一种激光增材制造零件内部三维残余应力的测试方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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（L0M)、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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -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：
[0008] (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；
[0009] (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：
[0010] yax = 0. 0188χ3-0. 3174χ2+1. 9333χ-3. 3181 (I)
[0011] yay = 0· 0223χ3-0· 3607χ2+2· 0799χ-3· 5101 (2)
[0012] 式中：χ为钻孔的层数，yax为χ方向的残余应力补偿系数，yay为y方向的残余应 力补偿系数；
[0013] (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；
[0014] (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。
[0015] 上述步骤（1)中所述去应力热处理工艺是升温至750°C保温4小时，然后炉冷至室 温。
[0016] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0017] (1)测量精度高
[0018] 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。
[0019] (2)测量成本低，适于工业应用
[0020] 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。
[0021] (3)可测量零件内部三维残余应力
[0022] 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