CN111036911A - 一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，包括一套DED金属增材制造系统，一套用于在增材制造过程中实时监控孔隙缺陷位置的在线监测系统，一套用于进行缺陷修复的激光冲击强化系统以及将增材制造过程、在线监测过程、激光冲击强化过程三者相协调配合的中控系统，中控系统依据在线监测系统获得的孔隙分布模型，控制激光冲击强化系统利用高能量脉冲激光对增材制造试样进行层间3D冲击强化，对于气孔缺陷通过先将缺陷上方薄层金属击溃，然后通过DED金属增材制造系统控制后续成形过程中的给料对其进行消除；对于长度方向平行于制造方向的裂纹，中控系统通过施加残余压应力的方式使裂纹闭合，本发明能够在检测出缺陷后将其清除。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法。
背景技术
定向能量沉积(Direct Energy Deposition，简称DED)是金属增材制造领域的重要分支，气孔和裂纹是其内部最为常见的缺陷，首先，由于这些孔隙会产生微裂纹从而造成较低的机械强度；其次，由于在整个空间内分布有不同尺寸和形状的孔隙，也会降低整个构件的疲劳寿命。目前，在实验以及生产实践中想要控制内部孔隙，一般采取优化工艺参数，选用更加优质的原料或屏蔽气体等方法，但即便如此，也无法对构件内部的孔隙进行完全的消除。为了在制造过程中实时发现内部孔隙，目前的研究人员大都采用在线监测技术，实现对其内部孔隙的实时监测。
在中国专利(公告号为CN 109676135 A)中，给出了一种激光增材制造视觉灰度差异在线监测与缺陷修复装置，将在线监测装置集成在增材制造系统中，利用图像灰度值分析技术对成型构件进行无损探测，并调用制造执行机构通过优化制造过程实现有限的缺陷修复。这种修复方式仍未脱离传统的通过修改制造过程工艺参数修复成形构件缺陷的方法，其修复能力较为有限，并且对于一些已经形成的内部缺陷无法进行修复。
中国专利(公告号为CN 108931535 A)中，给出了一种激光增材制造气孔缺陷在线监测的方法，利用灰度处理模块、图像滤波降噪模块和气泡特征提取模块实现对激光增材制造气孔缺陷在线监测，但其仅限于在线监测，监测完后无法对已经监测到的缺陷进行弥补。
中国专利(授权公告号为CN 105248011 B)中，给出了一种激光冲击锻打与激光切割复合增材制造装置的方法，将原始用于激光增材制造的能量源激光分为三部分，分别用于激光增材制造、激光冲击锻打和激光切割，但用于激光增材制造的激光为连续激光且功率较低，分光后无法对工件形成有效的冲击强化作用。
中国专利(授权公告号为CN 107378250 B)中，给出了一种基于CCD监控的大尺寸零件激光熔覆冲击锻打复合成型方法，其存在的问题首先是单单基于CCD对零件内部的缺陷无法有效检测，若要对整个大尺寸零件进行激光冲击锻打则会浪费大量的时间和能源；另外激光冲击锻打所产生的有益效果弱于激光冲击强化，可能无法有效对其内部孔隙缺陷产生影响；且该方法仅针对与激光熔覆成型，局限性较大。
基于现有的技术，想要修复这些孔隙缺陷，只能将缺陷严重的部分切除，再对缺陷部分进行重新打印，这样一来既改变了已成型工件的宏观形貌，另一方面在对其进行修补时需要进一步建模-切片-规划路径。这样，对其修复过程不仅消耗大量时间精力，同时在切削过程中产生的振动、废屑等也会对制造过程产生不良影响。从以上的现有技术可以看到，目前对于增材制造构件内部孔隙的监测已经取得了一定的进展，但对于其内部孔隙缺陷的修补却仍停留在调节制造参数和材料上，缺乏一种能够在检测出缺陷后将其清除的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，能够在检测出缺陷后将其清除。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，包括一套DED金属增材制造系统，一套用于在增材制造过程中实时监控孔隙缺陷位置的在线监测系统，一套用于进行缺陷修复的激光冲击强化系统以及将增材制造过程、在线监测过程、激光冲击强化过程三者相协调配合的中控系统，中控系统依据在线监测系统获得的孔隙分布模型，控制激光冲击强化系统利用高能量脉冲激光对增材制造试样进行层间3D冲击强化，对于气孔缺陷通过先将缺陷上方薄层金属击溃，然后通过DED金属增材制造系统控制后续成形过程中的给料对其进行消除；对于长度方向平行于制造方向的裂纹，中控系统通过施加残余压应力的方式使裂纹闭合。
一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，包括以下步骤：
