具体实施方式

下面结合附图1-8，对本发明具体实施方式作详细说明。

本发明提供一种用于激光增材连接区水浸超声无损检测工艺制定方法，其具体步骤如下：

步骤一：根据激光增材焊接件形状、尺寸和缺陷分布规律分析，确定超声入射方向和检测面；

1)工件缺陷规律分析。分析并明确激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度或送丝速度等激光增材焊接工艺参数以及固溶时效处理对激光增材连接区质量影响规律，梳理总结缺陷特征规律，包括缺陷类型、位置、走向以及尺寸等。

2)在缺陷规律分析的基础上，以声入射方向与缺陷主反射面垂直的原则，结合工件形状，选择工件检测面和超声入射方向。

步骤二：在确定超声入射方向和检测面基础上，获知激光增材焊接件待检厚度；

步骤三：利用模拟仿真软件根据步骤一中激光增材焊接件形状、尺寸及其中缺陷特征规律，建立仿真模型；仿真模型包括无缺陷仿真模型和含有步骤一中缺陷分布规律的有缺陷仿真模型；

零部件缺陷超声检测建模。根据激光增材焊接件形状、尺寸及其中缺陷特征规律，利用模拟仿真软件建立无缺陷仿真模型以及含有不同埋深位置的平底孔、横孔、槽等缺陷的超声检测仿真模型。模型材料类型、密度、均匀性、横纵波声速、横纵波衰减、噪声等相关参数与被测工件相同或相近。

步骤四：在无缺陷仿真模型上，进行声场仿真模拟，得出所需探头或探头组合有效声场覆盖的深度范围，确定适合的探头或探头组合；

通过探头声场和缺陷响应仿真分析，研究确定可使探头有效声场范围覆盖整个工件待检厚度的探头参数和水距；

探头参数及水距仿真确定:根据已有探头及探头参数，进行探头声场和缺陷响应模拟，分析单探头或多探头组合下其有效声场范围是否可覆盖整个工件待检厚度，缺陷检测灵敏度是否满足检测需求。若仿真分析表明，已有探头或探头组合满足要求，即可确实检测探头参数和检测水距；若已有探头无法满足需求，需增加探头或修改探头参数重新进行仿真分析，直至满足需求，进而确定探头参数和水距，据此进行探头研制。

超声探头设计与制作：若已有的商业探头和楔块无法满足检测需要，根据激光增材连接区检测需求以及仿真所确定的探头晶片、频率和焦距参数，设计制作相应的超声探头。

超声声场仿真分析。在无缺陷仿真模型上，根据已有探头的晶片尺寸、频率和焦距参数设置探头模型和水距，进行声场仿真模拟，确定各探头有效声场覆盖的深度范围。如果已有探头或探头组合的有效声场范围覆盖工件待检厚度，可进一步进行缺陷响应仿真；而当已有探头或探头组合的有效声场范围无法覆盖工件待检厚度，需要改变探头参数，进行声场仿真模拟，直至探头或探头组合的有效声场范围覆盖工件待检厚度。

步骤五：在有缺陷仿真模型上设置扫查方向、步进方向和扫查间距参数，利用步骤四确定的适合的探头或探头组合开展缺陷检测仿真模拟，当模型中各缺陷可有效被检出且灵敏度满足要求时，探头或各个组合探头参数和水距作为初步确定的检测工艺参数；

缺陷超声响应仿真分析。在上述仿真基础上，设置扫查方向、步进方向和扫查间距参数，利用有效声场范围覆盖工件待检厚度的探头或探头组合开展缺陷检测仿真模拟。其中，扫查间距不大于声束直径的二分之一。当模型中各缺陷可有效被检出且灵敏度满足要求，探头或各个组合探头参数和水距为初步确定的检测工艺参数。

步骤六：根据激光增材连接区检测要求、材质和缺陷特征规律，结合仿真模型以及模拟检测结果，设计制作超声检测专用对比试块；

利用以上确定的检测工艺和检测参数在对比试块和实际工件上进行缺陷检测试验，评估人工缺陷和实际缺陷检测效果；

对比试块设计与制作。根据激光增材连接区检测要求以及材质和其中缺陷特征规律，结合仿真模型以及模拟检测结果，设计制作超声检测专用对比试块。对比试块将作为判定该产品经超声检测是否合格的依据，并用于调整超声检测中声速和检测灵敏度等。对比试块的材质与被测工件相同，或其声速、声衰减和声阻抗等声学参数与被测件材质相近；对比试块形状尽可能简单，相对于工件被检部位具有代表性；对比试块中人工缺陷特征应根据被检测对象缺陷规律进行确定。

