不锈钢增材制造件的激光超声表面波声速研究

Feb. 2021Vol. 49 No. 3
2021年2月
第 49 卷 第 3 期
机床与液压
MACHINE TOOL & HYDRAULICS
DOI ： 10.3969/j. issn. 1001 — 3881. 2021. 03. 017
本文引用格式：周凯，高向东,杨宇辉，等.不锈钢增材制造件的激光超声表面波声速研究[J].机床与液压,2021,49(3):86-90.
ZHOU Kai ，GAO Xiangdong ， YANG Yuhui ， et al. Study on surface acoustic wave velocity in additive manufacturing stainless steel using laser ultrasonics [J] .Machine Tool & Hydraulics,2021,49(3) ：86-90.
不锈钢增材制造件的激光超声表面波声速研究
周凯J 2，高向东-杨宇辉2，张兵2，叶国良2
(1.广东工业大学广东省焊接工程技术研究中心，广东广州510006；
2.东莞理工学院机械工程学院，广东东莞523000)
摘要：利用激光超声技术对增材制造件进行无损检测具有重要的理论和应用价值。

因此，针对不同激光功率下制备的 316L 不锈钢增材制造样品进行试验。

利用激光超声在样品不同成型方向上测试，对表面波声速进行了表征。

结果表明：不
同激光功率下制备的316L 不锈钢增材制造件的成型质量与表面波传播速度有着密切的关系，而且同一增材制造件在不同
成型方向上的表面波声速也有明显的差异，具有各向异性。

实验结果对研究316L 不锈钢增材制造材料的表面声学特性以
及金属增材制造材料的激光超声质量检测具有重要参考价值。

关键词：增材制造；激光超声；表面波；声速中图分类号：O422. 1
Study on Surface Acoustic Wave Velocity in Additive Manufacturing
Stainless Steel Using Laser Ultrasonics
ZHOU Kai 1，2, GAO Xiangdong 1 , YANG Yuhui 2, ZHANG Bing 2, YE Guoliang 2
(1. Guangdong Provincial Welding Engineering Technology Research Center , Guangdong University of Technology , Guangzhou Guangdong 510006, China ； 2. School of Mechanical Engineering, Dongguan
University of Technology , Dongguan Guangdong 523000 , China )
Abstract ： It has great theoretical and practical value to use laser ultrasonic technology for nondestructive testing of additive manu ­
facturing parts. Therefore , experiments were carried out on additive manufacturing 316L stainless steel samples formed in different laser power. The surface acoustic wave velocity was characterized by using laser ultrasonic testing in different forming directions. The results
show that the forming quality of additive manufacturing 316L stainless steel part formed in different laser power is closely related to the surface acoustic wave velocity ， and the surface acoustic wave velocity of the same additive manufacturing parts formed in different form ­ing directions is also significantly different ， showing anisotropy. The experimental results have important reference value for the study on surface acoustic properties of additive manufacturing 316L stainless steel materials and laser ultrasonic quality detection for additive manufacturing metal materials.
Keywords ： Additive manufacturing ； Laser ultrasonics ； Surface acoustic wave ； Velocity
0 前言
金属增材制造作为一种新兴的先进制造技术，采 用激光等高能束对合金粉末进行原位受热熔化和快速 凝固，逐层堆积成型致密的高性能金属零件［l ］o 相较 于传统去除材料的减法制造方式，增材制造是一种自 下而上、逐层叠加的制造过程。

这种制造技术不需要 使用刀具对工件进行切削加工，从而可以实现对复杂 结构零件的制造，并且能够有效简化生产工序，缩短
制造周期［2］o 与金属铸件和锻件相比，增材制造制备
的材料在力学性能和组织结构上具有各向异性，因此
不能简单照搬传统针对金属铸造和锻造材料的检测方法 和结论，需要对金属增材制造材料开展针对性的研究。

随着无损检测技术的不断发展，增材制造件的质 量检测研究工作也随即展开。

TURO 等［3］采用高频
(45 MHz)自动水浸超声技术对金属粉末制备材料的
特征参数进行了测试分析，结果表明：超声检测技术
收稿日期：2019-11-27
基金项目：广东省自然科学基金项目(2017A030313690)；广东省普通高校特色创新项目(2016KTSCX137)；广东省普通高
校省级重大科研项目(2017KZDXM082)；广东省教育厅创新团队项目(2017KCXTD010)
作者简介：周凯(1993—),男，硕士研究生，研究方向为超声无损检测。

