CN109513931B - 一种增材制造残余热应力及其诱导变形的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及增材制造成形件几何精度控制领域，特别涉及一种增材制造残余热应力及其诱导变形的控制方法，包括以下步骤：1）采用实验或数值模拟方法获得成形件残余应力分布及应力值；2）根据具体成形件结构形式，设计连续或非连续型柔性基底结构，使所设计的柔性结构等效应变低于许用变形量范围内，具有低于本体材料的等效弹性模量，3）通过设计多组柔性基底结构，实现基于柔性结构的残余应力分区释放与主动控制。4）在增材成形过程中，逐渐改变柔性结构特征尺寸，降低结构柔度系数，获得梯度柔性结构，以满足构件服役载荷要求。通过结构变形，空间离散并释放残余应力，在许用变形量范围内，实现空间宏观热应力的离散控制。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造成形件几何精度控制领域，特别涉及一种增材制造残余热应力及其诱导变形的控制方法。
背景技术
增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动，采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的快速成形技术。其也常被称为材料累加制造（material increase manufacturing）、分层制造（layered manufacturing）、自由实体制造（solid freeform fabrication）、3D打印技术（3D printing）等。根据载能束的不同，高性能金属增材制造技术可分为激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造。区别于传统的“减材”制造方法，增材制造技术无需刀具、模具等即可根据零件3D-CAD数据逐层累加制造实体零件，降低工序、缩短产品制造周期，尤其适于定制化小批量产品的制造，而且越是结构复杂的产品，其快速高效成形的优势越显著。
但在金属零件增材制造过程中，增材成形件经常出现变形问题，影响自动化成形过程及零件最终几何尺寸精度，严重时甚至开裂，成形件报废。导致该问题的根本原因是成形过程瞬时局域热源移动时序作用于工件表面形成非均匀温度场，导致零件残余热应力集中，进而引起变形甚至开裂问题。尤其对电弧增材制造技术（Wire and Arc AdditiveManufacture, WAAM）而言，其热输入较大且应用目标为大尺寸构件近净成形，温度场的不均匀性更显著，变形问题更严重。因增材成形过程强烈依赖于上一层成形形貌及尺寸稳定性，残余热应力诱导的变形甚至开裂往往致使成形过程无法继续，成形件报废。目前，有效控制残余热应力，抑制产生较大的应力集中，防止变形，成为金属增材制造的难点问题。
在焊接技术中，普遍采用焊前控制，如预变形、预拉伸、刚性固定等，调节热输入及焊后处理，如滚压焊缝、锤击、温差拉伸、机械拉伸、焊后高温回火等控制焊接残余应力，抑制焊接变形。但对增材制造而言，仅刚性固定、调节热输入、随焊滚压、锤击等变形抑制方法具有一定的可行性，但刚性固定移除后，原成形件尺寸、结构精度难以保证，调节热输入在多道往复的成形过程中，对宏观温度场的影响甚微。克兰菲尔德大学的Colegrove研究了随焊碾压在WAAM成形中的应用，该方法虽然在横向、纵向残余应力集中的某些位置具有显著的降低残余应力作用，但滚压的作用可能仅限于第二、三类内应力的释放，而对于宏观内应力的释放能力有限，在文献[P. A. Colegrove, H. E. Coules, J. Fairman,et al.Microstructure and residual stress improvement in wire and arc additivelymanufactured parts through high-pressure rolling [J]. Journal of MaterialsProcessing Technology, 2013, 23(10): 1782-1791.]中，可知25KN与50KN压力滚压后，残余应力水平几乎无差异，表明经一定程度的塑性变形后，微观应力释放，继续增加变形程度，对宏观残余应力的效果甚微。同时，随焊滚压极大地增加了WAAM设备投入，且不利于发挥其高效成形的优势。现有的应用于焊接技术中的残余应力控制方法在解决金属增材制造，尤其是WAAM成形造成的大尺寸宏观热应力问题上相形见绌。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造残余热应力及其诱导变形的控制方法，通过结构变形，空间离散并释放残余应力，在许用变形量范围内，实现空间宏观热应力的离散控制。
本发明的技术方案在于：一种增材制造残余热应力及其诱导变形的控制方法，包括以下步骤：
1）采用实验或数值模拟方法获得成形件残余应力分布及应力值；
2）根据具体成形件结构形式，设计连续或非连续型柔性基底结构，使所设计的柔性结构等效应变低于许用变形量范围内，具有低于本体材料的等效弹性模量，
