激光增材制造汽車零部件超聲無損檢測(cè)技術(shù)研究及應(yīng)用

摘 要：激光增材再制造，是制造零件的一種先進(jìn)方法。然而，該過程中可能產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力和裂紋等缺陷，對(duì)其應(yīng)用范圍構(gòu)成了限制。超聲檢測(cè)技術(shù)，利用聲波在材料中的傳播特性來識(shí)別內(nèi)部缺陷，以其快速、高靈敏度和廣泛的適用性，在汽車零部件的激光增材再制造質(zhì)量檢測(cè)中扮演著關(guān)鍵角色。本文綜合分析了國內(nèi)外在激光增材再制造汽車零部件超聲檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：激光增材 汽車零部件 無損檢測(cè)技術(shù)

1 緒論

在當(dāng)今工業(yè)制造領(lǐng)域，增材制造技術(shù)正迅速嶄露頭角，成為最具創(chuàng)新力和發(fā)展前景的技術(shù)之一。這種技術(shù)與依賴材料削減的傳統(tǒng)機(jī)械加工方法形成鮮明對(duì)比，以其快速成型、無需特定模具、高度的適應(yīng)性以及對(duì)材料和設(shè)計(jì)限制的低依賴性等優(yōu)勢(shì)，在汽車、醫(yī)療、電子、國防和航空航天等多個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。增材制造技術(shù)能夠生產(chǎn)幾乎所有的三維形狀，減少對(duì)模具的依賴，縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，因此被視為一種高效的輕量化制造解決方案。通過充分利用增材制造的靈活性，可以優(yōu)化材料布局，既滿足性能需求又減輕部件重量；同時(shí)，通過將多個(gè)組件集成，減少組件數(shù)量，降低復(fù)雜性帶來的風(fēng)險(xiǎn)和成本，減少因連接問題導(dǎo)致的故障，實(shí)現(xiàn)組件的重量減輕。這些優(yōu)勢(shì)使增材制造技術(shù)能夠幫助汽車行業(yè)更好地適應(yīng)市場和技術(shù)發(fā)展的需求，推動(dòng)制造業(yè)向數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型。例如，寶馬公司利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)汽車零部件，如發(fā)動(dòng)機(jī)配件和懸掛系統(tǒng)部件，這不僅提高了生產(chǎn)效率，還降低了成本。此外，增材制造技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用還包括定制化汽車設(shè)計(jì)、汽車原型制造以及輕量化汽車制造，這些都展示了增材制造技術(shù)在汽車行業(yè)的廣泛應(yīng)用和潛在價(jià)值。增材制造技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用主要分為研發(fā)和生產(chǎn)兩個(gè)階段。在研發(fā)階段，傳統(tǒng)的手工樣品制作和模具設(shè)計(jì)過程耗時(shí)且成本高昂，而一些領(lǐng)先的汽車制造商已經(jīng)開始采用增材制造技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)；在小批量生產(chǎn)階段，面對(duì)薄壁和復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部件，傳統(tǒng)制造工藝往往力不從心，而增材制造技術(shù)憑借其精確的局部成型能力，展現(xiàn)出在復(fù)雜部件制造上的巨大潛力，其應(yīng)用前景被廣泛看好[1-3]。

增材制造技術(shù)以其在減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和制造成本上的顯著優(yōu)勢(shì)，贏得了業(yè)界的普遍關(guān)注。然而，作為一種較新的制造技術(shù)，增材制造在理論探索和技術(shù)成熟度上與傳統(tǒng)的切削、鍛造和鑄造技術(shù)相比還有一定差距，仍有一些問題尚未得到完全解決。特別是在使用激光選區(qū)熔融技術(shù)制造大型結(jié)構(gòu)件時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力問題，這些問題可能導(dǎo)致構(gòu)件失效。此外，由于增材制造涉及局部熔化、凝固和逐層堆積的特殊工藝，這可能導(dǎo)致在金屬打印過程中形成粗大的柱狀晶粒和打印缺陷，如氣孔和裂紋。鑒于增材制造與傳統(tǒng)制造和鍛造在生產(chǎn)工藝上的差異，為了確保產(chǎn)品的成型質(zhì)量，有必要對(duì)增材制造件進(jìn)行專門的檢測(cè)方法研究。