1)通过计算机CAD软件进行三维建模，利用DED金属增材制造系统切片分层软件对模型进行分层和路径规划；
2)DED金属增材制造系统进行增材制造过程，进行前n层材料在基板上的堆叠和凝固，与此同时，在线监测系统持续工作，实时反馈控制参数，中控系统根据反馈的参数修正增材制造参数；
3)前n层材料堆叠完成后，在线监测系统反馈内部孔隙位置、形貌及尺寸，中控系统根据在线监测系统获得的孔隙分布模型预设激光冲击强化参数；
4)激光冲击强化系统开始工作，针对内部孔隙分布，对存在缺陷的部分进行重点冲击强化，将其表面击溃，使孔隙暴露，对于靠近试样侧表面的缺陷，还能够对其侧面进行冲击强化，直接对侧面的缺陷进行修复；
5)DED金属增材制造系统开始第n+1层的增材制造，在缺陷处根据缺陷尺寸及形状进行修补，在后续的m层的制造过程中逐步完成填补；
6)重复步骤2)-步骤5)，直到试样生产完毕。
所述的DED金属增材制造系统包括LENS系统与WAAM系统，分别用于粉材和丝材的增材制造；其中LENS系统包括光纤激光器、五轴运动控制系统、送粉器、同轴送分喷嘴、氩气保护箱以及水冷机；WAAM系统包括集成了电弧焊枪的六轴工业机器人及其送丝系统，供电系统和控制系统。
所述的激光冲击强化系统包括应用了Q-switch技术的Nd:YAG高能脉冲激光器以及可选的约束层和吸收层；吸收层选用铝箔胶带；约束层选用K9玻璃或是透光聚合物。
所述的在线监测系统包括X射线发射器、高速相机、滤光片、波动器、狭缝以及反光镜，X射线通过狭缝及快门控制进入增材制造工作区域，在其穿过试样后，高速相机用于捕捉转换为可见光的X射线；通过高速相机拍摄的图片，就能够在计算机中重构成型试样的内部缺陷，用于确定其缺陷位置和缺陷形貌。
本发明和现有技术相比，其有益效果为：
1、使用X射线作为在线监测手段，能够更好的获取成形试样内部的孔隙和裂纹分布情况，为下一步的激光冲击工序提供冲击位置信息。
2、采用激光冲击强化和增材制造复合工艺，能够在生产过程中实时消除其已经产生的缺陷，并能够根据缺陷位置进行二次增材修复，保证最终成型试样的内部结构和表面的完整。
3、在修复内部缺陷的同时，通过激光冲击强化与增材制造相结合，还能够避免增材制造过程中出现翘曲、变形与基板脱离等情况。
4、通过调整合理参数，能够在修复缺陷的同时进一步促进激光冲击区域的再结晶，获得内部微观组织更为均匀的金属试样。
5、在增材制造过程中进行激光冲击强化处理，由于其表面会在下一层的材料沉积中重熔，因此无需实用保护层避免其表面受到烧蚀，简化激光冲击强化流程。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明方法激光冲击强化处理后的增材制造构件表面情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明方法作详细描述。
如图1所示，一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，包括以下步骤：
1)用计算机CAD软件进行三维建模，得出尺寸为100mm*60mm*60mm的试样模型，利用DED金属增材制造系统切片分层软件对模型进行分层和路径规划；
2)DED金属增材制造系统进行增材制造过程，选用丝材AA5183铝合金为原料，进行第1层材料的沉积，由于WAAM工艺沉积材料单层厚度教大，因此本实施例中选取前1层；
在WAAM工艺沉积过程中，送丝速度为15.0m/min，打印头运行速度12mm/s，电流范围230-240A，电弧电压32-33V，线喷嘴距离15mm，保护气体为70％He和30％Ar的混合气体；
与此同时，在线监测系统持续工作，实时反馈控制参数，将探测结果返回计算机后通过软件对试样内部结构进行重建，标定冲击强化区域及冲击参数；
X射线扫描跟随电弧焊头，扫描范围约30*30mm，X射线穿过试样后，用闪烁体将其转换为可见光并用高速相机拍摄，拍摄速率为2kHz，照片分辨率为1024*1024；
3)进行第1次冲击强化，激光冲击强化系统的冲击强化参数由计算机中控系统自动标定，计算机所能调节的参数包括光斑直径0.1～20mm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，重复频率0.5～10Hz；
激光冲击强化系统选用的保护层为铝箔胶带，约束层为K9玻璃；针对内部孔隙分布，对存在缺陷的部分进行重点冲击强化，将其表面击溃，使孔隙暴露，对于靠近试样侧表面的缺陷，还能够对其侧面进行冲击强化，直接对侧面的缺陷进行修复，参照图2，图2为本发明方法使用激光冲击强化处理后的增材制造构件表面情况，可观察到，较粗的线框内明显出现了塑性变形，细线框内部即为经过冲击强化后暴露的内部小孔；
