CN114427925A - 一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，激光选区熔化成形过程中，接收应变片实时输出的检测值，其中，应变片固定在基板样品成形表面对侧的表面，根据预先标定得到的基板受力与应变片输出检测值之间的关系得到基板的受力情况，采用本发明的方法能够实现激光选区熔化过程中样品残余应力情况的实时检测。

Description

一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法
技术领域
本发明涉及增材制造在线检测技术领域，具体涉及一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
激光选区熔化技术成形过程由于激光的快速扫描，导致不同部位温度不同，熔化不同步，冷却过程中凝固不同步，都会造成不同部位膨胀收缩趋势不一致，从而产生残余热应力。一方面，残余热应力在成形样品内部累积会导致成形样品开裂、翘曲，这将极大的影响加工质量。另一方面，累积的残余热应力通过支撑结构传递到基板上会导致基板翘曲，进一步影响了成形的尺寸精度。
对激光选区熔化成形过程中的累积残余热应力的大小进行实时检测，对进一步优化样品与基板之间的支撑结构设计，防止打印过程中由于支撑结构断裂产生翘曲，进而改善成形样件的成形质量具有重要的意义。
目前可以直接测量样品的累积残余热应力或者通过测量基板的受力以间接反映样品的累积残余热应力。
但是，发明人发现，由于激光选区熔化成形过程是在一个密闭的成形仓中进行的，无论采用哪种测量方法，成形仓内难以再添加大型的残余应力检测装置进行成形过程中残余应力的在线检测。当前常用的残余应力检测手段，如X射线衍射、钻孔法等都是离线的，只能在成形结束后对样品进行最终残余应力的检测，无法进行打印过程中累积残余热应力的变化趋势进行实时检测记录。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，能够实现打印过程中累积残余热应力的变化趋势进行实时检测记录。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案
本发明的实施例提供了一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，激光选区熔化成形过程中，接收应变片实时输出的检测值，其中，应变片固定在基板样品成形表面对侧的表面，根据预先标定得到的基板受力与应变片输出检测值之间的关系得到基板的受力情况。
可选的，标定的具体方法为：将应变片固定在基板样品成形表面对侧的表面，对基板施加不同大小的荷载，得到不同荷载对应的应变片输出的检测值，对荷载和得到的检测值进行拟合，得到检测值与基板受力的关系模型。
可选的，标定时，对基板施加至少四个不同大小的荷载。
可选的，应变片采用粘贴的方法固定在基板表面，应变片粘贴前，对基板上用于粘贴应变片的区域进行打磨平整。
可选的，应变片通过信号线与电压采集板卡连接，电压采集板卡与数据采集与处理系统连接。
可选的，所述基板样品成形表面的对侧表面开设有安装槽，将应变片固定在安装槽内。
可选的，安装槽的应变片固定区域与样本成形表面的成型区域正对设置。
可选的，基板样品成形表面的对侧表面还开设有与安装槽相连通的走线槽，基板还设有贯穿样品成形表面及其对侧表面的出线槽，走线槽和出线槽相连通。
可选的，走线槽和出现槽连接位置设置有圆弧面过渡。
可选的，安装槽还设置有温度检测元件固定区域，温度检测元件固定区域固定热电偶。
本发明的有益效果：
1.本发明的检测方法，采用检测固定在基板的应变片的输出检测值，根据预先得到的受力计算模型得到基板的受力情况，由于应变片为薄片状结构，因此方便随基板进入封闭的成型仓中，通过应变片输出的检测值利用基板受力和检测值之间的关系得到基板的受力情况，实现了激光选区熔化加工过程中，基板受力的实时检测。
2.本发明的检测方法，在基板上设置有安装槽，使得基板减薄，这样有利于较小的残余应力累积就可以使基板产生较为明显的变形，提高了基板受力情况检测的灵敏度。
3.本发明的检测方法，关系模型获取时，采用至少4个大小不同的荷载，进行至少4点标定，能够避免非线性造成的测量不准确问题，进一步提高关系模型的精度，进而提高了检测精度。
4.本发明的检测方法，应变片的信号线通过走线槽和出现槽引出，且走线槽和出线槽之间设置有圆弧过渡，避免了在成形过程中信号线被刮刀的运动干扰且防止了信号线断裂，提高了信号传输的可靠性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。
