CN110421169A - 一种金属增材制造过程中缺陷在线修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属増材制造技术领域，并公开了一种金属增材制造过程中缺陷在线修复方法。该方法包括下列步骤：(a)在金属増材制造过程中对待成形对象的每个切片层成形时，同步进行缺陷检测，以此确定切片层中是否存在缺陷和缺陷所在的位置；(b)在缺陷所在的位置设定缺陷去除区域的尺寸，然后对缺陷去除；测量缺陷去除区域实际的尺寸，获得缺陷去除区域实际的三维结构，采用増材制造的方法重新成形缺陷去除区域；(c)对重新成形的缺陷去除区域的边界进行重熔，使其边界与相邻的部分衔接，以此实现缺陷的在线修复。通过本发明，实现对缺陷部分高效精准去除并保证重熔修复的质量，解决了现有金属增材制造过程中熔道缺陷的修复难题。

Description

一种金属增材制造过程中缺陷在线修复方法

技术领域

本发明属于金属増材制造技术领域，更具体地，涉及一种金属增材制造过程中缺陷在线修复方法。

背景技术

金属增材制造技术是根据零件的三维模型，将材料熔化并采用逐层堆积的方法制造零件。金属增材制造技术无需工装和模具，可以根据零件三维模型直接成形，具有制造周期短、材料利用率高和加工成本低的特点。因此，金属增材制造技术适合航空航天领域中大型复杂钛合金、高温合金等难加工材料构件的制造，克服铸造或锻造结合机加工等传统制造方式存在的加工周期长、材料利用率低的问题。然而金属材料的熔融沉积是一个多物理场耦合的过程，成形中由于温度剧烈变化极易出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。金属零件中的缺陷一方面将严重降低零件的组织性能，另一方面零件内部的微小缺陷将在后期使用或交变载荷的作用下逐渐扩展，使零件失效从而引发事故。目前铸锻铣分离工艺质量检测方式主要是在零件制造成型后的不同加工工序中离线使用超声波、X光射线探伤等方式检测缺陷，通过不同工序间不断淘汰有缺陷零件，进行前续工序质量控制。而增材制造打开了设计想象空间，数字化逐层堆积进行整体制造，一旦有零件如复杂内腔、内流道等零件在制造过程中出现缺陷，由于其设计理念和整体制造工艺约束，限制了工具可达性，在零件完成后再离线检测修复已是不可能完成的任务，整个零件都将是一个废品，其经济损失和时间损失都不能接受，因此增材制造质量控制应该在制造过程中层间堆积时完成。

针对上述问题，需要在金属零件增材制造过程中检测缺陷并进行在线修复，从制造源头控制缺陷的产生。现有研究对金属增材制造过程中的缺陷控制主要集中在成形参数优化，对熔池参数进行在线检测并反馈控制到最优参数，以减少缺陷的形成。然而成形过程中仍不可避免产生缺陷，需要检测定位出缺陷并进行在线修复，再进行后续的堆积成形。现有研究多数集中在缺陷在线检测方法上，但是目前对于检测出的缺陷如何高效修复并保证修复后质量的相关研究较少。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属增材制造过程中缺陷在线修复方法，采用超声振动辅助铣削技术将局部含有缺陷的金属材料去除，通过线激光和相机得到零件轮廓信息，据此规划合理的路径，对被去除的缺陷部分重新熔融沉积至所需尺寸，其中借助高频感应加热线圈来控制成形温度，该方法在金属成形过程中对缺陷进行在线修复，可实现对缺陷部分精准去除和重熔修复，保证修复质量，解决了现有金属增材制造过程中熔道缺陷的修复难题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，该方法包括下列步骤：

(a)在金属増材制造过程中对待成形对象的每个切片层逐层成形时，同步对每个切片层进行缺陷的检测，以此确定每个切片层中是否存在缺陷，以及缺陷所在的位置；

(b)在所述缺陷所在的位置设定缺陷去除区域的尺寸，然后根据该尺寸对缺陷所在的位置进行缺陷去除；测量缺陷去除区域实际的尺寸，以此获得缺陷去除区域实际的三维结构信息，采用金属増材制造的方法，根据该三维结构信息在缺陷所在的位置重新成形缺陷去除区域；

(c)对重新成形的缺陷去除区域的边界进行重熔，使重新成形的缺陷去除区域的边界与其相邻的部分衔接，以此实现缺陷的在线修复。

进一步优选地，在步骤(a)中，缺陷的检测优选采用电磁超声技术，其通过发射探头发射高功率脉冲信号，在待加工对象表面产生脉冲涡流，从而使熔道内部质点发生超声振动信号，回波探头接收待加工对象内部产生的电磁超声回波信号，通过换能器差分接收线圈对回波信号进行差分处理，对差分信号进行滤波、放大处理并分析得到缺陷信息，以此确定是否存在缺陷，以及缺陷所在的位置。

