CN112329161A - 一种激光冲击可调的电弧增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电弧增材制造领域，具体涉及一种激光冲击可调的电弧增材制造方法。包括如下步骤：(1)：获得电弧增材的加工路径；(2)：设定好温度阈值；(3)：采用数值模拟方法实时获得电弧增材制造构件应力场分布；(4)：设定激光冲击路径并设置激光束参数；(5)：设定电弧增材的工艺参数，进行逐层丝材电弧制造；(6)：重复步骤(3)和(4)，对焊道进行激光冲击处理，消除残余应力；(7)：重复步骤(5)和步骤(6)直至加工完成电弧增材制造构件。本发明将数值模拟与激光冲击相结合运用在电弧增材制造中，使得不同区域的残余应力情况与激光冲击参数相对应，从而进行实时调整和保持最佳激光冲击工作参数，有效控制成形精度。
Description
技术领域
本发明属于电弧增材制造领域，具体涉及一种激光冲击可调的电弧增材制造方法。
背景技术
电弧增材制造技术是3D打印技术的一种，是通过电弧熔化金属，金属迅速凝固实现堆积，利用程序控制热源的移动轨迹来逐层堆积形成想要的构件形状。这种技术没有严格的外界条件要求，适用于各种成形环境和各种金属材料，成形效率高，成形过程中需要的丝材价格低廉，便于制备，弥补了激光增材和电子束增材制造工艺的不足之处。近年来，这种工艺开始被应用于航空航天领域，存在大量的探索空间。
然而在电弧増材制造过程中，容易受到重力和表面张力等多种外界因素影响，而且液态金属熔池不能保证堆积出连续且一致的熔覆层，导致成形构件表面质量较差。电弧增材制造的成形过程中，随着熔覆层不断的堆积，会产生大量的热累积，构件两端的液态金属很容易产生流淌，形成塌陷现象，难以完成对成形形貌的控制。在电弧增材制造成形过程中整个区域反复经历复杂的升温和降温过程，由此会产生残余应力和变形，严重影响构件的使用性能和尺寸精度。因此，电弧増材制造成形领域仍存在一些急需解决的问题。
激光冲击强化是利用能量密度达GW/cm2量级、脉宽为ns量级的强激光束辐照靶材表面，诱导形成高压冲击波，使靶材发生超高应变率的塑性变形，实现冲击强化区域晶粒细化并形成残余压应力，进而改善靶材抗疲劳、抗应力腐蚀等性能。将激光冲击和电弧增材制造结合，通过激光冲击可以减弱甚至消除残余拉应力，同时可以优化提高整体性能。
但是针对上述问题，现有的激光冲击辅助电弧增材制造的方法尽管利用了激光冲击强化功率密度大，可达性高，能够产生较深的残余应力影响层的特点，不同程度上去除了成形过程中的残余应力，但激光冲击参数和激光冲击路径没有合理规划和依据，随着冲击时工作电流的增大，冲击时向焊道表面输入的能量也在增大，残余应力降低的幅度越大。但当工作电流过大时，焊道表面会有更深的磨损与破坏，而且引入过大的压应力，不利于受压构件的应用。而对于复杂电弧增材制造结构件而言，增材制造成形后不同区域存在不同程度的残余拉应力，现有技术冲击路径无法改善分区应力变形与开裂问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调节激光冲击的电弧增材制造的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种激光冲击可调的电弧增材制造方法，包括如下步骤：
步骤(1)：利用总控制系统建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径；
步骤(2)：在总控制系统中输入温度数据，设定好温度阈值；
步骤(3)：总控制系统采用数值模拟方法实时获得电弧增材制造构件应力场分布；
步骤(4)：结合步骤(1)的加工路径和步骤(3)模拟得到的构件应力场分布，设定激光冲击路径并设置激光束参数；
步骤(5)：设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件进行逐层丝材电弧制造；
步骤(6)：成型一层增材结构件后，利用红外测温仪对沉积层温度进行采集，以设定的温度阈值为依据，待沉积层冷却到所需温度，调整激光冲击波发射头与焊道垂直，重复步骤(3)和(4)，对焊道进行激光冲击处理，消除残余应力；
步骤(7)：重复步骤(5)和步骤(6)直至加工完成电弧增材制造构件。
进一步的，所述步骤(3)总控制系统采用数值模拟方法实时获得电弧增材制造构件应力场分布中采用ANSYS软件进行模拟，具体步骤如下：
步骤(3-1)：建立电弧增材制造结构件的三维有限元模型，并进行网格划分；
步骤(3-2)：定义电弧增材制造结构件的单元类型，并确定材料热物理性能参数；
步骤(3-3)：分析成型过程，设置边界条件和初始条件，确定热分析种类及求解方法；
步骤(3-4)：进入移动热源加载循环，得到结果并处理；
步骤(3-5)：将节点温度作为载荷加到三维模型上进行耦合求解；
步骤(3-6)：对求解结果进行后处理分析，结合靶材的厚度和每层焊道厚度和宽度得到电弧增材构件每层焊道残余应力分布及应力值。
进一步的，所述步骤(3-3)中的确定热分析种类及求解方法采用瞬态热分析并利用瞬态热传导方程：
