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用超声无损检测超声添加剂制造构件原位界面质量评价
摘要：
超声添加剂制造（UAM）是一种逐层固态熔融工艺，通过超声波振动将薄金属箔粘合在基底衬底的顶部。在这项研究中，纵向模式超声无损评价（NDE）被用来评估UAM组件的粘接质量。建立了界面弹塑性模型来预测层间介质中的波传播，并通过有限元模拟验证了结果。需要两个独立的界面刚度系数来模拟实验观察到的主要信号，一个用于基础/构建界面（eta;1），另一个用于UAM堆栈（eta;）中的其余层。提出了一种反演实验信号中的eta;1和eta;的反演模型。灵敏度分析表明，即使在模拟信号中引入随机变化，反演也是鲁棒的。用足够大的层数，证明了使用倒置的界面弹簧刚度的Floquet波均匀化准确地预测了实验观察到的相速度。针对不同质量的三个组分，提出了现场逐层键合质量反演结果。本研究结果为利用超声无损检测技术测量原位和离线UAM界面层的质量奠定了基础。
关键词：超声添加剂制造（UAM）；无损评价（NDE）；加性制造；不完全界面；反演；粘接质量
1.介绍
UAM是一种一层一层的基于金属的固态结合工艺，通常与计算机数控（CNC）轧机结合使用。在这个过程中，利用超声波能量在薄箔和现有的平坦基板之间产生固态冶金结合。在沉积每层之后进行CNC加工以实现所需的形状和尺寸，从而实现自由形状制造。添加剂减法性质和低热固态处理给UAM工艺提供了某些独特的能力，如完全封闭的内部冷却通道、具有嵌入式传感器的智能部件、金属基复合材料和粘结冶金不相容的异种金属[1~2 ]。UAM涉及将要连接的箔片之间的高速擦洗。一些研究者已经研究了实验和模拟的结合机理[3~5 ]。键合过程是三个主要输入参数的函数：施加的力、键合速度和振动振幅。它已被证明是依赖于表面粗糙度、温度、基板特性、部件几何形状和建高[6~8]等因素。传统上，UAM使用了20 kHz频率的超声波焊机，最大功率限制为3千瓦。最近的高功率（高达9千瓦）超声波焊机的集成使UAM能够焊接更多的材料[7]。
通过超声波焊接形成的粘接需要满足两个条件，（i）在原子尺度上产生没有阻挡层的清洁表面，和（ii）这些清洁表面之间的直接接触，这有利于扩散，从而形成冶金结合。电子Backscatter Diffraction（EBSD）研究[4~5]表明，在任何两个箔之间，显微结构可分为上部块状区域、细粒界面区域和较低块状区域。UAM组件中最常见的缺陷被归类为1型缺陷，它们是层间的分层和2型缺陷，它们形成在相邻轨道之间，超出了本研究的范围。通过光学显微镜可以看到的1型缺陷是粗大的分层，并指出远离最佳的工艺参数，这将永远不会在典型的工业环境中使用。
在UAM内的工艺参数优化通常通过改变三个输入参数进行实验，直到根据线性焊缝密度的度量（通过光学显微镜看来完全粘合的面积百分比）达到满意的粘接质量。一些研究者[4]已经发现，LWD百分比不是一个很好的衡量债券强度，因为它不考虑亲吻债券或紧密封闭的地区。提出了一个更好的定性机制[3]基于拉拔拉伸试验，然后通过断裂表面的测量来分析%结合区域。有人认为，在光学显微镜下不能观察到UAM的紧密闭合表面，因为只有在拉伸试验之后，这些紧密闭合表面才是可见的。进一步探讨了可能存在什么是完全冶金结合，但拉拔拉伸试验沿着构建方向，测得的UT可以低至15%的固体锻造材料[3]。同样的推理被认为是在施加少量应力时形成的微空洞的存在。这些空隙主要发生在界面处，并聚集成裂纹导致脆性断裂。在文献中关于粘结强度测量在UAM，机械试验涉及使用搭接剪切，推销和拉伸试验[8~10]。最重要的是能够识别那些即使在高倍率光学显微镜下也常常看不见的缺陷界面。UAM铝组分由于层间的界面缺陷而基本上是横向各向同性的。沿其他两个方向的强度大致等于80%的锻造材料的UTS[3]。在每个界面处的粘结质量决定了整个构件的刚度。由于UAM是为生产最终用途的功能部件而开发的，因此在线监测该过程是有益的，以便能够对过程进行闭环控制。UAM构件的强度取决于发生故障的最薄弱的界面，有利于监测各层的刚度。
现有的UAM在线监测文献主要基于温度测量[11 ]。通常，红外（IR）照相机用于观察在焊接过程中刚接合的箔的温度。焊接能量被计算为温度升高的函数，并与焊缝的剥离强度相关。另一种监测温度的方法是在两个UAM层之间嵌入一个K型热电偶并在其上面粘结。一个真正的在线监测方法已经证明了光子多普勒测速仪测量的声速，箔和基地的相位和速度[12]。这种方法在表征良好焊缝和较差焊缝之间的对比度方面显示出一定的希望，但仅监测刚粘结的箔。逐层制造过程的在线原位监测提供了一个独特的优点，即实时调整构建参数以实现闭环过程控制。大多数基于融合的AM工艺从固化区形成顶部几层的缺陷，因此监测顶表面是关键的，导致使用诸如红外成像的光学技术。但是，在UAM部件的情况下，一层可能最初完全粘合，但可以形成分层，由于反复循环加载几个层后，它已被接合。这使得有一个贯穿组件的监控过程是至关重要的。这与UAM中较低的温度相结合，使其成为超声无损检测的一个有吸引力的候选。