無損檢測(cè)技術(shù)是工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它能夠在不破壞被檢測(cè)產(chǎn)品的前提下，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行各種檢測(cè)和評(píng)估，以發(fā)現(xiàn)其中存在的缺陷和問題。無損檢測(cè)技術(shù)是基于現(xiàn)代科學(xué)的檢測(cè)手段，它能夠在不破壞或不改變被檢測(cè)對(duì)象的理化狀態(tài)的前提下，對(duì)物體的內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和狀態(tài)進(jìn)行高靈敏度和高可靠性的檢查和測(cè)試。這種技術(shù)的應(yīng)用旨在評(píng)估產(chǎn)品的連續(xù)性、完整性、安全性以及其他性能指標(biāo)，對(duì)于確保工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和性能至關(guān)重要。在眾多的無損檢測(cè)技術(shù)中，射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、滲透檢測(cè)和超聲檢測(cè)等方法被廣泛應(yīng)用。其中，超聲檢測(cè)因其廣泛的適用性和高效性而成為主流選擇。激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用已擴(kuò)展到多個(gè)領(lǐng)域，例如材料涂層中的缺陷檢測(cè)，以及高溫陶瓷、金屬、復(fù)合材料檢測(cè)等[4]。無損檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著不可或缺的作用，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍和效果也在不斷提高，預(yù)期在未來將在工業(yè)生產(chǎn)中扮演更加重要的角色。

超聲無損檢測(cè)技術(shù)作為一種成熟的檢測(cè)手段，在工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量控制中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，對(duì)于確保產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性具有重要意義。這種技術(shù)包括多種方法，如射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、滲透檢測(cè)等，其中超聲檢測(cè)因其廣泛的適用性和高效性而成為主流選擇。超聲檢測(cè)技術(shù)利用超聲波在材料中的傳播特性，通過反射、折射或衰減等現(xiàn)象來判斷物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)完整性和缺陷位置。這種技術(shù)不僅非破壞性，而且能夠快速、準(zhǔn)確地提供檢測(cè)結(jié)果，因此在制造業(yè)、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[5-6]。

超聲檢測(cè)技術(shù)依據(jù)超聲波在材料中的傳播特性，如反射、透射、散射和衰減，來識(shí)別材料內(nèi)部的缺陷或損傷，具有靈活性、強(qiáng)穿透力、廣覆蓋范圍、高靈敏度和準(zhǔn)確定位缺陷等優(yōu)點(diǎn)。盡管超聲無損檢測(cè)技術(shù)因其廣泛的適用性和高效性而成為主流選擇，但傳統(tǒng)方法在實(shí)際應(yīng)用中面臨一些挑戰(zhàn)。例如，傳統(tǒng)超聲檢測(cè)通常需要使用耦合劑來連接探頭與工件，這不僅增加了操作的復(fù)雜性，還可能對(duì)某些材料表面造成化學(xué)污染。此外，這種方法對(duì)材料表面狀況有較高要求，不適用于表面粗糙或不規(guī)則的工件，限制了其在高溫、高壓或復(fù)雜曲面環(huán)境下的應(yīng)用。這些問題導(dǎo)致了檢測(cè)效率的降低，以及在某些情況下可能出現(xiàn)的漏檢或誤檢。隨著技術(shù)的進(jìn)步，激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)因其高分辨率、寬頻帶和非接觸性等優(yōu)勢(shì)，為金屬增材制造件的無損檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)估提供了新的解決方案。激光超聲技術(shù)能夠產(chǎn)生窄脈沖，具有高時(shí)間和空間分辨率，適合于在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，尤其是在復(fù)雜形狀制件的檢測(cè)中顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在增材制造領(lǐng)域，超聲無損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提升成品質(zhì)量，降低由缺陷引起的故障風(fēng)險(xiǎn)，并且檢測(cè)數(shù)據(jù)還能用于反饋和材料表征，優(yōu)化制造過程，并確定特定產(chǎn)品的操作窗口材料系統(tǒng)和增材制造方法。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)無損檢測(cè)技術(shù)的需求也在不斷增長，特別是在大型化、復(fù)雜化的制件檢測(cè)中，新型無損檢測(cè)技術(shù)如激光超聲、CT檢測(cè)等將發(fā)揮越來越重要的作用[7]。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，我國在激光增材再制造汽車零部件的超聲無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展。研究人員通過深入探究不同種類的超聲波探頭、信號(hào)處理技術(shù)和缺陷識(shí)別算法，開發(fā)了一系列高效的超聲無損檢測(cè)技術(shù)。這些技術(shù)不僅在理論上有所突破，而且在實(shí)際應(yīng)用中也得到了驗(yàn)證，證實(shí)了其在激光增材再制造汽車零部件檢測(cè)中的有效性[5]。通過結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，研究人員探索了激光增材再制造零件的缺陷定位、定性和定量超聲無損評(píng)估方法，利用超聲波無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)激光增材再制造汽車零部件的缺陷及應(yīng)力進(jìn)行了評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了評(píng)估結(jié)果的定量化和可靠性的提升。我國在激光增材再制造汽車零部件超聲無損檢測(cè)技術(shù)方面雖然取得了一定的進(jìn)展，但仍需在缺陷識(shí)別算法、系統(tǒng)集成、新型技術(shù)應(yīng)用以及定量化和圖像化等方面進(jìn)行更深入的研究，以推動(dòng)該技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

