CN105716655A - 高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，包括工作平台、变形测量系统和温度测量系统。工作平台包括工作台和支架，变形测量系统包括位移和光学传感器，温度监测系统包括热电偶、高温热成像仪、跟踪式和固定式红外测温仪。本发明还公开了上述测量装置的测量方法：接触式位移传感器实时测量基板翘曲变形量；非接触式光学传感器实时测量成形件变形量；热电偶实时测量基板特定点温度；固定式红外测温仪实时测量特定点温度；跟踪式红外测温仪实时测量熔池温度；高温热成像仪实时测量成形件侧面的温度分布。本发明能实时同步测量高能束增材制造中温度与变形数据，为成形的几何组织性能控制与模拟的验证优化提供数据支撑。

Description

高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置及方法

技术领域

本发明属于高能束增材制造领域，涉及一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，本发明还涉及上述装置的测量方法。

背景技术

高能束增材制造技术是基于快速原型制造技术原理发展起来的高性能金属增材制造技术，其原理是：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在计算机的控制下，采用同步送进粉末或丝材的高能束沉积方法，按照二维轮廓信息逐层堆积，最终形成三维实体零件。其中，高能束包括等激光束、电子束、离子束、电弧等。

在高能束增材制造技术中，随着高能束热源的移动，熔池快速产生和凝固，使熔池及附近区域经受一个不均匀的快冷快热作用，致使整个成形件的温度分布随时间、空间的不同而急剧变化；巨大的温度梯度引起的基板与成形件的变形应力，会造成一定程度的变形，以上情况严重影响了增材制造成形件的性能和精度，因此对高能束增材制造过程中温度场与应变场的测量与反馈控制研究具有重要的意义。

公开发表的“FEMsimulationofthetemperaturefieldduringthelaserformingofsheetmetal”文献(JournalofMaterialsProcessingTechnology，1998，74)通过有限元模拟研究了激光立体成形过程中的温度场演化规律，认为基板温度场分布与激光功率与扫描速度有关。数值模拟技术可以计算出整个成形过程中基板与成形件的温度场，应力场与应变场。该方法与本发明不矛盾，为科学研究不同途径。但是由于高能束增材制造过程的复杂性以及很多材料的热学参量不能准确测量，在模拟计算温度场与应力应变场方面进行简化处理，带来一定误差。

公开发表的“ThermomechanicalModelingofAdditiveManufacturingLargeParts”文献(JournalofManufacturingScience&Engineering，2014，136(6))通过三维扫描技术对成型后基板与成形件的整体进行了扫描，并通过图像处理技术与成形前扫描图像进行对比，得到基板与成形件的变形量。公开发表的“激光立体成形过程控制的基础问题研究”文献(西北工业大学博士学位论文，2010)以基板为模型制作基板的石膏倒模，最后用螺旋测微仪测量石膏倒模两端和中心的高度差来评估基板的翘曲变形程度。以上实验方法仅以基板或成形件的最终变形量为测量指标，未能对成形过程中基板的变形规律进行测量。

公开发表的“激光直接沉积过程中基板变形分析”文献(塑形工程学报，2007年，12卷，5期)利用热点偶测量成形过程中成形件温度，利用自主设计装置测量成形过程中基板边缘的翘曲变形。但是该方法仅能测量基板边缘处翘曲变形，并未能考虑实际加工过程中的成形件的变形，测量位置较为单一，无法获取成形过程中全面的测量数据，对实际成形工艺指导反馈作用不大。

发明内容

本发明的目的是提供一种高能束增材制造中温度与变形实时测量装置，该装置解决了现有测量装置无法实时同步测量高能束增材制造成形过程中温度与变形的问题。

本发明的另一目的是提供上述测量装置的测量方法，能够实时同步地测量高能束增材制造成形过程中的温度与变形。

本发明所采用的技术方案是，一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，包括工作平台及安装在工作平台上的变形测量系统和温度测量系统。

