CN111122448A - 一种增材制造图谱式应力分析方法 - Google Patents

一种增材制造图谱式应力分析方法 Download PDF

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陈胜贵
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Abstract

本发明提供了一种增材制造图谱式应力分析方法，通过将基板打磨抛光，用丙酮对基板做进一步清洗处理；在多个基板上一一对应的采用单变量法而增材制造出多个样品；分割多个样品，得到每个样品的多个横截切面；分析每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力以及激光比能量残余应力，并归类，归类后根据激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力、以及激光比能量残余应力的变化生成图谱，从而实现以图谱形式展示增材制造过程中的残余应力曲线的技术效果。

Description

一种增材制造图谱式应力分析方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及为一种增材制造图谱式应力分析方法。
背景技术
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料和/或医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术；
但目前在增材制造的一步骤过程中，局部的热量输入会造成不均匀温度场，以引起局部热效应，表现为熔池在凝固及随后冷却过程不一致，从而在成形件和基板上产生残余应力。残余应力作为一种内应力对材料性能有非常不利的影响，也会影响制造精度和制造件机械性能，严重时会直接引发裂纹缺陷；因此，有必要对残余应力影响因素进行研究；目前对于残余应力的检测方式有压痕法，压痕法利用材料的弹性形变与应变增量的关系得到残余应变大小，再利用胡克定律求出残余应力，是目前最直接的残余应力测试方法；但未通过图谱的形式体现出来。
发明内容
本发明旨在实现以图谱形式显示增材制造过程中的残余应力曲线的技术效果，而提供一种增材制造图谱式应力分析方法。
本发明为解决技术问题采用如下技术手段：
本发明提供一种增材制造图谱式应力分析方法，包括：
准备阶段，将基板打磨抛光，用丙酮对所述基板做进一步清洗处理；
试验阶段，在多个所述基板上一一对应的采用单变量法而增材制造出多个样品，所述单变量法包括控制激光功率、控制粉晶送粉速度和控制扫描速度；
取样阶段，分割所述多个样品，得到每个样品的多个横截切面；
分析阶段，分析所述每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力以及激光比能量残余应力，并归类；
成谱阶段，归类后根据所述激光能量密度残余应力、所述粉晶密度残余应力、以及所述激光比能量残余应力的变化生成图谱。
进一步地，所述基板的材料为TA15钛合金。
进一步地，所述分割所述多个样品，得到每个样品的多个横截切面的步骤，包括：
采用等比切割法分割所述多个样品。
进一步地，所述分析所述每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力的步骤，包括：
分析所述多个横截切面的颜色焦黑程度，以分析所述多个横截切面的激光能量密度残余应力。
进一步地，分析所述每个样品的多个横截切面粉晶密度残余应力的步骤包括：
对所述多个横截切面进行压痕法处理，以得到所述多个横截切面的粉晶密度残余应力。
进一步地，所述分析所述每个样品的多个横截切面的激光比能量残余应力的步骤，包括：
采用预设公式，根据设定好的激光功率、粉晶送粉速度和扫描速度分析出多个横截切面的激光比能量残余应力。
进一步地，所述成谱阶段的步骤之后，还包括：
推荐阶段，比对所述激光能量密度残余应力、所述粉晶密度残余应力、以及所述激光比能量残余应力的图谱，推导出残余应力值最小的图谱。
本发明提供了增材制造图谱式应力分析方法，具有以下有益效果：
通过将基板打磨抛光，用丙酮对基板做进一步清洗处理；在多个基板上一一对应的采用单变量法而增材制造出多个样品，单变量法包括控制激光功率、控制粉晶送粉速度和控制扫描速度；分割多个样品，得到每个样品的多个横截切面；分析每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力以及激光比能量残余应力，并归类，归类后根据激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力、以及激光比能量残余应力的变化生成图谱，从而实现以图谱形式显示增材制造过程中的残余应力曲线的技术效果。
附图说明
图1为本发明增材制造图谱式应力分析方法一个实施例的流程示意图；
图2为本发明增材制造图谱式应力分析方法一个实施例的激光比能量残余应力的变化曲线图；
图3为本发明增材制造图谱式应力分析方法一个实施例的激光能量密度残余应力的变化曲线图；
图4为本发明增材制造图谱式应力分析方法一个实施例的粉晶密度残余应力的变化曲线图；
本发明为目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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。
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考附图1，为本发明一实施例中的增材制造图谱式应力分析方法的流程示意图，该增材制造图谱式应力分析方法的步骤包括：
S1，准备阶段，将基板打磨抛光，用丙酮对基板做进一步清洗处理；
S2，试验阶段，在多个基板上一一对应的采用单变量法而增材制造出多个样品，单变量法包括控制激光功率、控制粉晶送粉速度和控制扫描速度；
S3，取样阶段，分割多个样品，得到每个样品的多个横截切面；
S4，分析阶段，分析每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力以及激光比能量残余应力，并归类；
S5，成谱阶段，归类后根据激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力、以及激光比能量残余应力的变化生成图谱。
