GB/T 45169-2025 增材制造 金属制件残余应力 声束控制法

　　ICS 25. 030 CCS H 22

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 45169—2025

　　增材制造 金属制件残余应力

　　声束控制法

　　Additivemanufacturing—Residualstressofmetalparts—

　　Method ofsoundbeam control

　　2025-01-24发布 2025-01-24实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 45169—2025

　　目 次

　　前言 Ⅲ

　　引言 Ⅳ

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 原理 2

　　5 操作人员 2

　　6 声束控制系统 2

　　7 工作过程 4

　　8 检验方法 6

　　9 工艺记录文件 6

　　附录 A (资料性) 典型结构金属制件残余应力声束调控的激励器布置 7

　　Ⅰ

　　GB/T 45169—2025

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件由中国机械工业联合会提出 。

　　本文件由全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562)归 口 。

　　本文件起草单位 :北京理工大学 、中机生产力促进中心有限公司 、内蒙古第一机械集团股份有限公司 、中国兵器科学研究院宁波分院 、中国航空制造技术研究院 、太行国家实验室 、西安增材制造国家研究院有限公司 、华质卓越生产力促进(北京)有限公司 、中机研标准技术研究院(北京) 有限公司 、广东汉邦激光科技有限公司 、西安交通大学 、航天增材科技(北京)有限公司 、西北工业大学 、无锡市检验检测认证研究院 、华南理工大学 、北京鑫精合增材制造技术有限公司 、北京科技大学 、华中科技大学 。

　　本文件主要起草人 :徐春广 、薛莲 、张文君 、李培禄 、明珠 、张杰 、雷力明 、侯颖 、李建强 、胡凡 、牛留辉 、郭文华 、张玮 、于君 、冒浴沂 、王迪 、李广生 、周香林 、刘鑫旺 、李涔诚 、尹鹏 。

　　Ⅲ

　　GB/T 45169—2025

　　引 言

　　金属增材制造过程中的复杂热循环等因素导致增材构件内部产生了不均匀分布的残余应力 ,严重影响构件性能和制造精度 ,增材的同时控制残余应力的生成过程将有效提高金属制件的品质 。

　　增材工艺引入残余应力声束控制 , 不仅可抑制残余应力的生成和增长 ,使增材制件可以设计得更薄 、更小 、更复杂 ,而且可以在晶粒形核阶段细化晶粒 ,满足各种增材工艺成形制件内部热应力控制 、变形开裂预防 、构件内部质量和力学性能控制的需要 。该方法可用于替代消减残余应力的传统方法 。

　　Ⅳ

　　GB/T 45169—2025

　　增材制造 金属制件残余应力

　　声束控制法

　　1 范围

　　本文件规定了增材制造金属制件生产过程中残余应力声束控制法的原理 、操作人员 、声束控制系统 、工作过程 、检验方法和工艺记录文件 。

　　本文件适用于采用声束控制法对电弧增材制造铝合金 、钛合金和硬质合金金属制件生产过程中产生的残余应力消减和均化 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 ,仅该日期对应的版本适用于本文件 ;不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件 。

　　GB/T 12604. 1 无损检测 术语 超声检测

　　GB/T 32073 无损检测 残余应力超声临界折射纵波检测方法

　　GB/T 35351 增材制造 术语

　　GB/T 38811 金属材料 残余应力 声束控制法

　　GB/T 38952 无损检测 残余应力超声体波检测方法

　　GB/T 40121 技术产品文件 产品残余应力符号表示法

　　3 术语和定义

　　GB/T 12604. 1 和 GB/T 35351界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。

　　3. 1

　　声束控制 sound beam control

　　将具有一定能量的声波或弹性波沿某一方向在一定范围内注入到材料内部 ,使材料内部的残余应力进行消减和均化到一定程度的过程 。

　　3.2

　　时序控制 timing control

　　按不同热源形成的位置和速度对不同空间位置的声能进行控制的过程 。

　　3.3

　　激励器 excitor

　　能够产生一定能量 ,且其能量中频率和幅度为可控弹性波的一种装置 。

　　注 : 激励器通常采用压电陶瓷等原理制备 。

　　[来源 :GB/T 38811—2020,5. 4,有修改] 3.4

　　变幅杆 ultrasonichorn

　　安装在激励器端部 ,与基材工作面背侧紧密耦合的用于隔热和声波传导与变换的部件 。

　　1

　　GB/T 45169—2025

　　3.5

　　耦合剂 couplant

　　施加于变幅杆端面和基材工作面背侧面或增材制件表面之间 ,保证超声能量传递的介质 。

　　4 原理

　　将具有一定能量和指向性的声束借助耦合剂传导进入材料内部 ,其能量驱动材料质点发生振动 ,改变材料的微观结构 ,使材料的残余应力消减和均化 ,示意图如图 1所示 。