E-mail ： *******************。

通信作者：叶国良(1979—),博士，教授，英国特许工程师，研究方向为智能传感与超声波无损检测。

E-mail ： gye@
dgut. edu. cn 。

第3期周凯等：不锈钢增材制造件的激光超声表面波声速研究・87•
可以用于增材制造材料内部缺陷检测和在线检测，也可以作为增材制造工艺参数优化的指导工具°LU 等［4-5］通过无损检测技术对增材制造过程的监视和控制进行了研究°杨平华等［6］通过开展针对TC18钛合金增材制造件的超声检测特征试验研究，发现钛合金样品的超声波衰减、检测灵敏度等与钛合金轧制件相比存在较大差异°LEVESQUE等⑺阐述了采用激光超声对增材制造材料进行无损检测的可行性°
为揭示增材制造件的声学特性与其材料特性之间的关系，本文作者针对不同激光功率下制备的316L 不锈钢增材制造件开展激光超声无损检测研究，探测不同成型方向上的表面波声速，通过对比不同激光功率、不同成型方向表面波声速的差异，探究316L增材制造材料的表面声学特性°
1增材制造样品的制备
采用HBD-280型金属激光3D打印设备制备样品，原材料316L不锈钢粉末粒度为15〜53^m,样品增材制造过程如图1所示°加工时，刮刀在工作平台上（X-Y平面）均匀地铺上一层薄薄的金属粉末,高能激光束在系统的控制下，按照预设好的零件分层轮廓选区熔化、凝固成型，当前一层粉末烧结完成后，工作平台自动下降一个层厚的距离，重复铺粉、熔化、烧结。

如此不断地反复循环，直至整个模型加工完毕°3D打印设备相关技术参数如表1所示°
号激光
）激光扫描成
形后的区域-一--316L/
图1激光增材制造过程示意
表1HBD-280金属激光3D打印设备技术参数
参数参数值
平台尺寸250mmx250mmx300mm
激光功率500W
扫描速度W7000mm/s
铺粉层厚30〜120|±m
环境温度20〜26°C
相对湿度W40%
实验制备的样品尺寸X向、Y向、Z向分别为30、10、15mm,X-Y方向为铺粉方向，Z方向为熔融沉积方向°实验设置4种不同激光功率制备316L 不锈钢增材制造样品，工艺参数如表2所示。

增材制造在原理上类似于堆焊，随着激光功率的不断增大,金属粉末吸收更多的热量熔化，热量的增加导致熔池温度升高，反应加剧。

研究发现，存在一个理想的工艺窗口，使增材制造材料内部几乎无气孔、裂纹等缺陷°但是当激光熔化温度过高时，熔池会产生严重变形，缺陷数量反而增多，从而导致样品成型质量下降［8-9］。

图2中的A、B、C和D为实验制备的增材制造样品实物，通过观察可以看出样品表面已经逐渐出现“黑化”现象，说明增材制造激光功率已经超出了最佳工艺窗口范围°
表2样品打印工艺参数
样品编号激光功率/W扫描速度/（mm-s-1）铺粉层厚/岬A200100030
B250100030
C300100030
D350100030
图2316L不锈钢增材制造样品
2激光超声无损检测系统
激光超声检测系统总体如图3所示，它由超声激发系统、超声探测系统和信号采集分析系统三部分组成°超声激发系统即脉冲激光器，可以产生纳秒级激光脉冲，作用于试件上用于激发超声波；超声探测系统是激光超声信号的接收装置，由激光测振仪发射并接收探测激光，来捕捉试件上的超声信号；信号采集分析系统包括示波器及相关控制分析软件°
图3激光超声检测系统示意
根据激光脉冲能量、功率密度的不同，激光超声检测可以通过热弹机制和融蚀机制来实现°脉冲激光器发射一束激光脉冲，照射在增材制造样品表面，当激光的能量密度低于材料表面的损伤阈值（金属材料的损伤阈值一般是107W/cm2）时,材料表面不会被烧蚀。

此时，
样品表面吸收脉冲激光的能量产生瞬
・88•机床与液压第49卷
态热场，由于局部热膨胀效应使得热能转化为机械能并以超声脉冲的形式在样品中传播，从而达到对样品的无损检测。