具体的，上述基板的材料为TA15钛合金且横截面为24mm x 40mm，上述用于送粉的粉晶材料为TA15钛合金球形粉末，粒度为-100～+200目(75～150um)，且上述粉晶材料在试验前在120摄氏度的真空环境下进行干燥预处理；上述单变量法例如为控制激光功率的高低大小，而对应的控制粉晶送粉速度和控制扫描速度数值不变，即为单变量法。
优选地，上述采用10个基板，且在该10个基板上进行增材制造，从而得到10个样品，由上述可知，该10个样品因为采用的不同的变量进行增材制造，因此其内的残余应力定然不同，从而对其进行分析，在分析前对其进行取样，步骤为分割10个样品，每个样品有多个横截切面；例如：采用一特定的激光功率进行增材制造得到的一样品，其被分割后得到多层横截切面，工人将其归为一类，分隔手段为采用切割机等设备进行等比切割法分割。
在具体实施时，工人/机器分别对上述10个样品对应的横截切面进行分析，一一分析其激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力、以及激光比能量残余应力，具体方式如下：
参考附图2，为分析每个样品的多个横截切面的激光比能量残余应力的步骤的变化曲线图；
采用预设公式，根据设定好的激光功率、粉晶送粉速度和扫描速度分析出多个横截切面的激光比能量残余应力。
具体的，激光比能量、射线能量密度ρ、粉晶密度G，对应的预设公式为：
Figure BDA0002327542680000041
式中，P为激光功率，D为根据粉晶送粉速度洒在横截切面上的光斑的直径，V为扫描速度。
参考附图3，为激光能量密度残余应力的变化曲线图，在一个实施例中，分析每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力的步骤，包括：
分析多个横截切面的颜色焦黑程度，以分析多个横截切面的激光能量密度残余应力。
图4为粉晶密度残余应力的变化曲线图，在一个实施例中，分析每个样品的多个横截切面粉晶密度残余应力的步骤包括：
对多个横截切面进行压痕法处理，以得到多个横截切面的粉晶密度残余应力。
具体的，压痕应力测量方法对测试样件具有较小的损伤，而且测量方便准确，其原理为：在平面应力场中，由压入球形压痕产生的材料流变会引起受力材料的松弛变形(拉应力区材料缩短，压应力区材料伸长)，与此同时，由压痕自身产生的弹塑性区及其周围的应力应变场在残余应力的作用下也要产生相应变化，这两种变形行为的叠加所产生的应变变化量可称之为叠加应变增量(简称应变增量)。利用球形压痕诱导产生的应变增量求解残余应力的方法就叫做压痕应变法。该方法采用电阻应变花作为测量用的敏感元件，在应变栅轴线中心通过机械加载制造一定尺寸的压痕，通过应变仪记录应变增量数值，利用事先对所测材料标定得到的弹性应变与应变增量的关系得到残余应变大小，再利用胡克定律求出残余应力。
在另一个实施例中，因为多个横截切面上聚集有粉晶，工人/机器通过压力机将粉晶向横截切面内挤压，从而能够得到横截切面的凹陷深度，可以理解，凹陷的越深说明粉晶约集中，其残余应力越小。
在一个实施例中，成谱阶段的步骤S5之后，还包括：
S6，推荐阶段，比对激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力、以及激光比能量残余应力的图谱，推导出残余应力值最小的图谱。
具体的，机器自动对比出最合适的残余应力图谱以推荐给工人。
综上所述，通过将基板打磨抛光，用丙酮对基板做进一步清洗处理；在多个基板上一一对应的采用单变量法而增材制造出多个样品，单变量法包括控制激光功率、控制粉晶送粉速度和控制扫描速度；分割多个样品，得到每个样品的多个横截切面；分析每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力以及激光比能量残余应力，并归类，归类后根据激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力、以及激光比能量残余应力的变化生成图谱，从而实现以图谱形式显示增材制造过程中的残余应力曲线的技术效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种增材制造图谱式应力分析方法，其特征在于，包括：
准备阶段，将基板打磨抛光，用丙酮对所述基板做进一步清洗处理；
试验阶段，在多个所述基板上一一对应的采用单变量法而增材制造出多个样品，所述单变量法包括控制激光功率、控制粉晶送粉速度和控制扫描速度；
取样阶段，分割所述多个样品，得到每个样品的多个横截切面；
分析阶段，分析所述每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力、粉晶密度残余应力以及激光比能量残余应力，并归类；
成谱阶段，归类后根据所述激光能量密度残余应力、所述粉晶密度残余应力、以及所述激光比能量残余应力的变化生成图谱。
2.根据权利要求1所述的增材制造图谱式应力分析方法，其特征在于，所述基板的材料为TA15钛合金。
3.根据权利要求1所述的增材制造图谱式应力分析方法，其特征在于，所述分割所述多个样品，得到每个样品的多个横截切面的步骤，包括：采用等比切割法分割所述多个样品。
4.根据权利要求1所述的增材制造图谱式应力分析方法，其特征在于，所述分析所述每个样品的多个横截切面的激光能量密度残余应力的步骤，包括：分析所述多个横截切面的颜色焦黑程度，以分析所述多个横截切面的激光能量密度残余应力。
5.根据权利要求1所述的增材制造图谱式应力分析方法，其特征在于，分析所述每个样品的多个横截切面粉晶密度残余应力的步骤包括：对所述多个横截切面进行压痕法处理，以得到所述多个横截切面的粉晶密度残余应力。
6.根据权利要求1所述的增材制造图谱式应力分析方法，其特征在于，所述分析所述每个样品的多个横截切面的激光比能量残余应力的步骤，包括：采用预设公式，根据设定好的激光功率、粉晶送粉速度和扫描速度分析出多个横截切面的激光比能量残余应力。
7.根据权利要求1所述的增材制造图谱式应力分析方法，其特征在于，所述成谱阶段的步骤之后，还包括：推荐阶段，比对所述激光能量密度残余应力、所述粉晶密度残余应力、以及所述激光比能量残余应力的图谱，推导出残余应力值最小的图谱。
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