步骤七：采用初步确定的检测工艺参数，在对比试块上进行超声检测试验，分析人工模拟缺陷的检测效果，将检测得到的包括人工模拟缺陷位置、回波信号强度、当量尺寸参数与缺陷响应仿真获得的参数进行比较，计算二者的偏差，通过分析偏差产生原因对初步确定的检测工艺参数进行相应优化，得到优化后的检测工艺参数；

若缺陷检测灵敏度和信噪比满足检测需求，可确定最终超声检测工艺和检测参数而若不满足检测需求，则需要重新进行工件分析和仿真分析，调整检测工艺和检测参数，直至满足实际工件缺陷检测结果满足要求。

检测工艺试验验证：人工模拟缺陷试验验证，采用模拟仿真获得的超声检测工艺参数，在对比试块上进行超声检测试验，分析人工模拟缺陷的检测效果，验证检测工艺的可行性；将检测得到人工模拟缺陷位置、回波信号强度、当量尺寸等参数与缺陷响应仿真获得的参数进行比较，计算二者的偏差，通过分析偏差产生原因对检测参数进行相应优化，以进一步提升检测工艺的可靠性，得到优化后的检测工艺参数。

步骤八：基于优化后的检测工艺参数，利用对比试块中人工缺陷调整超声检测灵敏度，对激光增材连接区进行超声检测，通过超声检测数据以及连接区断面分析，对优化后的检测工艺参数进一步验证；

实际缺陷试验验证。基于上述超声检测工艺相关参数，利用对比试块中人工缺陷调整超声检测灵敏度，对激光增材连接区进行超声检测。通过超声检测数据以及连接区断面分析，进一步验证超声检测工艺的实用性及可靠性。

步骤九：当模型中各缺陷可有效被检出且灵敏度满足要求，优化后的检测工艺参数确定为最终的检测工艺参数，完成激光增材连接区超声检测工艺制定。

在缺乏超声检测标准作为检测依据的情况下，利用本发明提供的水浸超声无损检测工艺制定方法，可确定出超声检测过程中探头参数和水距，有效解决增材制件因微观组织差异而导致的现有标准不适用的技术难点问题。

下面以典型TC11钛合金激光增材连接区超声无损检测工艺制定过程为例，结合附图，对本发明具体实施方式作详细说明。

本发明提供一种用于激光增材连接区超声无损检测工艺制定方法。图1给出了激光增材连接区超声检测工艺参数制定方法路线图，主要包括缺陷规律分析，缺陷检测模拟仿真，探头、楔块和对比试块研制、检测工艺试验验证四个流程。

步骤一：缺陷规律分析

通过查阅文献资料，并与激光增材焊接厂家联合研究发现，影响激光增材焊接件质量的主要影响因素有激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度或送丝速度等。制造工艺参数选用不恰当，激光增材连接区容易出现孔洞、裂纹、以及未焊透、未熔合等缺陷。其中，受激光功率过高或过低、扫描速度过快、扫描间距大或铺粉过厚等制造工艺影响以及其他偶然因素影响，工件极易存在夹杂、孔洞缺陷，在整个连接区内呈随机分布或带状分布，其尺寸从0.2mm至4mm不等；此外，连接区域存在未焊透和未熔合情况，发生概率较少，多呈片状形式分布于母材边界区域，尺寸较大。

待测工件为长方体结构，检测面为上、下、前、后四个面，超声入射方向垂直于各检测面。

步骤二：缺陷检测模拟仿真

1)零部件缺陷超声检测建模。

根据激光增材焊接件形状、尺寸及其中缺陷特征规律，利用CIVA超声仿真软件分别建立有缺陷和无缺陷的超声检测仿真简化模型。图为无缺陷时超声检测仿真模型示。模型尺寸为560×200×120mm。有缺陷模型中含有不同埋深的孔洞缺陷。图4a和4b中右下角图为含有缺陷的超声检测仿真模型。有无缺陷超声检测仿真模型材料的密度、声速和衰减系数与被测工件一致。

2)超声声场仿真分析。利用图2中无缺陷的仿真模型，对已有水浸聚焦探头声场进行仿真模拟，分析确定探头声场是否可有效覆盖工件待检厚度。四个探头参数分别为频率15MHz、焦距152mm、探头直径12.7mm、水距152mm，频率15MHz、焦距152mm、探头直径12.7mm、水距152mm，频率10MHz、焦距330.2mm、探头直径25.4mm、水距100mm，频率10MHz、焦距406.4mm、探头直径25.4mm、水距90mm。仿真中检测面为工件模型的上表面，耦合剂为水；在保证仿真计算精度前提下，为提高计算速度，采用2D计算模式，其计算精度为0.8。