　　标引序号说明 :

　　1— 沉积层 ;

　　2— 焊枪 ;

　　3— 熔池 ;

　　4— 声束 ;

　　5— 耦合剂 ;

　　6— 激励器 ;

　　7— 激励电源 ;

　　8— 变幅杆 ;

　　9— 基材 。

　　图 1 残余应力声束控制法示意图

　　5 操作人员

　　操作人员应具有残余应力控制和增材制造工艺的基础知识 ,熟悉声束控制系统的操作 。

　　6 声束控制系统

　　6. 1 系统构成

　　残余应力声束控制系统由增材控制系统 、超声电源控制器 、激励电源 、激励器 、隔热变幅杆以及外围设备(包括夹持装置和激励电压传输线缆等)构成 ,并采用耦合剂作为声束传导的介质 ,如图 2所示 。

　　2

　　GB/T 45169—2025

　　标引序号说明 :

　　1— 增材控制系统 ; 5— 隔热变幅杆 ;

　　2— 超声电源控制器 ; 6— 基材 ;

　　3— 激励电源 ; 7— 增材构件 ;

　　4— 激励器 ; 8— 耦合剂 。

　　图 2 系统构成示意图

　　6.2 超声电源控制器

　　超声电源控制器应具有监控激励电源 、控制应力调控工作流程 、控制系统启动和停止等功能 。

　　6.3 激励电源

　　激励电源应能产生功率超声信号 ,驱动激励器产生超声波 ,应具有激励电压和电流的反馈信号 , 以便能够实时监测超声波的情况 。

　　6.4 激励器

　　激励器通常为夹心式压电超声换能器 ,激发时产生纵波 ,工作频率为 10kHz~40kHz,单个激励器输出功率应大于 50W 。

　　6.5 夹持装置

　　夹持装置是将激励器固定在基材工作面的背侧 ,并对其施加一定压紧力的工艺装置 ,应确保激励器按照一定的压紧力有效地固定在增材金属制件的待消减部位 ,声束激励器与隔热变幅杆连接后 ,与基材表面紧密稳固耦合且使耦合接触力保持恒定 ,声波能有效注入增材金属制件内部 。

　　6.6 隔热变幅杆

　　6.6. 1 材料

　　隔热变幅杆应采用透声性能好且隔热性能佳的材料(常见的材料如钛合金 、不锈钢等) ,尽可能减少声束能量的损失 , 同时降低增材过程中传导到激励器的热量 ,保证激励器工作温度在 80 ℃以下 。

　　6.6.2 结构

　　应结合激励器的性能和应力调控工艺要求设计变幅杆的结构 ,保证变幅性能 ,变幅杆的前端面应保证其与基材表面或增材制件表面紧密贴合 。

　　6.7 耦合剂

　　耦合剂应实现激励器 、变幅杆与基材工作面背侧面或增材制件表面之间良好耦合 ,保证超声能量有

　　3

　　GB/T 45169—2025

　　效注入制件 。耦合剂应易清洗 ,不能对基材表面或增材制件表面产生腐蚀等损伤 。 常用的耦合剂如高温黄油 、甘油 、透声橡胶等 ,对于增材过程中的残余应力声束调控应使用耐高温耦合剂 。

　　7 工作过程

　　7. 1 工作流程

　　残余应力声束控制一般包括工作前的准备 、声束控制模拟运行和调试 、残余应力控制 、残余应力控制效果评定等过程 ,工作流程见图 3。在确定激励器的合理布局和调控工艺后 ,首先根据增材工艺路径进行声束控制模拟运行和调试 ,按照以下工作流程实施声束控制过程 。

　　图 3 工作流程示意图

　　7.2 工作前的准备

　　7.2. 1 设计要求

　　设计时应符合以下要求 :

　　a) 根据材料 、结构和增材工艺等研究增材构件残余应力分布状态 ,根据残余应力分布状态和控制指标确定残余应力声束控制方案 ;

　　b) 采用增材制造工艺制备的金属制件按照 GB/T 40121规定的符号 ,标示金属制件残余应力及其分布状态的技术要求 。

　　4

　　GB/T 45169—2025

　　7.2.2 激励器布置

　　根据增材金属制件的结构和所使用的材料确定生产过程中应力集中区域 ,确定激励器的布置位置和声束方向 。典型结构金属制件残余应力声束调控的激励器布置见附录 A。

　　7.2.3 残余应力声束控制系统的连接

　　残余应力声束控制系统的连接包括以下步骤 :

　　a) 确认超声激励器与激励电源连接电缆连接状态良好 ,通电确认激励器与激励电源工作正常 ;

　　b) 将耦合剂均匀涂抹在隔热变幅杆前端面 ,利用激励器夹持工装固定激励器/隔热变幅杆 ,使隔热变幅杆端面与基材工作面背侧面或增材制件表面之间贴合良好 ,耦合压紧力合理 。