微米空隙、接吻键和由UAM工艺产生的紧密闭合的界面可以被视为界面缺陷。在一篇开创性的论文中，Bik和汤普森描述了超声波与不完美界面的相互作用可以被建模为一个弹簧质量系统，当超声波的波长与界面的尺寸（13）相比是大的。NAGY显示了在相似和不同的惯性和摩擦焊缝中的界面是如何通过超声波来表征的，并且介绍了一种基于不同的正常横向界面刚度比（14），区分不同类型的不完整界面（如滑移键、吻键和部分键）的方法，15。一些研究人员已经表明超声波技术在分类粘合剂、扩散和摩擦焊接键方面是有效的[16 ]，[17 ]，[ 18 ]。UAM组件由具有多个不完善界面的层状结构组成，每个界面都像扩散结合/摩擦焊接界面。因此，超声波方法自然是潜在的无损检测技术的首选。存在使用NDE技术来验证附加制造的组件的若干努力[19 ]，[ 20 ]。它们中的许多是针对粉体熔融过程，并且与UAM（21）相比存在不同类型的缺陷和界面缺陷。ReID等人开发了一种类似的NDE传感器设置。对于激光熔化AM工艺〔22〕，〔23〕。
本研究的目的是开发一种稳健、灵敏的超声无损检测技术，可用于UAM成分的粘接质量反演。为了这个目的，最敏感的技术参数，振动振幅是变化的，并得到的组件的质量进行了研究。在第2节中，给出了现场在线监测研究的初步结果，随后是在一组UAM组件上进行的定性离线NDE测试的结果，以及在UAM部件制造过程中具有NDE传感器的效果的讨论[24 ]。第3节讨论了分层UAM组件作为基础加栈（一组分层接口）的建模，使得各层之间的接口被建模为分布式弹簧。通过在COMSOL中的有限元模拟，开发并分析了通过UAM组件的波传播的解析模型。此外，由于系统的重复性质，Floquet波均匀化模型被开发用于相速度和阻抗预测。结果表明，至少有两个独立的变量，即基础/建造界面刚度（ε1）和平均叠层界面刚度（ETA）是代表波通过UAM分量传播的必要参数。第4节提出了一种从测得的超声信号中确定界面刚度ε1和ε的反演算法。建立了实验测得的机械强度与超声速度之间的相关性，并研究了反演模型的灵敏度。使用现场监测装置测试了三种具有不同质量的部件，以证明粘结质量的逐层反演。最后，在第5节中得出的结论得到的结果和未来的工作方向提出了建议。
2.实验
图1示出了被设计为在UAM过程期间使用的现场监视设置。基板被支撑提升，以适应使用高温油脂作为耦合剂与基板接触的超声换能器。在Al6061 T6基板的顶部直接接合150mu;m退火和热处理铝合金Al6061 H18。重要的是要牢记工业适用性，同时设计一个监控系统，可用于处理实际组件。当设计重复并从监测到监测从基板下方改变时，面临着一些挑战。选择合适的耦合介质是重要的，同时选择具有薄层与较大体积的耦合剂。在这项工作中，虽然没有介绍引入底板上的换能器对烟囱质量的不利影响。意识到所有这些参数，将设计重复到图1所示。图中示出了基板、换能器、支撑件和UAM层的尺寸。为了对UAM零件进行非破坏性评估，必须建立一组具有不同质量的部件，并研究质量评估的灵敏度。在UAM过程的三个主要技术参数（焊接力、焊接速度和振动振幅）中，众所周知，构建质量对振动振幅变化最敏感。在手工FabRISICS R200研究系统上进行了初步研究，在该系统上安装了现场监测装置，以便在粘接每个层后收集超声数据。采用25～35mu;m的六个振动振幅，在5000 N的焊接力和70 mm／s的焊接速度下，形成45层。
使用JSR超声波DPR 500远程脉冲发生器/接收器模块来驱动5 MHz标称频率的宽带纵向接触换能器。所采集的数据被发送到1.5 GHz的14位采集逻辑PCI数字化仪进行处理。在200 Hz的脉冲重复频率下，用500 V脉冲驱动传感器，阻尼为50Omega;。收集并平均16个这样的波形，以在每个层的接合之后产生单点A扫描。16个波形用于每个点A扫描以增加信噪比。然后将处理后的原始数据导出到MATLAB中并进行分析。相对于仅在基底上捕获的基准（零层）计算由于添加每个新层而引起的平均群延迟。因此，在粘结J层之后计算的组延迟是由于从1到J的所有层，使用数字卡尺测量UAM构建的总厚度，从而计算平均层厚度。