进一步优选地，在步骤(b)中，缺陷去除优选采用铣削加工的方法，铣削去除过程中，在刀具上施加超声振动，使刀具与待加工对象产生周期性的接触和分离，从而在无切削液情况下降低切削温度并延长刀具寿命，提高材料的去除效率，其中，超声振动的施加通过超声波发生器、压电换能器和变幅杆来实现，超声波发生器将产生的超声波电信号接入压电换能器，换能器将电信号转换为超声频的振动，变幅杆与换能器相连，将微弱的振动幅值放大，将刀具与变幅杆相连，从而实现刀具的超声振动。

进一步优选地，在步骤(b)中，测量缺陷去除区域实际的尺寸优选采用投影结构光测量技术，采用线激光器将结构光投射到缺陷去除区域的熔道上，使用相机从不同角度捕获图像，对图像中的光源信息进行解码分析，计算表面的三维信息。

进一步优选地，在步骤(c)中，在重熔前，优选同步对重新成形的缺陷去除区域的边界相邻的部分表面进行电磁感应加热使其预热，防止熔融修复后出现裂纹、晶粒粗大等缺陷。

进一步优选地，电磁感应加热的方式为：通过电磁感应加热电源产生高频高压电，将交变电流通入电磁感应线圈产生高速变化的交变磁场，使熔道表面产生涡流进而产生热量，其中，电磁感应线圈置于熔道上方，在熔融沉积之前对熔道加热，控制预热温度。

进一步优选地，在步骤(c)中，重新成形的缺陷去除区域的边界与其相邻的部分衔接后，采用激光冲击的方式对衔接处进行局部强化，提高组织性能，其中激光冲击是通过对衔接处的表面发射强激光束产生等离子冲击波，使材料发生塑性变形并更为致密，晶粒细化，组织性能超过正常制造金属性能。

进一步优选地，在步骤(a)中，金属増材制造的方式优选为通过高能束热源融化金属材料，其中高能束热源为激光、电弧、电子束或离子束，金属材料的形状为丝材、粉末或块状。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明可以在增材制造过程中，检测并确定缺陷的位置，并对缺陷进行在线去除和重熔修复，整个修复过程是和增材制造过程同步进行，无需因缺陷修复而暂停制造，不影响成形效率；

2、本发明可精确定位出缺陷的位置，从而仅对具有缺陷的局部进行材料去除并保留无缺陷的部位，无需去除整层金属材料，对于大型金属零件的制造可极大提高材料利用率和加工效率；

3、本发明采用超声振动辅助铣削技术去除难加工材料局部缺陷，此时为保证加工效率需在零件尚有余温的情况下去除材料且无法添加切削液，对刀具在铣削过程中施加的超声振动使刀具和零件产生周期性的接触和分离，可降低切削力，有利于刀尖散热，延长刀具寿命，避免频繁换刀，有利于提高热态干式铣削的效率；

4、本发明在对局部进行重熔修复之前通过电磁感应预热熔道表面，同时在金属内部产生电磁力，两者形成的热量和冲击力可以有效控制沉积成形的组织和性能，减少缺陷，降低应力和变形；

5.本发明采用激光冲击强化修复边界，有利于降低修复边界处残余应力和变形，使修复组织与基体有效结合，提高已沉积边界处重熔修复部位的组织性能。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的缺陷在线修复方法流程框图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的缺陷在线修复方法工艺流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-已沉积零件，2-喷嘴，3-熔融金属液滴，4-红外热像仪，5-电磁超声探头，6-缺陷，7-待沉积部位，8-超声辅助铣刀，9-切屑，10-线激光发射器，11-相机，12-喷嘴，13-电磁感应线圈，14-修复边界，15-激光器，16-修复后金属层。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和2所示，一种金属增材制造过程中缺陷在线修复方法，具体包括如下步骤：

步骤1，缺陷检测：喷嘴2将融化的金属材料逐层堆积，形成已沉积零件1，在喷嘴2将继续沉积第8层的过程中，电磁超声探头5置于熔道上方，发射并接收电磁超声信号，红外热像仪4置于零件上方的一侧，获取零件表面的温度图像，通过分析接收的回波信号和温度场信息检测每一层熔道的缺陷6并确定缺陷的大小和位置。

步骤2，缺陷去除：对存在缺陷的部位使用超声辅助铣刀8去除局部金属材料。铣削加工过程中，在铣刀上施加超声振动，使刀具与零件产生周期性的接触和分离，提高材料的去除效率，将缺陷6去除后形成对应的待沉积部位7。