如图4所示，声表面波沿样品表面传播，体波(纵波、横波)沿样品内部传播[10]o
图4激光超声原理示意
实验室搭建的激光超声无损检测系统如图5所示。

激光器选用Beamtech公司Nimma-400型Nd：YAG脉冲激光器，主要参数指标如表3所示。

测振仪采用TWM-532型激光超声测振仪,示波器采用Tektronix公司MDO3024型混合域示波器。

文中实验选用580V电压、532nm激光脉冲作为激励,超声信号采样频率为250MHz。

图5激光超声实验系统
表3Nimma-400型脉冲激光器技术指标
激光最大输重复脉冲能量发散指向Jitter光束波长/出能频率/宽度/稳定角/性/值/直径/ nm量/mJ Hz ns度/%mrad|±rad ns mm
10644501〜10W10W1W0.6<30W108 5322501〜10W10W2W0.6<30W108
3实验与分析
为测量316L不锈钢增材制造材料的表面波声速,将打磨抛光后的样品装夹在二维精密移动平台上，激光脉冲和探测激光垂直照射到样品同侧。

实验方法如图6所示，通过调节光学仪器(三棱镜、柱透镜),使脉冲激光汇聚成线源。

线光源激发的超声信号振幅比点光源大得多，且信号稳定性更高，不会随着探测点距离的增大出现大幅衰减的情况，可以有效提高激光超声信号的信噪比。

将探测激光焦点与脉冲激光线源中心重合，标记为样品检测的原点。

始终保持探测激光位置不变，调节二维精密移动平台，使样品沿X 向的反方向移动d距离，再次调整光学仪器位置，使脉冲激光重新照射回原点位置，此时探测激光与脉冲激光的位移记为L,易得L=d,即二维移动平台的位移等于脉冲激发点和探测点之间的距离。

重复上述过程，可采集多组位移下的激光超声表面波信号。

图6表面波测量方法示意
针对增材制造样品A(激光功率200W),在铺粉方向(X-Y方向)上进行表面波测速。

图7(a)为探测点距激光脉冲2mm位移下的表面波原始信号，可以观察到表面波传播到激光探测点时电压信号会出现一个明显的波峰。

图7(b)为一维中值滤波后的表面波信号，选取的滤波器窗口长度W=7o通过对比可以看出，中值滤波对信号噪点有良好的滤除作用，特别是在滤除孤立噪声点的同时，能够较好地保留信号的边缘轮廓特征，使之不被模糊。

图7(c)—图7(f)分别为信号探测点距脉冲激励点4、6、8、10mm的中值滤波信号，随着探测点与激励点之间位移的增大，波峰到达的时间也逐渐推迟。

由于表面波信号到达时出现的波峰形状各异且时间跨度较大，直接提取特征点作为时间估计误差较大。

为提高采样信号的时延估计精度，利用互相关函数对表面波信号进行相关度匹配[11]o互相关函数公式为
N
R5)二工/1(k)/2(k+n)(1)
k-0
式中：兀和人分别为2个不同位移处的表面波信号; R(n)为互相关函数值；N为表面波的采样点总数；n 为2个表面波之间的位移点数。

随着两信号之间不断地时移相乘，互相关函数在取得最大值处的时间延迟T,即为表面波在2个信号间传播的最佳时间估计。

以图7(b)表面波信号作为初始信号,分别与图7(c)—图7(f)的表面波信号进行互相关计算,得到的互相关函数如图8所示。

互相关函数值大小代表两信号的相关程度，数值越大则相关程度越高，信号匹配越准确。

已知图8(a)一图8(d)
的信号间
第3期周凯等：不锈钢增材制造件的激光超声表面波声速研究89・
隔距离△厶分别为2、4、6、8 mm,互相关函数值最表4 A 样品铺粉方向(X-y 方向)表面波传播距离-时延
大值点对应的表面波时延结果如表4所示。

信号间隔距离/mm 2
(a)原始表面波信号
6
468
表面波时延/戶
0.696
1.364
2.056 2.712
时间/pis
(b)中值滤波后表面波信号
激励点与探测点距离为 2 mm 葩申植疲菠信号
时间/|1S
根据表4的4组表面 波传播距离-时延实验结
果， 为了准确得到表面波 的传播速度，利用最小二
乘法对实验数据进行线性
拟合，如图9所示，通过 最小化误差的平方和来寻
找数据的最佳函数匹配， 得到表面波的传播速度。

