检测一些负责形状的零件。并且可以构建三维图像从而定义缺陷的类型和位置。



增材制造试样

   根据增材制造标准ISO/TC261-ASTM/F42指导说明,利用PBF激光粉床熔融技术进行3D打印不锈钢星形试样如下,打印仓口大小0.11 mm,打印层厚精度40 um,打印速度755.5 mm/s:

图1. 金属3D打印机(支持不锈钢,工具钢,Inconel和铜),清洗机,烧结炉 以及 星形增材制造试样


设计S0无缺陷,S1全尺寸缺陷试样和S2半尺寸缺陷试样,人工缺陷位置均位于试样关键区域及难以触及的位置。分别标记为R1-R5。如下:

1. 跨层缺陷通过打印不同直径相同长度竖直圆柱体空间缺陷模拟,圆柱体空间缺陷之间连通并外部开口便于金属粉末排出;

2. 分层缺陷通过打印不同直径相同长度水平圆柱体空间缺陷模拟,同样外部开口便于金属粉末排出;

3. 疏松缺陷通过打印不同直径球形空间和内部不同方向圆柱体空间模拟。

所有缺陷直径从100 um 到 700 um 不等。全尺寸试样参数:h=45 mm,a=60 mm,

图2. 试样缺陷图



RUS超声共振检测法


    RUS属于一种整体对比性检测方法,通过测量无缺陷试样的共振频率建立检测标准后通过对比所测量的试样共振频率判定试样质量是否合格或不合格。激励试样产生共振的方式通常有两种:RAM声共振方法和RUS超声共振方法。RAM通常采用小锤等外部敲击后让试样产生共振,再通过传感器或麦克风接收试样共振频率信号放大后进行共振谱对比。RUS则采用超声换能器进行扫频激励,再通过超声换能器接收共振频率信号得到不同频段的共振谱后进行对比分析。

图3. RUS超声共振检测系统和RAM声共振检测仪

试样共检测88个试样,其中40个S0完好试样建立完好产品共振谱数据库后,检测不同的缺陷S1和S2试样。采集到的试样共振频率范围从500 Hz到50 KHz。经过测量RAM可以有效甄别所有缺陷试样和绝大部分完好试验(其中一个完好试样甄别失败)

图4. 试样RAM检测的共振谱



PAUT-FMC/TFM 相控阵超声检测法

      采用超声相控阵全矩阵和全聚焦成像技术检测了S1和S2试样。试样浸泡在水槽内,通过扫查得到B扫和C扫图像。

图5. PIONEER  128/128 全聚焦相控阵成像检测系统

 图6. 试验所用超声相控阵探头参数:线阵,10 MHz,0.25 mm元间距

图7. 全矩阵采集原理,每个晶片发射,所有晶片接收,128个通道晶片依次激励接收后得到128x128个A波信号

通过检测发现:

S1试样中:

四个不同方向的圆柱体缺陷(直径0.3 mm,长度2 mm)可以被检测到-图8,

六个竖直圆柱体缺陷中,直径200 um到700 um缺陷可以看到,直径100 um和150 um缺陷检测不到-图9

四个球形缺陷,直径400 um 到 700 um可以检测到 -图10

水平圆柱体缺陷无法检测到有效信号。

S2试样中:

三个内部-图11和四个外部-图12水平圆柱体缺陷可以检测到

直径200 um到700 um竖直圆柱体缺陷可以检测,直径100 um和150 um无法检测 - 图13,

仅一个不同方向圆柱体缺陷可以检测到-图14,球形缺陷无法检测。

图8.S1试样,模拟疏松的不同方向封闭圆柱体缺陷成像D 0.3 x  L 2 mm

图9. S1试样,直径200 um到700 um竖直圆柱体缺陷成像


图10. S1试样,直径400 um 到 700 um四个球形缺陷成像

图11. S2试样,内部水平圆柱体缺陷成像

图12. S2试样,外部水平圆柱体缺陷成像

图13. S2试样直径200 um到700 um竖直圆柱体缺陷成像

图14. S2试样不同方向圆柱体缺陷成像



总结


  RAM声共振法可以较好的实现快速无损甄别增材制造零配件质量,但是无法确定缺陷的类型,位置等。PAUT相控阵超声检测法可以实现缺陷的位置和类型判定,但是过于微小的缺陷无法检测,且缺陷的方向也对改方法有影响。将两种方法的优缺点归纳如下:

  RAM的优势:

  •   容易使用

  •   快速

  •   客观

  •   不受工件形状(尤其栅格结构)和大小限制

  •   无需浸润,无需耦合剂等

  •   可甄别有质量问题的产品


  RAM的劣势:

  •      整体检测,检测NG或OK件

  •      无法识别缺陷类型和位置

     

   PAUT的优势:

  •    可扫查可成像

  •    也可声束偏转无需移动探头扫查

  •    比常规超声快

  •    对工件形状的限制低于常规超声

  •    对工件大小限制低于XCT

  •    可识别缺陷类型和位置

  •    比常规超声具有更优的空间分辨率

   

   PAUT的劣势:

  •    相对常规超声和RAM,操作者需要更多的经验和培训

  •    比RAM检测效率低

  •    对工件形状和大小有所限制

  •    对表面粗糙度有要求

  •    需要耦合剂


参考文献:

“Efficient volumetric non-destructive testing methods for additively manufactured parts”,International Institute of Welding 2020,https://doi.org/10.1007/s40194-020-00932-0


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