增材制造技術(shù)在金屬構(gòu)件的生產(chǎn)中扮演著越來越重要的角色，對(duì)材料加工的精度和力學(xué)性能有著極高的標(biāo)準(zhǔn)。無損檢測(cè)技術(shù)因此成為確保這些金屬構(gòu)件質(zhì)量的關(guān)鍵工具，它能夠提供關(guān)于缺陷的尺寸、位置和幾何特征的詳細(xì)信息。超聲無損檢測(cè)技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中的重要性不言而喻，它對(duì)于確保產(chǎn)品性能和穩(wěn)定性發(fā)揮著關(guān)鍵作用。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光和相控陣技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件的高精度、高靈敏度監(jiān)控，以及高質(zhì)量的成像，這已成為高端制造業(yè)和檢測(cè)領(lǐng)域的主要趨勢(shì)。超聲無損檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其是結(jié)合現(xiàn)代技術(shù)如計(jì)算機(jī)、激光和相控陣技術(shù)，為高端制造業(yè)和檢測(cè)領(lǐng)域提供了高精度、高靈敏度的監(jiān)控和成像解決方案。隨著技術(shù)的進(jìn)步，特別是激光超聲無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，未來的工業(yè)檢測(cè)將更加高效和精確。與此同時(shí)，激光無損檢測(cè)技術(shù)以其高分辨率、非接觸性和強(qiáng)大的抗干擾能力，能夠在高溫環(huán)境中工作，無需耦合劑，非常適合復(fù)雜表面和結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。無損檢測(cè)技術(shù)在增材制造金屬構(gòu)件的質(zhì)量控制中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，未來的研究和發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)這些技術(shù)的應(yīng)用，以滿足增材制造領(lǐng)域?qū)Ω呔群透呖煽啃詸z測(cè)的需求[8]。

國內(nèi)研究人員和企業(yè)界正積極推進(jìn)超聲無損檢測(cè)技術(shù)在激光增材再制造領(lǐng)域的研究與實(shí)踐。為了應(yīng)對(duì)激光增材再制造零件的復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，開發(fā)了多種類型的超聲波探頭，如錐形、球形和扁平形，以滿足多樣化的檢測(cè)需求。在信號(hào)處理領(lǐng)域，運(yùn)用了包括傅里葉變換、小波變換和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的多種先進(jìn)算法，以增強(qiáng)缺陷信號(hào)的識(shí)別和分析能力。通過構(gòu)建缺陷特征數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合支持向量機(jī)和深度學(xué)習(xí)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提升了對(duì)激光增材再制造零件內(nèi)部缺陷的識(shí)別準(zhǔn)確度。國內(nèi)研究人員和企業(yè)正在開發(fā)集成了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和缺陷評(píng)估功能的超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)，并在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)流程的自動(dòng)化和智能化[9]。通過這些努力，國內(nèi)研究人員和企業(yè)在超聲無損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展，為激光增材再制造汽車零部件的質(zhì)量控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，并推動(dòng)了該技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 國外研究現(xiàn)狀