　　7.2.4 调控参数设定

　　7.2.4. 1 超声频率设定

　　超声激励器的频率应符合应力调控工艺要求 ,超声激励电源的工作频率应根据所用超声激励器的谐振频率设定 ,功率放大器通常能自动跟踪超声激励器的谐振频率 。例如 ,使用 20. 0 kHz 的超声波激励器作业 ,应将激励电源的工作频率设置为(20. 0±1. 5)kHz。

　　7.2.4.2 功率分布设定

　　超声波功率设定值应根据金属制件增材高度逐渐变化 ,增材高度越高 ,功率越大 ,示例见表 1。

　　表 1 高度 500 mm 的铝合金筒类构件低应力增材功率设定参考表

　　序号

　　沉积高度

　　mm

　　功率分布

　　1

　　0~ 200

　　5% ~ 30%

　　2

　　200~ 350

　　30% ~ 60%

　　3

　　350~ 500

　　60% ~ 100%

　　注 : 功率分布设定参数表示为总功率的百分比 。

　　7.2.4.3 超声消减时间设定

　　应力消减工作时间可根据增材制造过程中应力调控效果确定 。增材金属制件完成残余应力消减后应进行应力检测 , 以验证消减效果 。如果残余应力水平过高或存在局部应力集中 ,应按照 GB/T 38811进行二次残余应力消减处理 ,直至满足设计要求或客户需要 。

　　7.3 声束控制模拟运行和调试

　　7.3. 1 声束控制包括对一个或多个激励器的启停控制和功率控制 ,还包括对阵列激励器的时序控制 。

　　7.3.2 声束控制依据增材金属材料熔化沉积时熔池位置进行确定 。

　　7.3.3 在对增材金属实施残余应力声束控制前 ,进行声束控制模拟运行和调试 ,通常包括以下步骤 :

　　a) 通过金属制件的沉积路径规划方案 ,获取熔池的实时位置 ;

　　b) 在金属制件的沉积路径模拟运行期间 , 同步开启残余应力声束调控系统 ,检查声束控制的运行情况 。

　　5

　　GB/T 45169—2025

　　7.4 残余应力控制

　　7.4. 1 启动调控

　　增材制造加工开始后 ,启动残余应力声束调控系统 。声束调控系统工作期间 ,必要时 ,可适当调整各位置激励器的功率和消减时间 。

　　7.4.2 声束时序控制

　　声束调控期间 ,激励器按照金属材料的熔化沉积路径规划轨迹进行联动控制 ,要求熔池下方的激励器处于停止输出或在低功率状态工作 。

　　7.4.3 结束调控

　　增材制造加工完成后 ,停止声束调控系统工作 。

　　8 检验方法

　　按照 GB/T 32073规定的要求或其他无损检测方法 ,对增材金属制件切向残余应力进行无损检测 。

　　按照 GB/T 38952规定的要求或其他无损检测方法 ,对增材金属制件法向残余应力进行无损检测 。将检测结果与调控要求进行比较 ,验证调控效果 。

　　9 工艺记录文件

　　金属制件残余应力声束调控工艺记录文件中应包括但不限于 :

　　a) 工作时间 、地点 、操作人员 ;

　　b) 增材制造金属制件名称 、材料 、尺寸 ;

　　c) 残余应力调控工艺参数(激励器数量 、激励点位坐标 、超声频率 、功率分布 、消减时间等) ;

　　d) 残余应力检测结果(无损检测方法 、检测仪器 、检测点位和应力方向等) 。

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　　GB/T 45169—2025

　　附 录 A

　　(资料性)

　　典型结构金属制件残余应力声束调控的激励器布置

　　增材过程中的残余应力进行消除和均化时 ,声束激励器排布方式根据增材成形金属制件的结构 、材料和增材工艺进 行 调 整 。 以 共 振 频 率 为(20. 0± 1. 5) kHz 的 激 励 器 为 例 , 不 同 类 型 的 金 属 制 件 增 材时 ,激励器布置分布示意图如图 A. 1所示 ,激励器布置间距示例如图 A. 2所示 。

　　a) 筒类增材金属制件 b) 矩形框架类增材金属制件

　　c) 矩形实体类增材金属制件

　　图 A. 1 典型结构金属制件残余应力声束调控的激励器布置示意图

　　单位为毫米

　　a) 矩形类 b) 弧形类

　　图 A.2 典型结构金属制件残余应力声束调控的激励器布置间距示例

　　7