对于瞬态焊接温度场，根据傅立叶定律及能量守恒的基本原理可得非线性瞬态热传导问题的控制方程为：
ρ——材料的密度；
c——材料的比热容；
T——温度场分布函数；
λ——导热系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，边界条件分为以下三种类型：
第一类边界条件，规定了边界上的温度值，即
Ts＝Ts(x,y,z,t)
第二类边界条件，规定了边界上的热流密度值，表达为
第三类边界条件，规定了边界上结构与周围流体间的表面传热系数以及周围流体的温度T，表达为
假设周围流体的温度保持恒定，取Tα＝0，此时边界条件表达为
进一步的，步骤(4)中的“结合步骤(1)的加工路径和步骤(3)模拟得到的构件应力场分布，设定激光冲击路径并设置激光束参数”具体为：
步骤(4-1)：根据通过数值模拟方法得到的电弧增材构件的残余应力分布情况，对电弧增材构件进行区域划分；
步骤(4-2)：沿着电弧增材制造的路径，在区域分界处设置标记点，在残余应力大的区域设置深色标记点，区域起始处设置偶数序号为标记点，在区域结束处，设置奇数序号为标记点；同理残余应力小的地方设置浅色标记点；
步骤(4-3)：指定构件不同区域的残余应力，在残余应力较大区域设定高工作电流激光冲击，残余应力较小区域设定低工作电流激光冲击；
步骤(4-4)：根据路径规划的标记点，设定激光冲击路径由深到浅。
进一步的，所述电弧增材所用的金属丝材为单金属丝材或合金丝材。
进一步的，所述电弧增材方式为CMT增材、等离子增材、TIG增材或MIG增材方式。
进一步的，所述步骤(4)中的激光束参数包括激光的可变光斑直径2～10mm，波长1064nm，纵向搭接率和横向搭接率50％～90％，脉冲能量5～30J，脉宽10～50ns，频率0.5～10Hz，激光功率密度0.5-20GW/cm2。
进一步的，步骤(5)中电弧增材的工艺参数包括焊丝直径0.6-5.2mm、电流90-120A、送丝速度为5.5-8m/min、成形速度为0.3-0.5m/min、保护气流量为15-20L/min。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明针对激光冲击改善电弧增材构件应力变形-边成形边激光冲击处理的方法，将数值模拟与激光冲击相结合运用在电弧增材制造过程，使得不同区域的残余应力情况与激光冲击参数相对应，从而进行实时调整和保持最佳激光冲击工作参数，可以最大程度地降低电弧增材构件中的残余应力，有效控制成形精度；
(2)本发明依据电弧增材路径和残余应力分区情况设定标记点，合理规划激光冲击路径，改善材料的连续性延长服役时间，进一步提高增材制造零件的尺寸精度和组织性能，同时减少了构件受力时的裂纹扩展源，减少裂纹变形等情况的发生；
(3)本发明为电弧增材制造结构件生成均匀的残余压应力，使表面残余压应力合理分布，进一步减少电弧增材构件内部缺陷，在后续进行热处理中发生再结晶而产生的微观组织也更加均匀可控；
(4)本发明的方法不需在沉积层上添加激光吸收层，激光冲击后成型过程中的凸起、熔塌现象可以得到明显的改善，冲击之后的样品表面平整质量好、无污染，力学性能均匀，为米级复杂构件电弧增材制造提供技术支撑。
附图说明
图1为本发明的电弧增材系统示意图。
附图标记说明：
1-工控机，2-红外测温仪控制装置，3-激光冲击发射装置，4-电弧增材控制装置，5-焊枪，6-激光冲击枪，7-红外测温仪，8-电弧增材构件，9-绝缘垫片，10-夹具，11-工作台，12-基板，13-预热装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明将激光冲击运用到电弧增材制造过程中，同时与数值模拟相结合，根据不同区域的残余应力情况实时调整激光冲击参数和冲击路径，为电弧增材制造结构件生成均匀的残余压应力，使表面残余压应力合理分布，减少裂纹变形等情况的发生，同时提高构件的整体力学性能，得到成形质量良好的构件，因此该方法对于改善电弧增材构件应力变形具有重要的意义。
一种可调节激光冲击的电弧增材制造的方法，所述方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：对基板表面进行机械打磨并用酸性溶液去除氧化膜，之后分别用丙酮、酒精溶剂、超声波清洗去除基板表面油污，干燥待用；
步骤(2)：在基板与工作台之间、基板与夹具之间插入绝缘垫片，固定并持续预热基板；
所述步骤(2)中的预热基板采取持续预热的方式，保证增材过程中预热温度恒定，可以在提高加工效率的同时降低成形过程由于成形过程温度梯度造成的应力不均匀的状态；
步骤(3)：利用总控制系统建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径；
步骤(4)在总控制系统中输入温度数据，设定好温度阈值
步骤(5)：采用数值模拟方法获得电弧增材制造构件应力场分布；
数值模拟采用ANSYS软件模拟获得电弧增材制造构件应力场分布的具体步骤包括：
步骤(5-1)：建立电弧增材制造结构件的三维有限元模型，并进行网格划分；
步骤(5-2)：定义电弧增材制造结构件的单元类型，并确定材料热物理性能参数；