最佳匹配直线模型为
△厶二 2. 967 1t — 0. 064 8
式中：△厶为两信号间隔距离；延T 前的系数则为表面波的传播速度，所以增材制造 样品A (激光功率200 W)在铺粉方向(X-y 方向)
上表面波传播速度为2. 967 1 km/s,即2 967. 1 m/s 。

在熔融沉积方向(Z 方向)上重复进行实验, 通过互相关函数计算得到表面波传播距离-时延数据 结果如表 5 所示。

图9A 样品铺粉方向表
面波间隔距离-时 延线性拟合结果
T (2)
为表面波时延。

时
(c)中值滤波后表面波信号 激励点与探测点距离为 4mm 的中值滤波信号
(e)中值滤波后表面波信号
激励点与探测点距离为 8mm 的中值滤波信号
(d)中值滤波后表面波信号 激励点与探测点距离为 6 mm 葩审植菠菠信号
(f)中值滤波后表面波信号
激励点与探测点距离为 10 mm 的申値疲波信号
表5 A 样品沉积方向(Z 方向)表面波传播距离—时延信号间隔距离/mm 2 4
6 8
表面波时延/戶
0.712 1.412
2.088
2.764
图7 316L 不锈钢增材制造A 样品铺粉方向(X — y 平
面)表面波信号及中值滤波后表面波信号激
励点与探测点距离不同时的中值滤波信号
(a)图7(b)与图7(c)表面波
信号互相关计算结果(b)图7(b)与图7(d)表面波
信号互相关计算结果
通过最小二乘法线性
拟合，如图10所示，得到 表面波在沉积方向上的传 播速度为2 927.2 m/s 。

比
较图9和图10可知：表面
波在316L 增材制造样品不 同成型方向上的速度存在
差异， 在铺粉方向上的传 播速度大于沉积方向上的 传播速度。

表面波时延/|LIS
图10 A 样品沉积方向表
面波间隔距离-时
延线性拟合结果
(c)图7(b)与图7(e)表面波
信号互相关计算结果(d)图7(b)与图7(f)表面波
信号互相关计算结果
图8表面波信号互相关函数图像
同样，针对增材制造样品B 、C 和D,分别测量
不同成型方向上的激光超声表面波声速，归总4种不 同激光功率下制备的316L 不锈钢增材制造样品表面
波测速实验结果如表6所示。

不同激光功率、成型方 向上样品表面波速度如图11所示，可知：316L 不锈 钢增材制造材料随着激光功率的增大，不同成型方向
上的表面波声速均呈下降趋势，这是由于激光功率的 变化导致增材制造样品成型质量的差异， 所以表面波
声速的大小与增材制件成型质量的高低紧密相关。

同
一激光功率下制备的样品， 铺粉方向上的表面波声速
始终大于沉积方向上的声速。

从增材制造的成型过程 分析，零件是一层一层“堆积”制造而成的，
材料
・90・机床与液压第49卷
组织结构上的层与层之间会出现晶界，晶粒间晶格取
向不一致，位错滑移严重[12],导致表面波在沉积方
向上传播速度相对较慢。

在铺粉方向上，由于激光一
次扫描成型，晶粒间的取向一致，有效避免了晶界的
产生，材料致密性更好，表面波声速传播相对较快。

表6增材制造样品表面波声速实验结果
样品激光功铺粉方向表面波沉积方向表面波率/w声速/(m•s-1)声速/ (m^s-1)
A2002967.12927.2
B2002923.72861.2
C3002838.52823.9
D3502832.42793.2
(
I
S
U
I
m
'
^
K
^
M
^
150200250300350400
激光功率/W
图11不同激光功率、成型方向上样品表面波速度
4结束语
本文作者搭建了激光超声测量平台，并利用激光超声无损检测技术对不锈钢增材制造件进行测试。

实验结果表明：在同一成型方向上的表面波声速与材料成型质量存在紧密关联。

材料成型过程中使用不同的激光功率可导致不同的成型质量，在文中实验中所使用的功率区间内(200〜350W),激光功率越高，表面波声速越低。

对于同一不锈钢增材制造件，不同成型方向上表面波声速也不同，具有各向异性，且沿铺粉方向上的表面波声速大于沉积方向上的声速。

本文作者揭示了不同激光功率下制备的不锈钢增材制造材料在不同成型方向上的表面波声速特征，为研究增材制造材料的声学特性提供了重要参考。

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(责任编辑：张楠)。