工作平台包括工作台，工作台表面均匀分布有螺纹孔，工作台通过紧固螺钉连接有两个支架，其中一个支架上表面通过紧固螺钉连接有夹持板，夹持板下方夹持有基板；

变形测量系统包括接触式位移传感器和非接触式光学传感器，接触式位移传感器设置在两个支架之间的导轨上，导轨上滑动连接有若干传感器安装座，传感器安装座上设置有若干固定孔，接触式位移传感器设置在固定孔内；非接触式光学传感器通过传感器支撑杆安装在工作台的螺纹孔内，并位于基板一侧；

温度监测系统包括热电偶、高温热成像仪、跟踪式红外测温仪和固定式红外测温仪。其中，热电偶分别焊于基板上表面的两端及中间点处；高温热成像仪通过成像仪支撑杆安装在工作台的螺纹孔内，并位于基板另一侧；跟踪式红外测温仪通过可调节高度和角度的环形安装座固定，且位于基板正上方；固定式红外测温仪通过测温仪支撑杆分别设置在工作台的螺纹孔内，且固定式红外测温仪基板的两端及中部一侧。

本发明的特点还在于，

变形测量系统和温度测量系统通过数据线与嵌于高能束增材制造系统内部的数据记录系统相连接。

接触式位移传感器与固定孔通过手拧螺钉固定，接触式位移传感器位于基板下方。

成像仪支撑杆上设置有用于调节高度及角度的成像仪安装座。

跟踪式红外测温仪通过手拧螺钉与环形安装座固定。

测温仪支撑杆上设置有用于调节角度的测温仪安装座。

基板上方设置有激光熔覆喷头，环形安装座套装在激光熔覆喷头上；所述跟踪式红外测温仪位于激光熔覆喷头一侧。

固定式红外测温仪数量不少于3个。

本发明的另一技术方案是，一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将待测量成形件置于基板上，开启高能束加工设备进行加工，同时开启记录控制系统；

步骤2、通过接触式位移传感器实时测量基板在成形过程中的翘曲变形量；

步骤3、通过非接触式光学传感器实时测量成形件在成形过程中的变形量；

步骤4、通过热电偶实时测量基板在成形过程中的特定点的温度；

步骤5、通过固定式红外测温仪实时测量成形件在成形过程中特定点的温度；

步骤6、通过跟踪式红外测温仪实时测量成形过程中的熔池温度；

步骤7、通过高温热成像仪实时测量成形件某成形面的温度分布梯度；

步骤8、成形结束，待成形件完全冷却，完成测量。

本发明另一技术方案的特点还在于，

接触式位移传感器、非接触式光学传感器、高温热成像仪、固定式红外测温仪和跟踪式红外测温仪的实时信号通过记录控制系统收集处理。

本发明的有益效果是：

1)一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，通过采取接触式的高精度位移传感器、非接触式光学传感器实时测量变形的手段，解决了实时测量基板变形的问题；通过采取热电偶、红外测温仪与热成像相机实时测量温度的手段，得到成形过程中基板与成形件的特定点、特定面和熔池移动点的温度演变规律，多角度多方面获得实时精准测量结果；通过本装置能够实时在线同步测量高能束增材制造成形过程中温度与变形的参数，为成形工艺的反馈控制提供测量数据，确保成形件的性能与精度。

2)一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量方法，通过将成形件的实时变形及温度参数采集整理，直观体现了高能束增材制造过程中基板与成形件实时变形量的大小和方向，基板、成形件与熔池实时温度变化趋势与实时温度梯度，可为实现增材制造过程中的成形几何和组织性能控制提供准确的数据支撑，并可以通过成形标准形状试块，为高能束增材制造数值模拟有限元模型的验证和优化提供标准验证数据。

附图说明：

图1是本发明一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置的结构示意图；

图2是本发明一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置中位移传感器与热电偶测量基板的位置分布图；

图3是本发明一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置中光学传感器、红外测温仪与高温热成像仪测量成形件的位置分布图；

图4是本发明一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量方法中热电偶测量基板温度的实时变化曲线；

图5是本发明一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量方法中位移传感器测量基板变形的实时变化曲线。