步骤(5-3)：分析成型过程，设置边界条件和初始条件，确定热分析种类及求解方法；
其中(1)热分析种类和求解方法-采取瞬态热分析并利用瞬态热传导方程：
增材过程会导致局部瞬时的过热和冷却。增材构件的温度随着热源的移动迅速上升和下降，而温度的变化也会引起材料的物理性能的变化，对于瞬态焊接温度场，根据傅立叶定律及能量守恒的基本原理可得非线性瞬态热传导问题的控制方程为：
ρ——材料的密度；
c——材料的比热容；
T——温度场分布函数；
λ——导热系数；
(2)边界条件：边界条件是指结构边界上的温度或者换热情况，其对增材模拟过程影响较大，如果边界约束条件不合理，会导致焊后的变形及残余应力模拟数值失真，使模拟过程失去意义。边界条件分为以下三种类型：
第一类边界条件，规定了边界上的温度值，即
Ts＝Ts(x,y,z,t)
第二类边界条件，规定了边界上的热流密度值，表达为
第三类边界条件，规定了边界上结构与周围流体间的表面传热系数以及周围流体的温度T，表达为
假设周围流体的温度保持恒定，取Tα＝0，此时边界条件表达为
(3)初始条件：在给定的初始条件下，才能求解瞬态热传导问题，初始条件指的是初始时刻，也就是当t＝0时的温度场分布。确定的温度分布，有均匀的温度场，即
T|t＝0＝T0
步骤(5-4)：进入移动热源加载循环，得到结果并处理；
步骤(5-5)：将节点温度作为载荷加到三维模型上进行耦合求解；
步骤(5-6)：对求解结果进行后处理分析，结合靶材的厚度和每层焊道厚度和宽度得到电弧增材构件每层焊道残余应力分布及应力值。
步骤(6)：结合步骤(3)和(5)，设定激光冲击路径并设置激光束的相关参数；
所述步骤(6)中设定激光冲击路径和激光冲击参数的具体步骤包括：
步骤(6-1)：根据通过数值模拟方法得到的电弧增材构件的残余应力分布情况，对电弧增材构件进行区域划分；
步骤(6-2)：沿着电弧增材制造的路径，在区域分界处设置标记点，在残余应力大的区域设置深色标记点，区域起始处设置偶数序号为标记点，在区域结束处，设置奇数序号为标记点(同理残余应力小的地方设置浅色标记点)；
步骤(6-3)：指定构件不同区域的残余应力，在残余应力较大区域设定高工作电流激光冲击，残余应力较小区域设定低工作电流激光冲击；
步骤(6-4)：根据路径规划的标记点，设定激光冲击路径由深到浅。
步骤(7)：设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件进行逐层丝材电弧制造；
步骤(8)：成型一层增材结构件后，利用红外测温仪对沉积层温度进行采集，以设定的温度阈值为依据，待沉积层冷却到所需温度，调整激光冲击波发射头与焊道垂直，对焊道进行激光冲击处理，消除残余应力；
所述步骤(8)设定的温度阀值为材料的易塑性形变温度，便于冲击过程发生微塑性形变，使得残余应力更好的松弛释放；
步骤(9)：重复步骤(7)和步骤(8)直至加工完成电弧增材制造构件。
所述激光的可变光斑直径2～10mm，波长1064nm，纵向搭接率和横向搭接率50％～90％，脉冲能量5～30J，脉宽10～50ns，频率0.5～10Hz，激光功率密度0.5-20GW/cm2；
所述电弧增材制造的工艺参数包括焊丝直径0.6-5.2mm、电流90-120A、送丝速度为5.5-8m/min、成形速度为0.3-0.5m/min、保护气流量为15-20L/min；
所述金属丝材可以是单金属丝材，也可以是合金丝材；
所述电弧增材方式可以选择CMT增材、等离子增材、TIG增材、MIG增材方式。
实施例1
如图1所示，一种可调节激光冲击的电弧增材制造的方法，该方法包括基板预处理，零件建模，规划电弧增材路径，数值模拟获得应力分布，设定激光冲击参数和电弧增材参数，采集成形温度，成形与激光冲击同步进行等步骤完成电弧增材构件制造。本方法步骤具体为：
第一步：用钢刷和砂纸对基板12进行打磨，打磨后利用碱10％NaOH溶液浸泡10min，并在清水中清洗，去除表面残留的溶液；
第二步：将基板12在空气中风干后，先用酒精、丙酮清洗，然后在清洗液中超声清洗10-30分钟，去除表面的残留物；
第三步：将基板12固定至工作台11上，在基板12与工作台11之间放置预热装置(加热器)13，基板12与夹具10之间插入绝缘垫片9，保证散热均匀一致且有良好的散热条件；
第四步：利用工控机1将三维CAD模型导入切片软件进行切片，切片厚度为1-3mm，并生成运动轨迹，同时设定温度阈值；
第五步：采用数值模拟方法获得电弧增材制造构件应力场分布；
第六步：调整激光冲击枪6激光传输方向正对电弧增材构件，预设激光冲击路径，调整激光的脉宽、重复频率、脉冲能量等激光参数；
第七步：设定焊机的送丝速度，焊枪的移动速度，气流量，焊接模式等参数；
第八步：按照设定的工艺参数结合切片文件，采用工控机1控制电弧增材控制装置4来完成焊枪5的移动和停止，逐层制造电弧增材构件8；
第九步：工控机1控制激光冲击发射装置3对前三层焊道不做激光冲击处理，
第十步：待焊枪5从第四层焊道行走完毕，采用红外测温仪7对沉积层温度进行采集，并把数据传输到工控机1中的温度阈值比较模块，温度满足设定阈值时进行激光冲击处理；