图3a和图3b给出了两种不同探头参数下的声场模拟结果。探头参数分别为频率15MHz、焦距152mm、探头直径12.7mm、水距152mm和频率15MHz、焦距152mm、探头直径12.7mm、水距152mm，声束有效覆盖深度范围分别为[0,35]mm、[90,160]mm。同理，通过仿真可以获得频率10MHz、焦距330.2mm、探头直径25.4mm、水距100mm和频率10MHz、焦距406.4mm、探头直径25.4mm、水距90mm参数下的声场分布，声束有效覆盖深度范围分别为[20,70]mm、[50,110]mm。由此可知，在同时使用四个探头对工件进行超声检测，其声场可覆盖160mm厚度检测区域。若从工件正反两面进行检测，可覆盖工件厚度为320mm的检测区域。

3)缺陷超声响应仿真分析。在上述参数优化基础上，对不同埋深的缺陷进行超声检测仿真研究。扫查方向为模型长度方向，步进方向为模型宽度方向，扫查间距为1mm。图4a和图4b给出了两典型参数下的缺陷C扫描结果。由图中结果可见，使用频率15MHz、焦距152mm、直径12.7mm的探头，当水距为152mm时，可以较好的检测到埋深为10mm、20mm及30mm，当量为的三个平底孔缺陷，如图4a所示；使用频率10MHz、焦距508mm、探头直径25.4mm，在水距为90mm时，可以较好检测到埋深为80mm、105mm，当量为的两个平底孔缺陷，而由于埋深为50mm缺陷远超出声束覆盖范围，该缺陷检测效果较差。依次使用上述四种不同探头可以有效检测不同埋深的当量为缺陷，且检测分辨率和信噪比好，缺陷回波能量高，缺陷边缘清晰。

步骤三：超声探头和对比试块研制

1)超声探头设计与制作。由于现有的商业探头型号与仿真优化所得参数吻合，因而不需要设计和制作超声探头。

2)对比试块设计与制作。根据TC11钛合金激光增材连接区检测要求以及材质和其中缺陷特征规律，结合仿真模型以及模拟检测结果，设计制作两套超声检测专用的含有不同埋深平底孔的TC11对比试块，模拟增材制造中产生的未熔合、气孔等缺陷，如图5所示。其中一套试块的平底孔深度方向平行于激光增材沉积方向，另一套试块的平底孔深度方向垂直于激光增材沉积方向。

步骤四：检测工艺试验验证

1)人工模拟缺陷试验验证。在仿真优化基础上，依次采用四个不同水浸聚焦探头对不同埋深平底孔对比试块进行水浸超声扫查检测，分析人工模拟缺陷的检测效果。探头扫查间距均为1mm。

图6a和图6b分别是采用15MHz点聚焦探头对埋深25mm、φ0.8mm平底孔进行超声A扫和B扫的结果。由图可知，在上述检测参数下，可以明显观察到平底孔的缺陷回波，且信噪比较好，可以实现人工缺陷的检测。

图7a、7b、7c和7d分别给出了四个不同埋深的平底孔对比试块超声C扫的成像结果，平底孔埋深分别是3mm、40mm、80mm和120mm。由图可知，采用以上四个组合探头的声场可有效覆盖不同埋深的平底孔，可对不同埋深的当量为的平底孔试块进行有效检测，缺陷回波能量高，检测横向分辨力和信噪比好，缺陷轮廓清晰。

2)实际缺陷试验验证。利用对比试块中人工缺陷调整超声检测灵敏度，根据工件焊缝连接区所处的深度范围，选用频率10MHz、焦距330.2mm、探头直径25.4mm、水距100mm参数的点聚焦探头对激光增材连接区进行水浸超声C扫描检测。图8a和图8b分别是采用10MHz点聚焦探头对工件A面和C面的C扫成像结果。根据检测结果，被测连接区域内存在多处缺陷，且缺陷检测信噪比以及横向分辨力较好。通过对工件进行断面解剖分析可知，超声检测所获得缺陷数量和位置与实际情况吻合较好，进一步验证了所提出超声检测工艺制定方法的实用性及可靠性。从而得到最终的检测工艺参数，检测探头频率为10MHz，焦距为330.2mm，探头直径为25.4mm，探头水距100mm，从而完成激光增材连接区超声检测工艺制定。

在缺乏超声检测标准作为检测依据的情况下，利用发明提供的水浸超声无损检测工艺制定方法，可确定出超声检测过程中探头参数和水距，有效解决增材制件因微观组织差异而导致的现有标准不适用的技术难点问题。

由以上激光增材连接区检测工艺参数优化过程可知，本发明提供的超声无损检测工艺制定方法可有效解决零部件在缺乏超声检测标准情况下制定其超声无损检测工艺的技术难题。通过仿真模拟、对比试块验证与校准以及实际缺陷检测试验所制定检测工艺的实用性强，具有广泛适用性和良好的实用性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合，做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。