图中，1.高温热成像仪，2.成像仪安装座，3.成像仪支撑杆，4.成形件，5.基板，6.接触式位移传感器，7.手拧螺钉，8.传感器支撑杆，9.导轨，10.传感器安装座，11.工作台，12.测温仪支撑杆，13.固定式红外测温仪，14.测温仪安装座，15.跟踪式红外测温仪，16.激光熔覆喷头，17.环形安装座，18.热电偶，19.紧固螺钉，20.夹持板，21.支架，22.非接触式光学传感器，23.固定孔，24.螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，如图1所示，包括工作平台及安装在工作平台上的变形测量系统和温度测量系统。其中，变形测量系统和温度测量系统通过数据线与嵌于高能束增材制造系统内部的数据记录系统相连接；通过数据记录模块实时记录整个成形过程并实时显示基板与成形件温度与变形数据。

工作平台由工作台11组成，工作台11表面均匀分布有M8的螺纹孔24，并且两孔之间间距为50mm，可用于多种零件的机夹与定位；工作台11通过紧固螺钉19固定有两个支架21，支架21下部分为中心间距为100mm间隙，其中一个支架21上表面通过紧固螺钉19连接有夹持板20，夹持板20下方夹持有基板5，对基板5的一端进行约束，确保成形时基板5无位移，其中两支架21间距可根据基板5大小调整。

变形测量系统包括接触式位移传感器6和非接触式光学传感器22。接触式位移传感器6设置在两个支架之间的导轨9上，导轨9直径为6mm，两端通过支架21中部间距为100mm的间隙孔固定配合；导轨9上滑动连接有若干传感器安装座10，传感器安装座10上设置有若干直径为10mm固定孔23，间距为15mm，接触式位移传感器6设置在固定孔23内，通过将接触式位移传感器6安装在不同固定孔23内，调整其水平和垂直于导轨9的位置，并通过手拧螺钉7紧固，来测量基板5翘曲变形；接触式位移传感器6量程为10mm，线性精度为0.02％，固定端外径为10mm，测量方式为回弹压缩式测量，该传感器可以将位移信号转换为0～5V电压信号，用于数据记录模块记录。非接触式光学传感器22采用红外波测量，有效波长为880nm，分辨率与精度可达5um，有效测量量程为1000mm。非接触式光学传感器22通过传感器支撑杆8安装在工作台11的螺纹孔24内，且位于基板5和成形件4一侧；传感器支撑杆8端部为M8螺纹，可与工作台11螺纹紧固连接，并垂直于基板5平面，确保非接触式光学传感器22测量高度与成形件4测点位置平齐，用于成形件4外壁变形的测量。

温度监测系统包括热电偶18、高温热成像仪1、跟踪式红外测温仪15和固定式红外测温仪13。其中，热电偶18选用带有高温包裹层的热电偶线，根据成形件4外形焊于基板5与成形件4交界面，沿基板5长度方向均匀布置多条热电偶线，焊于基板5上表面的两端及中间点处，用于基板5温度测量；高温热成像仪1通过成像仪支撑杆3安装在工作台的螺纹孔24内，高温热成像仪1位于基板5另一侧，成像仪支撑杆3端部为M8螺纹，可与工作台11螺纹紧固连接，并垂直于基板5平面，成像仪支撑杆3可以上下移动调整高温热成像仪1高度或旋转调整高温热成像仪1角度，使相机镜头中心轴线延长线方向正对被测区域几何中心，其中热成像相机为工业性能500万像素相机，视场为100mm×100mm，可监测-10℃至2000℃温度。跟踪式红外测温仪15通过可调节高度和角度的环形安装座17固定，且位于基板5正上方；基板5上方设置有激光熔覆喷头16，环形安装座17套装在激光熔覆喷头16上，跟踪式红外测温仪15位于激光熔覆喷头16一侧；跟踪式红外测温仪15发射头轴线延长线方向正对熔池，可实时测量高能束成形过程中熔池温度；固定式红外测温仪13通过测温仪支撑杆12分别设置在工作台11的螺纹孔24内，且固定式红外测温仪13位于成形件4的两端及中部一侧，并使固定式红外测温仪13发射头轴线延长线方向正对成形件两端点与一侧中点，固定式红外测温仪13数量不少于3个才能保证测温准确。红外测温仪测温范围为50-2000℃，测量精度为1％，分辨率可达0.1℃。