第十一步，工控机1按照加工控制文件，根据不同区域的残余应力情况实时调整激光冲击路径与激光冲击参数，对焊道进行激光冲击处理，改善残余应力分布情况；
第十二步，待激光冲击处理后，工控机1按照设定的工艺参数结合切片文件，控制电弧增材控制装置4操作焊枪5的移动，继续进行电弧增材制造过程；
第十三步，重复第十步、第十一步和第十二步直至生成所需电弧增材构件。
Claims (9)
1.一种激光冲击可调的电弧增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：利用总控制系统建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径；
步骤(2)：在总控制系统中输入温度数据，设定好温度阈值；
步骤(3)：总控制系统采用数值模拟方法实时获得电弧增材制造构件应力场分布；
步骤(4)：结合步骤(1)的加工路径和步骤(3)模拟得到的构件应力场分布，设定激光冲击路径并设置激光束参数；
步骤(5)：设定电弧增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件进行逐层丝材电弧制造；
步骤(6)：成型一层增材结构件后，利用红外测温仪对沉积层温度进行采集，以设定的温度阈值为依据，待沉积层冷却到所需温度，调整激光冲击波发射头与焊道垂直，重复步骤(3)和(4)，对焊道进行激光冲击处理，消除残余应力；
步骤(7)：重复步骤(5)和步骤(6)直至加工完成电弧增材制造构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)总控制系统采用数值模拟方法实时获得电弧增材制造构件应力场分布中采用ANSYS软件进行模拟，具体步骤如下：
步骤(3-1)：建立电弧增材制造结构件的三维有限元模型，并进行网格划分；
步骤(3-2)：定义电弧增材制造结构件的单元类型，并确定材料热物理性能参数；
步骤(3-3)：分析成型过程，设置边界条件和初始条件，确定热分析种类及求解方法；
步骤(3-4)：进入移动热源加载循环，得到结果并处理；
步骤(3-5)：将节点温度作为载荷加到三维模型上进行耦合求解；
步骤(3-6)：对求解结果进行后处理分析，结合靶材的厚度和每层焊道厚度和宽度得到电弧增材构件每层焊道残余应力分布及应力值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(3-3)中的确定热分析种类及求解方法采用瞬态热分析并利用瞬态热传导方程：
对于瞬态焊接温度场，根据傅立叶定律及能量守恒的基本原理可得非线性瞬态热传导问题的控制方程为：
ρ——材料的密度；
c——材料的比热容；
T——温度场分布函数；
λ——导热系数。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，边界条件分为以下三种类型：
第一类边界条件，规定了边界上的温度值，即
Ts＝Ts(x,y,z,t)
第二类边界条件，规定了边界上的热流密度值，表达为
第三类边界条件，规定了边界上结构与周围流体间的表面传热系数以及周围流体的温度T，表达为
假设周围流体的温度保持恒定，取Tα＝0，此时边界条件表达为
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中的“结合步骤(1)的加工路径和步骤(3)模拟得到的构件应力场分布，设定激光冲击路径并设置激光束参数”具体为：
步骤(4-1)：根据通过数值模拟方法得到的电弧增材构件的残余应力分布情况，对电弧增材构件进行区域划分；
步骤(4-2)：沿着电弧增材制造的路径，在区域分界处设置标记点，在残余应力大的区域设置深色标记点，区域起始处设置偶数序号为标记点，在区域结束处，设置奇数序号为标记点；同理残余应力小的地方设置浅色标记点；
步骤(4-3)：指定构件不同区域的残余应力，在残余应力较大区域设定高工作电流激光冲击，残余应力较小区域设定低工作电流激光冲击；
步骤(4-4)：根据路径规划的标记点，设定激光冲击路径由深到浅。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电弧增材所用的金属丝材为单金属丝材或合金丝材。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电弧增材方式为CMT增材、等离子增材、TIG增材或MIG增材方式。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的激光束参数包括激光的可变光斑直径2～10mm，波长1064nm，纵向搭接率和横向搭接率50％～90％，脉冲能量5～30J，脉宽10～50ns，频率0.5～10Hz，激光功率密度0.5-20GW/cm2。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(5)中电弧增材的工艺参数包括焊丝直径0.6-5.2mm、电流90-120A、送丝速度为5.5-8m/min、成形速度为0.3-0.5m/min、保护气流量为15-20L/min。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112699592A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-04-23 | 四川大学 | 基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法 |