5)DED金属增材制造系统开始进行下一层材料的沉积，在制造过程中对于上次冲击强化暴露出来的缺陷进行填补修复，其运行参数由计算机读取在线监测系统反馈的缺陷大小及位置形状实时确定；
6)重复步骤2)-步骤5)，直到试样生产完毕，整个试样内部的缺陷得到修复，获得体密度接近100％的理想试样。
所述的DED金属增材制造系统包括LENS系统与WAAM系统，分别用于粉材和丝材的增材制造；其中LENS系统包括光纤激光器、五轴运动控制系统、送粉器、同轴送分喷嘴、氩气保护箱以及水冷机；WAAM系统包括集成了电弧焊枪的六轴工业机器人及其送丝系统，供电系统和控制系统。
所述的激光冲击强化系统包括应用了Q-switch技术的Nd:YAG高能脉冲激光器以及可选的约束层和吸收层；吸收层选用铝箔胶带，若不添加保护层可能会降低激光冲击效果，但能够简化冲击强化流程；约束层选用K9玻璃或是透光聚合物，不添加约束层时也会造成冲击强化效果的降低，但同样能够简化冲击强化流程。
所述的在线监测系统包括X射线发射器、高速相机、滤光片、波动器、狭缝以及必要的反光镜，X射线通过狭缝及快门控制进入增材制造工作区域，在其穿过试样后，高速相机用于捕捉转换为可见光的X射线；通过高速相机拍摄的图片，就能够在计算机中重构成型试样的内部缺陷，用于确定其缺陷位置和缺陷形貌。
Claims (5)
1.一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，其特征在于：包括一套DED金属增材制造系统，一套用于在增材制造过程中实时监控孔隙缺陷位置的在线监测系统，一套用于进行缺陷修复的激光冲击强化系统以及将增材制造过程、在线监测过程、激光冲击强化过程三者相协调配合的中控系统，中控系统依据在线监测系统获得的孔隙分布模型，控制激光冲击强化系统利用高能量脉冲激光对增材制造试样进行层间3D冲击强化，对于气孔缺陷通过先将缺陷上方薄层金属击溃，然后通过DED金属增材制造系统控制后续成形过程中的给料对其进行消除；对于长度方向平行于制造方向的裂纹，中控系统通过施加残余压应力的方式使裂纹闭合。
2.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过计算机CAD软件进行三维建模，利用DED金属增材制造系统切片分层软件对模型进行分层和路径规划；
2)DED金属增材制造系统进行增材制造过程，进行前n层材料在基板上的堆叠和凝固，与此同时，在线监测系统持续工作，实时反馈控制参数，中控系统根据反馈的参数修正增材制造参数；
3)前n层材料堆叠完成后，在线监测系统反馈内部孔隙位置、形貌及尺寸，中控系统根据在线监测系统获得的孔隙分布模型预设激光冲击强化参数；
4)激光冲击强化系统开始工作，针对内部孔隙分布，对存在缺陷的部分进行重点冲击强化，将其表面击溃，使孔隙暴露，对于靠近试样侧表面的缺陷，还能够对其侧面进行冲击强化，直接对侧面的缺陷进行修复；
5)DED金属增材制造系统开始第n+1层的增材制造，在缺陷处根据缺陷尺寸及形状进行修补，在后续的m层的制造过程中逐步完成填补；
6)重复步骤2)-步骤5)，直到试样生产完毕。
3.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，其特征在于，所述的DED金属增材制造系统包括LENS系统与WAAM系统，分别用于粉材和丝材的增材制造；其中LENS系统包括光纤激光器、五轴运动控制系统、送粉器、同轴送分喷嘴、氩气保护箱以及水冷机；WAAM系统包括集成了电弧焊枪的六轴工业机器人及其送丝系统，供电系统和控制系统。
4.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，其特征在于，所述的激光冲击强化系统包括应用了Q-switch技术的Nd:YAG高能脉冲激光器以及可选的约束层和吸收层；吸收层选用铝箔胶带；约束层选用K9玻璃或是透光聚合物。
5.根据权利要求1所述的一种基于在线监测的金属增材制造构件孔隙缺陷清除方法，其特征在于，所述的在线监测系统包括X射线发射器、高速相机、滤光片、波动器、狭缝以及反光镜，X射线通过狭缝及快门控制进入增材制造工作区域，在其穿过试样后，高速相机用于捕捉转换为可见光的X射线；通过高速相机拍摄的图片，就能够在计算机中重构成型试样的内部缺陷，用于确定其缺陷位置和缺陷形貌。
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