数据记录系统集成有数据分析模块，数据存储模块，数据显示模块，电源模块，中央控制模块，并且整个模块嵌于高能束增材制造系统内。其中数据分析模块可以将热电偶，传感器等电压信号进行放大，滤波，温度补偿，A/D转化，从而产生中央控制模块可以接受的信号；数据储存模块可以数据存储整个加工过程数据，便于后期数据采集与分析；电源模块给各个模块与传感器供电；数据显示模块可在成形过程中提供实时测量数据的显示。

本发明一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量方法，以成形零件为某型号航空叶片为例，具体包括以下步骤：

步骤1：在计算机中载入成形零件三维模型并进行分层切片，并确定合适的扫描路径与加工工艺参数。

步骤2：将一个支架21固定于工作台11一侧，并用紧固螺钉19进行定位紧固。

步骤3：将导轨9插入支架21中部固定孔23内，并将传感器安装座10套装到导轨9之上，其中基板5规格为长200mm，宽70mm，厚6mm，将另一个支架21固定于四倍螺纹孔间距的工作台11另一侧，并于导轨9另一端配合固定，其中选用长度为245mm的导轨9。

步骤4：将基板5放置与两支架21之上，并用夹持板20进行一端加持固定。其中，基板5长度方向中轴线与支架21竖直对称面重合。

步骤5：将接触式位移传感器6根据基板5测点位置插入传感器安装座10内，测量端与基板5底部接触，并通过手拧螺钉7紧固，本实施方式将监测基板5长度方向与宽度方向两个方向的翘曲变形。将热电偶18焊于基板5特定点处，即航空叶片两端点与中心位置。其中基板5温度与变形测点如图2所示：方形点表示接触式位移传感器测点，圆形点表示热电偶测点。

步骤6：将成像仪支撑杆3立于工作台之上，并保证支撑杆中心轴线与工作台水平面垂直。将高温热成像仪1安装到成像仪安装座2之上，调整相机拍摄高度与角度，确保相机镜头轴线延长线正对成形件4侧面几何中心。

步骤7：将固定式红外测温仪13安装在安装座内并固定于测温仪支撑杆12之上，三个固定式红外测温仪13分布与基板5两端与一侧，调节安装座高度与测温仪角度，使得测点分别位于成形件两端点与一侧中点。将非接触式光学传感器22安装在传感器支撑杆8之上，并位于成形件一侧，调整传感器测量角度，使得测点位于成形件侧面几何中心。其中成形件温度与变形测点如图3所示：方形点表示非接触式光学传感器测量点，圆形点表示固定式红外测温仪测点，虚线框表示高温热成像仪测区。

步骤8：将跟踪式红外测温仪15安装于环形安装座17内，调整安装座高度与测温仪角度，使跟踪式红外测温仪15发射头轴线延长线方向正对熔池。

步骤9：将激光熔覆喷头16置于加工起始点，开启激光立体成形设备进行加工同时开启记录控制系统。通过接触式的热电偶18实时测量基板5在成形过程中的特定点的温度，如图4所示的测量结果，基板5在成型过程中温度会趋于稳定，并随着激光热源的移动产生微小波动，其中测点1，测点2，测点3分别表示热电偶18测量基板5特定点处的实时温度变化曲线；通过非接触式光学传感器22实时测量成形件4在成形过程中的变形量；通过接触式位移传感器6实时测量基板5在成形过程中的翘曲变形量，如图5所示的测量结果，基板5在成形过程中会产生向上的变形，其中测点1，测点2，测点3分别表示接触式位移传感器6测量基板5特定点处基板5翘曲变形曲线；通过固定式红外测温仪13实时测量成形件4在成形过程中特定点的温度；通过跟踪式红外测温仪15实时测量成形过程中的熔池温度；通过高温热成像仪1实时测量成形件4某成形面的温度分布。