| CN113249723A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-08-13 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种基于数据库系统的cmt电弧表面熔覆方法 |
| CN113414408A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-21 | 武汉大学 | 三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法 |
| CN113828798A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-24 | 西安交通大学 | 一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法及系统 |
| CN114193172A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-03-18 | 南京航空航天大学 | 一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法 |
| CN115874120A (zh) * | 2022-12-03 | 2023-03-31 | 北京翔博科技股份有限公司 | 基于激光调制的热振复合应力消除方法、装置和设备 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111687553A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-22 | 西安交通大学 | 一种超声冲击改善电弧增材制造结构件残余应力分布的方法 |
-
2020
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111687553A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-22 | 西安交通大学 | 一种超声冲击改善电弧增材制造结构件残余应力分布的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张拓等: "激光-电弧复合焊接数值模拟的热源模型", 《应用激光》 * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112699592A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-04-23 | 四川大学 | 基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法 |
| CN112699592B (zh) * | 2021-03-23 | 2021-06-22 | 四川大学 | 基于热流耦合模拟金属增材成形件表面传热系数方法 |
| CN113414408A (zh) * | 2021-06-03 | 2021-09-21 | 武汉大学 | 三维增强形状记忆合金的激光选区冲击-增材复合制造方法 |
| CN113249723A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-08-13 | 成都飞机工业（集团）有限责任公司 | 一种基于数据库系统的cmt电弧表面熔覆方法 |
| CN113828798A (zh) * | 2021-09-23 | 2021-12-24 | 西安交通大学 | 一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法及系统 |
| CN114193172A (zh) * | 2022-01-07 | 2022-03-18 | 南京航空航天大学 | 一种电弧增材与冲击强化复合制造装置的协同控制方法 |
| CN115874120A (zh) * | 2022-12-03 | 2023-03-31 | 北京翔博科技股份有限公司 | 基于激光调制的热振复合应力消除方法、装置和设备 |
| CN115874120B (zh) * | 2022-12-03 | 2023-09-19 | 北京翔博科技股份有限公司 | 基于激光调制的热振复合应力消除方法、装置和设备 |
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