步骤3，形貌测量：缺陷去除之后，采用线激光器10将结构光投射到熔道上，使用相机11从特定角度捕获图像，对图像中的光源信息进行解码分析，对去除之后的表层熔道形貌进行三维重建，获取三维形貌信息作为下一步重熔路径规划的基础。

步骤4，路径规划：将获取的三维形貌信息导入控制软件，对待修复部位处理成一系列截面层，并由特定的算法生成每个截面层的扫描路径，填充缺陷去除后的待沉积部位，确保重熔的效率和质量。

步骤5，重熔修复：喷嘴12沿着规划好的路径，对待沉积部位7重新进行金属材料的熔融堆积制造，实现缺陷的修复。电磁感应线圈13置于熔道上表面，在重熔修复前同步对熔道施加交变感应磁场，使熔道产生热量和电磁力，防止熔融修复后出现裂纹、晶粒粗大等缺陷，在重熔前，将零件空间状态、边界条件和获取的三维形貌信息导入控制软件，对待修复部位由特定的算法生成每个截面层的扫描路径，保证重熔的效率和质量。

具体的，步骤1中的电磁超声技术通过发射探头发射高功率脉冲信号，在试件表面产生脉冲涡流，从而使熔道内部质点发生超声振动信号，回波探头接收试件内部产生的电磁超声回波信号，对接收的信号进行分析处理可检测出有无缺陷并定位。红外热像技术通过采集熔融区域的红外热像图片，并对图片进行分析处理得到温度场信息，实时监测熔池情况。

优选的，电磁超声回波探头接收的电磁超声回波信号，是通过换能器差分接收线圈对回波信号进行差分处理，对差分信号进行滤波、放大处理并分析从而得到缺陷信息。

具体的，步骤2中刀具上超声振动的施加，是通过超声波发生器、压电换能器和变幅杆来实现。超声波发生器将产生的超声波电信号接入压电换能器，换能器将电信号转换为超声频的振动。变幅杆将微弱的振动幅值放大，刀具与变幅杆相连，从而实现刀具8末端的超声振动。

具体的，步骤5中的电磁感应加热方式具体为通过电磁感应加热电源产生高频高压电，将交变电流通入电磁感应线圈产生高速变化的交变磁场，使熔道表面产生涡流进而产生热量。

优选的，步骤5中重熔修复的金属材料尤其是边界部分14，易出现晶粒粗大、热裂纹、气孔等缺陷。故可对局部性能较差的部位采用激光冲击的方式对其进行局部强化，提高组织性能，其中激光冲击是通过激光器15对零件表面发射强激光束产生等离子冲击波，使材料发生塑性变形并在表层产生垂直于材料表面的压应力。

至此，该层金属缺陷修复完成，继续堆积后续金属材料，循环进行上述步骤直至金属构件制造完成。

以下为本发明的具体实施实例：

实施例

所选原材料为钛合金TC4，原材料的形态为金属丝材，熔融热源为电弧，成形制造150mm×100mm×50mm的长方体零件。零件左下角在成形平面x-y中的坐标为(0mm,0mm)。所采用的增材成形工艺参数为：焊接功率2.9KW，金属丝材直径为1.2mm，送丝速度9.5m/min，弧长修正10％，喷嘴的移动速度为500mm/min，层厚为5mm，扫描方式为往复式扫描。采用上述在线修复方法，对增材制造上述零件过程中的缺陷在线修复具体包括以下步骤：

步骤1，缺陷检测：喷嘴2将融化的金属材料逐层堆积，当前零件已堆积20层形成已沉积零件1，在喷嘴2在继续沉积第21层的过程中，电磁超声探头5跟随在喷嘴之后距离熔道上方10mm处，向熔道发射高功率脉冲产生电磁超声波。差分线圈探头在扫描至平面(120mm，30mm)，深度3mm处出现差分信号，表明此位置存在缺陷6。对红外热像仪4对获取到的温度图像进行分析处理实时监测熔池的温度变化。

步骤2，缺陷去除：以缺陷点(120mm，30mm)为平面中心的20mm×20mm×4mm区域内使用直径10mm的超声辅助铣刀8去除局部金属材料。铣削加工过程中，铣削速度80m/min，进给速度0.1mm/z，切削深度0.5mm，同时在铣刀上施加频率为15-20K，振幅为5-10μm的超声振动。将缺陷去除后形成对应的待沉积部位7。

步骤3，形貌测量：缺陷去除之后，采用线激光器10将结构光投射到熔道上，扫描速度为600mm/min，扫描范围宽60mm高50mm，扫描精度0.25mm/帧，使用相机11从特定角度捕获图像，相机采集帧率50帧/s，对图像中的光源信息进行解码分析，对去除之后的熔道形貌进行三维重建，得到缺陷去除后的区域信息作为下一步重熔路径规划的基础。