步骤10：成形结束，待成形件4完全冷却，完成测量，关闭成形设备与测量装置。

Claims (10)

1.一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于：包括工作平台及安装在所述工作平台上的变形测量系统和温度测量系统；

所述工作平台包括工作台(11)，工作台(11)表面均匀分布有螺纹孔(24)，工作台(11)通过紧固螺钉(19)连接有两个支架(21)，其中一个所述支架(21)上表面通过紧固螺钉(19)连接有夹持板(20)，夹持板(20)下方夹持有基板(5)；

所述变形测量系统包括接触式位移传感器(6)和非接触式光学传感器(22)；接触式位移传感器(6)设置在两支架(21)之间的导轨(9)上，导轨(9)上滑动连接有若干传感器安装座(10)，所述传感器安装座(10)上设置有若干固定孔(23)，接触式位移传感器(6)设置在固定孔(23)内；所述非接触式光学传感器(22)通过传感器支撑杆(8)安装在工作台(11)的螺纹孔(24)内，非接触式光学传感器(22)位于所述基板(5)一侧；

所述温度监测系统包括热电偶(18)，高温热成像仪(1)，跟踪式红外测温仪(15)和固定式红外测温仪(13)；其中，所述热电偶(18)分别焊于基板(5)上表面的两端及中间点处；所述高温热成像仪(1)通过成像仪支撑杆(3)安装在工作台(11)的螺纹孔(24)内，且高温热成像仪(1)位于所述基板(5)另一侧；所述跟踪式红外测温仪(15)通过可调节高度和角度的环形安装座(17)固定，跟踪式红外测温仪(15)位于所述基板(5)正上方；所述固定式红外测温仪(13)通过测温仪支撑杆(12)安装在的螺纹孔(24)内，固定式红外测温仪(13)分别位于所述基板(5)的两端及中部一侧。

2.根据权利要求1所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于，所述变形测量系统和温度测量系统通过数据线与嵌于高能束增材制造系统内部的数据记录系统相连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于，所述接触式位移传感器(6)与固定孔(23)通过手拧螺钉(7)固定，接触式位移传感器(6)位于所述基板(5)下方。

4.根据权利要求1或2所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于，所述成像仪支撑杆(3)上设置有用于调节高度与角度的成像仪安装座(2)。

5.根据权利要求1或2所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于，所述跟踪式红外测温仪(15)通过手拧螺钉(7)与环形安装座(17)固定。

6.根据权利要求1或2所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于，所述测温仪支撑杆(12)上设置有用于调节角度的测温仪安装座(14)。

7.根据权利要求1或2所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于，所述基板(5)上方设置有激光熔覆喷头(16)，所述环形安装座(17)套装在激光熔覆喷头(16)上；所述跟踪式红外测温仪(15)位于激光熔覆喷头(16)一侧。

8.根据权利要求1或2所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量装置，其特征在于，所述固定式红外测温仪(13)数量不少于3个。

9.根据权利要求1或2所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、将待测量成形件(4)置于基板(5)上，开启高能束加工设备进行加工，同时开启记录控制系统；

步骤2、通过接触式位移传感器(6)实时测量基板(5)在成形过程中的翘曲变形量；

步骤3、通过非接触式光学传感器(22)实时测量成形件(4)在成形过程中的变形量；

步骤4、通过热电偶(18)实时测量基板(5)在成形过程中的特定点的温度；

步骤5、通过固定式红外测温仪(13)实时测量成形件(4)在成形过程中特定点的温度；

步骤6、通过跟踪式红外测温仪(15)实时测量成形过程中的熔池温度；

步骤7、通过高温热成像仪(1)实时测量成形件(4)某成形面的温度分布梯度；

步骤8、成形结束，待成形件(4)完全冷却，完成测量。

10.根据权利要求9所述的一种高能束增材制造中温度与变形实时同步测量方法，其特征在于，所述接触式位移传感器(6)、非接触式光学传感器(22)、高温热成像仪(1)、固定式红外测温仪(13)和跟踪式红外测温仪(15)的实时信号通过记录控制系统收集处理。