相較于國內(nèi)，國外在激光增材再制造汽車零部件的超聲無損檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域起步更早，已經(jīng)發(fā)展出多種有效的檢測(cè)方法。國外研究人員通過深入研究超聲波探頭、信號(hào)處理技術(shù)和缺陷識(shí)別算法，提出了一系列創(chuàng)新的超聲無損檢測(cè)方案。例如，一些國外研究機(jī)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了利用超聲無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)汽車零部件內(nèi)部缺陷的檢測(cè)與評(píng)估。此外，國外高校也在激光增材再制造汽車零部件的超聲無損檢測(cè)技術(shù)方面提出了基于超聲信號(hào)的缺陷識(shí)別新方法。此外，英國焊接研究所（TWI）與合作伙伴共同開發(fā)了激光增材修復(fù)技術(shù)，旨在提升車軸的使用壽命并降低報(bào)廢率，該項(xiàng)目成功證明了激光增材修復(fù)技術(shù)在列車車軸上的應(yīng)用可行性，并驗(yàn)證了修復(fù)層的性能。

國外在激光增材再制造汽車零部件的超聲無損檢測(cè)技術(shù)研究中，特別注重缺陷識(shí)別算法的開發(fā)和系統(tǒng)集成的優(yōu)化。相較于超聲波探頭的設(shè)計(jì)，這些領(lǐng)域的研究更為深入和廣泛。近年來，國外學(xué)者對(duì)金屬增材制造缺陷的超聲無損檢測(cè)方法進(jìn)行了大量研究，取得了一系列成果。研究表明，激光超聲技術(shù)在檢測(cè)增材制造構(gòu)件的內(nèi)部缺陷方面具有高靈敏度和高分辨率，能夠識(shí)別尺寸小至0.15至0.5毫米、深度至0.7毫米的缺陷。國外在超聲無損檢測(cè)技術(shù)的研究，特別是在缺陷識(shí)別算法和系統(tǒng)集成方面，已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展。這些研究成果不僅推動(dòng)了超聲無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，也為金屬增材制造部件的質(zhì)量控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持[10-12]。

國外研究人員在超聲波探頭技術(shù)方面取得了突破，開發(fā)出能在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作的探頭，以及實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)的微型探頭。在信號(hào)處理領(lǐng)域，國外研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出實(shí)時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)，能夠迅速分析檢測(cè)到的信號(hào)，快速識(shí)別缺陷。此外，國外研究人員利用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等，提高了對(duì)激光增材再制造零件缺陷的智能識(shí)別水平。多個(gè)國外研究機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)將超聲無損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于激光增材再制造汽車零部件的生產(chǎn)中，顯著提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過這些努力，國外在激光增材再制造汽車零部件超聲無損檢測(cè)技術(shù)的研究與應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展，為該技術(shù)的發(fā)展提供了重要的支持。

4 結(jié)論

超聲無損檢測(cè)技術(shù)在激光增材再制造領(lǐng)域扮演著至關(guān)重要的角色，它能夠精確地檢測(cè)出增材制造過程中可能產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力和裂紋等缺陷，從而保障再制造零部件的質(zhì)量和性能?？v觀國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，超聲無損檢測(cè)技術(shù)在激光增材再制造汽車零部件的質(zhì)量與性能檢測(cè)方面已取得一定成就，但仍面臨挑戰(zhàn)和問題。未來研究需進(jìn)一步優(yōu)化超聲波探頭設(shè)計(jì)，提升信號(hào)處理和缺陷識(shí)別算法的精確度，并實(shí)現(xiàn)超聲無損檢測(cè)系統(tǒng)的集成與自動(dòng)化，以促進(jìn)激光增材再制造技術(shù)在汽車零部件制造中的廣泛應(yīng)用。綜上所述，無論是在國內(nèi)還是國外，激光增材再制造汽車零部件的超聲無損檢測(cè)技術(shù)都在不斷地發(fā)展進(jìn)步，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟，預(yù)期在未來該技術(shù)將在汽車制造等行業(yè)中得到更加廣泛的應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：湖北省市場監(jiān)督管理局科技計(jì)劃項(xiàng)目（Hbscjg-kj201906）。

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