步骤4，路径规划：将获取的三维形貌信息导入控制软件，对待修复部位即缺陷处20mm×20mm×4mm区域处理成一系列截面层，并生成每个截面层的往复扫描路径，填充缺陷去除后的待沉积部位7。

步骤5，重熔修复：电磁感应线圈13的直径为30～50mm，线圈中心距喷嘴12的中心距离为20～50mm，距熔道上表面1～5mm。在重熔修复前同步对熔道施加频率30～100K的交变感应磁场。喷嘴12沿着上述规划好的路径，成形参数与前述相同，对待沉积部位7重新进行金属材料的熔融堆积制造，实现缺陷的修复。

缺陷重熔修复后，使用波长为1064nm,脉冲宽度为14ns,能量范围2～7J,光斑直径为2mm脉冲频率为2Hz的脉冲激光器15，冲击过程光斑的搭接率约为30％，对交界处14等局部性能较差的部位发射强激光束产生等离子冲击波对其进行局部强化，提高组织性能。至此，第21层金属缺陷修复完成，继续堆积第22层金属材料，循环进行上述步骤直至金属构件制造完成。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)在金属増材制造过程中对待成形对象的每个切片层逐层成形时，同步对每个切片层进行缺陷的检测，以此确定每个切片层中是否存在缺陷，以及缺陷所在的位置；

(b)在所述缺陷所在的位置设定缺陷去除区域的尺寸，然后根据该尺寸对缺陷所在的位置进行缺陷去除；测量缺陷去除区域实际的尺寸，以此获得缺陷去除区域实际的三维结构信息，采用金属増材制造的方法，根据该三维结构信息在缺陷所在的位置重新成形缺陷去除区域；

(c)对重新成形的缺陷去除区域的边界进行重熔，使重新成形的缺陷去除区域的边界与其相邻的部分衔接，以此实现缺陷的在线修复。

2.如权利要求1的一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，在步骤(a)中，缺陷的检测优选采用电磁超声技术，其通过发射探头发射高功率脉冲信号，在待加工对象表面产生脉冲涡流，从而使熔道内部质点发生超声振动信号，回波探头接收待加工对象内部产生的电磁超声回波信号，通过换能器差分接收线圈对回波信号进行差分处理，对差分信号进行滤波、放大处理并分析得到缺陷信息，以此确定是否存在缺陷，以及缺陷所在的位置。

3.如权利要求1的一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，在步骤(b)中，缺陷去除优选采用铣削加工的方法，铣削去除过程中，在刀具上施加超声振动，使刀具与待加工对象产生周期性的接触和分离，从而在无切削液情况下降低切削温度并延长刀具寿命，提高材料的去除效率，其中，超声振动的施加通过超声波发生器、压电换能器和变幅杆来实现，超声波发生器将产生的超声波电信号接入压电换能器，换能器将电信号转换为超声频的振动，变幅杆与换能器相连，将微弱的振动幅值放大，将刀具与变幅杆相连，从而实现刀具的超声振动。

4.如权利要求1的一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，在步骤(b)中，测量缺陷去除区域实际的尺寸优选采用投影结构光测量技术，采用线激光器将结构光投射到缺陷去除区域的熔道上，使用相机从不同角度捕获图像，对图像中的光源信息进行解码分析，计算表面的三维信息。

5.如权利要求1的一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，在步骤(c)中，在重熔前，优选同步对重新成形的缺陷去除区域的边界相邻的部分表面进行电磁感应加热使其预热，防止熔融修复后出现裂纹、晶粒粗大等缺陷。

6.如权利要求5的一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，电磁感应加热的方式为：通过电磁感应加热电源产生高频高压电，将交变电流通入电磁感应线圈产生高速变化的交变磁场，使熔道表面产生涡流进而产生热量，其中，电磁感应线圈置于熔道上方，在熔融沉积之前对熔道加热，控制预热温度。

7.如权利要求1的一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，在步骤(c)中，重新成形的缺陷去除区域的边界与其相邻的部分衔接后，采用激光冲击的方式对衔接处进行局部强化，提高组织性能，其中激光冲击是通过对衔接处的表面发射强激光束产生等离子冲击波，使材料发生塑性变形并更为致密，晶粒细化，组织性能超过正常制造金属性能。

8.如权利要求1的一种金属増材制造过程中缺陷在线修复方法，其特征在于，在步骤(a)中，金属増材制造的方式优选为通过高能束热源融化金属材料，其中高能束热源为激光、电弧、电子束或离子束，金属材料的形状为丝材、粉末或块状。