[發明專利]一種基于電聲效應的電子束增材制造原位檢測方法和裝置

在審

• 申請號: 201810993529.6
• 申請日: 2018-08-29
• 公開（公告）號: CN109001239A
• 公開（公告）日: 2018-12-14
• 發明（設計）人: 趙偉霞;劉俊標;馬玉田;殷伯華;韓立;牛耕
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: G01N23/203
• 分類號: G01N23/203;G01N23/2251;G01N29/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

本發明公開了一種基于電聲效應的電子束增材制造原位檢測方法和裝置，屬于增材制造技術領域。利用脈沖電子束與工件表面相互作用后獲得工件表面形貌特征，同時脈沖電子束與工件表面相互作用后產生的熱波沿工件表面向工件內部傳導形成聲波，通過在工件下方增加換能器接收聲波實現電聲信號探測，獲得工件內部分層結構特征；所述檢測裝置包括二次電子或背散射電子檢測系統、電聲信號檢測系統、電聲信號檢測系統、信號發生器和數字掃描發生器。利用本發明提供的方法和裝置用于檢測增材制造過程中工件的表面形貌特征和內部分層結構特征，監控制造品質；所述檢測裝置尺寸小，結構簡單，耦合性好，不會額外增加成本和復雜性。

技術領域

本發明屬于增材制造技術領域，特別是涉及一種基于電聲效應的電子束增材制造原位檢測方法和裝置。

背景技術

增材制造技術，又稱3D打印技術，采用計算機設計三維數字模型，利用高能束將材料熔為一體，通過逐層累加的方式實現實體零件制造，是一項革命性的綠色智能制造技術。以電子束為能量源的增材制造技術具有能量密度高、掃描速度快、加工材料廣泛、無反射、真空環境無污染及運行成本相對較低等優點，不僅原料利用率高，還可制造出復雜形狀結構零部件，在航空航天、軍工、汽車、再生醫學等領域具有廣泛的應用前景(參考文獻[1]Thierry Raynaa,Ludmila Striukovab,From rapid prototyping to home fabrication:How 3D printing is changing business model innovation[J],TechnologicalForecasting and Social Change,2016(102):214-224)。電子束增材制造零件的成形質量涉及到材料快速熔化和凝固等快速相變過程，是電子束與金屬材料之間相互作用的結果。在電子束加熱下，金屬零件由金屬粉末瞬間熔化和快速冷卻，逐點疊層沉積而成。由于熱源迅速移動，成形部位的溫度隨時間和空間急劇變化，往往會同時存在凝固收縮應力和組織應力。在上述幾種應力的綜合作用下，成形零件容易發生變形甚至開裂(參考文獻[2]湯慧萍，王建，逯圣路等，電子束選區熔化成形技術研究進展[J]，中國材料進展，2015，34(03)：049-59)。如果金屬相變過程發生異常，則成形過程容易出現孔洞和熔合不良等缺陷，從而影響零件的綜合質量。因此對電子束增材制造快速相變過程進行實時在線檢測、保證成形零件質量十分必要。

目前電子束增材制造技術的檢測手段主要采用CCD(電荷耦合器件)攝像頭來檢測金屬材料的表面形貌。由于加熱區域溫度高，CCD攝像頭無法近距離檢測，因此檢測分辨率有限，無法獲取確切的位置信息，影響了加工精度；同時由于采用熱熔融加工技術，加工物質的蒸發物容易污染CCD攝像鏡頭，需要經常清理或更換。另外，CCD攝像頭只能檢測材料表面形貌，無法檢測成形零件內部的缺陷。基于CCD攝像頭的檢測技術精度不高、壽命短，而且檢測效果有限，因此針對電子束增材制造成形過程中提高制造品質的要求，需要發展一種新的在線檢測技術，能夠對加工零件的表面形貌和內部微觀結構進行實時原位無損檢測。

常見的無損檢測手段主要有X射線CT檢測技術和超聲無損檢測技術兩種。但是對于電子束增材制造，如果采用X射線CT檢測技術，大尺寸金屬樣品需要極強的射線強度，相應設備的成本和復雜性都會大幅提高；而應用超聲無損檢測技術時則存在與電子束加工部件之間產生機械干涉的問題，其中聲源和探測器與待測零部件間難以在加工過程中耦合，從而使得實時測量的精度和分辨率難以達到要求。

發明內容

本發明針對電子束增材制造工藝中對工件質量檢測的重大需求以及在現有的加工過程中缺乏有效檢測手段的現狀，提出一種利用電子束增材制造的脈沖電子束同時檢測工件表面形貌特征和工件內部分層結構特征的實時原位在線檢測方法和裝置，以實現對于電子束增材制造加工過程的閉環控制和成形過程的質量監控，具體是指一種基于電聲效應的電子束增材制造原位檢測方法和裝置。

本發明首先提供的一種基于電聲效應的電子束增材制造原位檢測方法，具體步驟如下：

步驟一、利用電子槍發射預掃描電子束；