与组延迟耦合的用于计算在图2所示的每个层接合后的平均群速度。这里，层J的群速度是指超声通过UAM分量的层1至J的平均速度。当信号强度下降到阈值以下时，在图中没有绘制数据。可以观察到的最显著的特征是，在粘结前两层之后，测量的群速度急剧减小，然后随着添加更多层而恢复。另一个突出的特点是增加了新的层，是速度变化，这不是严格单调，似乎上下跳动。推测这两种效应都可以归因于从层状构件反射的波到从堆栈顶部反射的波的干扰。在接合J层之后，最强的超声信号是从JTH层的顶部反射的超声波信号，但是可以存在从层1到J-1反射的几个较弱的信号。根据强信号和每个较弱信号之间的时间延迟，可能有建设性的或破坏性的干扰。这种干扰预计会改变组合波的振幅和速度。
在较高振动振幅下，在初始恢复后的超声波速度中观察到下降趋势，这可能归因于UAM堆叠的顺应性的提高导致焊接过程中功率的较低转移〔25〕。还观察到，各组分之间的差异可以通过超声波速度大致区分。为了将无损结果与机械强度相关联，进行了推杆试验（10）。在文献〔10〕中讨论了推销试验的尺寸，并在具有三点弯曲卡盘的万能拉伸试验机上进行了试验。本试验所用试件厚度为45层，顶15层被推出。在荷载-位移曲线下直至破坏的区域是通过一组UAM层所需的机械功。图3A示出超声波速度与振动振幅之间的相关性。图3B示出了机械功与振动振幅之间的相关性。虽然这些相关性表明，平均超声波速度是潜在的建造质量指标，但从现场监测初步研究所观察到的特征还需要进一步解释。该方法的工业应用具有重要意义，因为本研究的目的是开发一个现场监测系统。超声换能器低于基板的事实使其成为不干扰制造过程的有吸引力的候选。当然，局限性是当有更复杂的形状部件时，会有几何反射而不是缺陷反射。
由于在手动研究机上进行了初步研究，接下来在爱迪生焊接研究所上建立的商业FabRISICU-UAM系统上的组件进行定性离线NDE研究，以确定可以从超声数据中提取的特征。为此目的，选择较窄范围的振动振幅，使得部件可能位于平均和最佳质量构建之间的区域。选择28～32mu;m范围内的五个振动振幅，分别为5000 N、85 mm／s的速度和65°C的预热温度。图4示出了从一个样本集上的最佳区域测量的波形。波通过基板传播并遇到第一反射发生的基底/构建界面。第一反射的大小取决于第一接口的质量以及从上面加载的层的阻抗。然后，当波穿过层状结构时，观察到一系列弱的内部反射，直到波到达UAM堆的顶部，其中由于最高阻抗失配而发生最强的反射。由于建造质量变得更好，不仅堆栈信号到达较早，它也更强。
A扫描波形仅在单个位置表示质量。为了限定UAM构建的整个长度，在对感兴趣的两个区域进行选通时进行声学显微镜。在SONIX声学显微镜中使用5 MHz纵向浸没式换能器，通过图4A所示，通过UAM叠层对基座/构建界面反射和透射进行成像。为了清楚地区分感兴趣区域，在UAM样本周围绘制虚线黑线。图4B中给出了五个这样的声学显微镜图像，用于基础/构建接口和堆栈。这些UAM轨道的长度为101.6毫米，宽度为25.4毫米。基础/构建图像从键合方向开始有分层的迹象。基于图4A所示的样品的近似轮廓，可以观察到基底/构建图像在脱层开始并开始蠕变到样品的边缘处具有强烈的反射。在振动的振幅增大时，堆叠图像在轨道的前25毫米和轨道的其余部分显示出明显的低质量。点圆表示5 MHz纵向双元延迟线换能器用于收集代表性波形的区域，然后对其进行分析。在每个位置，通过提升和重新定位换能器进行5个测量，每个传感器平均为16个波形。这5个读数的平均值对应于该位置的超声波特征。在如图4C所示的粘结80层之后，在显微镜下观察基底/构建界面上的分层。
为了测量通过完整材料的衍射损耗，制作了由7个台阶组成的基准块，其厚度等于基板的最大厚度和大于80个UAM层的最高厚度。使用相同的换能器，在不同的台阶厚度下测量频率振幅谱，并且发现线性插值是在任何给定厚度下衍射损耗的良好近似。因此，对于给定厚度的UAM叠加基，计算适当的参考光谱。图5A示出了在15个样品上粘结80层后测量的平均层厚度，并且示出随着振动振幅的增加而显著减小。这是预期的，因为在相同的力下较大的振动振幅导致更多的塑性流动，因此在固结后厚度较小。图5b示出在15个样品上计算的平均超声群速度。正如预期的那样，超声波速度随振动振幅增加，并且三个样品的标准偏差对于较低质量的部件更高。
在两个位置，即基础/构建接口和UA
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资料编号：[1754]
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