3）通过设计多组柔性基底结构，实现基于柔性结构的残余应力分区释放与主动控制。
4）在增材成形过程中，逐渐改变柔性结构特征尺寸，降低结构柔度系数，获得梯度柔性结构，以满足构件服役载荷要求。
进一步地，所述步骤2）中，产生残余应力后，柔性结构先于本体材料发生变形，以抑制应力集中导致的本体材料屈服。
进一步地，所述步骤4）中，逐渐改变柔性结构特征尺寸为跨距或矢高或曲率。
与现有技术相比较，本发明具有以下优点：
1. 基于增材制造技术在复杂空间结构构型能力上的优势，柔性结构可设计性强，提出进行可控模量的柔性基底结构设计，通过结构变形，空间离散并释放残余应力，在许用变形量范围内，实现空间宏观热应力的离散控制。针对不同的零部件形式，为增材制造零件热应力控制，减小零件变形提供方法，该方法的适用性高；
2. 在出现应力集中前，利用应力低于本体材料屈服的柔性结构变形，缓解冷却时不均匀温度场引起的成形件内部之间的相互约束。相比其他热加工过程先被动接受残余应力再后处理的方法，该方法可实现残余应力的主动控制；
3. 无需其他硬件设备的投入，实施成本低。
附图说明
图1为本发明的连续型曲线柔性结构示意图；
图2为本发明的非连续型镂空柔性结构示意图；
图3为本发明的弧高5mm、10mm、25mm的曲线结构拉伸应力-应变曲线图；
图4为本发明的弦长50mm、弧高5mm的连续型曲线柔性结构示意图；
图5为本发明的弦长50mm、弧高10mm的连续型曲线柔性结构示意图；
图6为本发明的弦长50mm、弧高25mm的连续型曲线柔性结构示意图；
图7为本发明的弦长30mm、50mm、80mm的曲线结构拉伸应力-应变曲线图；
图8为本发明的弦长30mm、弧高6mm的连续型曲线柔性结构示意图；
图9为本发明的弦长50mm、弧高10mm的连续型曲线柔性结构示意图；
图10为本发明的弦长80mm、弧高16mm的连续型曲线柔性结构示意图；
图11为本发明的带柔性结构的加强筋结构示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下，但本发明并不限于此。
参考图1至图11
1）采用实验或数值模拟方法获得成形件残余应力分布及应力值；
2）根据具体成形件结构形式，设计连续或非连续型柔性基底结构，典型结构如附图1、2所示，使所设计的柔性结构等效应变低于许用变形量范围内，具有低于本体材料的等效弹性模量，如图3-图10，即产生残余应力后，柔性结构先于本体材料发生变形，以抑制应力集中导致的本体材料屈服。
3）通过设计多组柔性基底结构，实现基于柔性结构的残余应力分区释放与主动控制。
4）在增材成形过程中，逐渐改变柔性结构特征尺寸（跨距、矢高或曲率），如图11，降低结构柔度系数，获得梯度柔性结构，以满足构件服役载荷要求。
具体以平板增材加筋为实施例
（1）柔性结构设计
首选，以跨距、矢高为变量增材成形曲板结构，经静载拉伸试验获得不同曲线结构形式的应力-应变曲线，如附图3-图10所示。选取载荷达屈服应力值时，等效应变介于本体材料屈服应变与许用变形量（本实施例中选用5%为许用变形量）之间的结构形式作为柔性结构，以保证低于本体屈服应力时，柔性结构率先发生变形，且变形量低于许用变形量。在图3-图10中，跨距为50mm，矢高为5mm时，载荷达本体屈服强度125MPa时，变形量约为5%柔性结构，故选取此结构形式为本实施例的柔性结构；
（2）平板增材加筋
以TIG电弧增材制造系统为成形设备，AA5A06焊丝为成形原材料，在350×200×8mm平板增材加筋。首选，不送丝预热基板至100℃，然后连续成形5段曲线柔性结构（跨距50mm，矢高5mm）至8mm高，后续成形过程中逐渐减小跨距、矢高0.5mm直至过渡为直板结构，最后增材成形直板结构至设计高度，增材成形的带柔性结构加强筋如图11所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的一种增材制造残余热应力及其诱导变形的控制方法并不需要创造性的劳动，在不脱离本发明的原理和精神的情况下凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修改、替换和变型，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (1)
1.一种增材制造残余热应力诱导变形的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采用实验或数值模拟方法获得成形件残余应力分布及应力值；
2）根据具体成形件结构形式，设计连续或非连续型柔性基底结构，使所设计的柔性结构等效应变低于许用变形量范围内且具有低于本体材料的等效弹性模量，产生残余应力后，柔性结构先于本体材料发生变形，以抑制应力集中导致的本体材料屈服；
3）通过设计多组柔性基底结构，实现基于柔性结构的残余应力分区释放与主动控制；
4）在增材成形过程中，逐渐改变柔性结构特征尺寸，降低结构柔度系数，获得梯度柔性结构，以满足构件服役载荷要求，逐渐改变柔性结构特征尺寸为跨距或矢高或曲率。
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