图1为本发明实施例1检测装置示意图；
图2为本发明实施例1基板结构示意图；
图3为本发明图2中的A向示意图；
图4为本发明实施例1中标定时施加的荷载示意图；
图5为本发明实施例1成形过程中采集到的基板受力情况变化曲线图；
其中，1.热电偶，2.应变片，3.基板，4.电压采集板卡，5.数据采集与处理系统，301.固定基板螺纹孔，302.安装槽，303.热电偶固定区域，304.应变片固定区域，305.走线槽，306.圆弧面，307.出线槽，308.基板标定螺栓孔，309.样品成形区域，310.成形区域分界示意线。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，如图1所示，用到的检测装置包括应变片2，应变片2通过信号线与电压采集板卡4连接，电压采集板卡4与数据采集与处理系统5连接，应变片2检测到基板3发生变形后，能够产生电压信号，检测值以电压信号的形式传输给电压采集板卡4，电压采集板卡4将该信号传输给数据采集与处理系统5。
本实施例中，对激光选区熔化加工设备的基板进行了改进，基板3用于接触样品材料的上表面为样品成形表面，其对侧的表面为下表面。
本实施例中的基板3为正方形板，其四个角处利用圆弧面过渡。
如图2-3所示，在下表面上开设有安装槽302，安装槽302具有应变片固定区域304，且应变片固定区域304与上表面的样品成型区域310正对设置，有利于在打印过程中检测基板产生的形变，下表面还开设有走线槽305，走线槽305与安装槽302相连通，基板3上还开设有出线槽307，出线槽307贯穿基板3的上表面和下表面并且延伸至基板的边缘，出线槽307与走线槽305相连通，且出现槽307和走线槽305之间采用圆弧面306过渡，避免了成形过程中信号线被刮刀的运动干扰并且防止了信号线的断裂，提高了信号传输的可靠性。
基板3下表面开设有固定基板螺纹孔301，固定基板螺纹孔301设置两个，分别设置在基板3同一侧的两个角处。
基板另外两个角出的上表面开设有基板标定螺栓孔308，用于进行标定。
本实施例检测方法的具体步骤为，将应变片2粘贴固定在安装槽302的应变片固定区域304，并将应变片2的信号线穿过加工设备的回收仓后连接电压采集板卡4，电压采集板卡4连接数据采集与处理系统5。
基板3通过固定基板螺纹孔301固定在激光选区熔化加工设备的成形仓内，然后开始激光选区熔化加工，应变片2实时向电压采集板卡4传输检测值，根据检测值和预先通过标定得到的受力计算模型得到基板的受力情况。
由于应变片为薄片状结构，因此方便随基板进入封闭的成型仓中，通过应变片输出的检测值利用受力计算模型转变为基板的受力情况，实现了激光选区熔化加工过程中，基板受力的实时检测。
其中受力计算模型为检测值与基板受力之间的关系模型，在加工前根据标定得到。
如图4所示，标定的具体方法包括以下步骤：
步骤1：将:基板通过固定基板螺纹孔固定，在稳态下不施加力，模拟打印过程产生的残余应力为0时的基板受力情况，读出应变片输出的电压信号记为V0；
步骤2：将基板通过固定基板螺纹孔固定，然后在基板标定螺栓孔上施加垂直于基板的荷载F1(力的施加方向如图4中F的方向所示)，模拟成形过程中等效残余应力累积后基板的等效受力情况为F1时产生变形的状态，待稳定后，通过数据采集与处理系统读出应变片输出的电压信号记为V1；
步骤3：将:基板通过固定基板螺纹孔固定，然后在基板标定螺栓孔上施加垂直于基板的荷载F2(F2>F1，力的施加方向如图4中F的方向所示)，模拟成形过程中等效残余应力累积后基板的等效受力情况为F2时产生变形的状态，待稳定后，通过数据采集与处理系统读出应变片输出的电压信号记为V2；
步骤4：将:基板通过固定基板螺纹孔固定，然后在基板标定螺栓孔上施加垂直于基板的力F3(F3>F2，力的施加方向如图4中F的方向所示)，模拟成形过程中等效残余应力累积后基板的等效受力情况为F3时产生变形的状态，待稳定后，通过数据采集与处理系统读出应变片输出的电压信号记为V3；
步骤5：完成标定点的采集后，4组标定点数据将存储在数据采集与处理系统中用于以后实际打印过程中残余应力的计算；通过获得的4组等效残余应力与对应的应变片输出电压Vx，就可以对0-F3之间的等效残余应力进行拟合计算。由于在基板的弹性阶段可以将力与变形的关系认为是线性关系，同时采用4点标定的方法也避免了较大测量范围内的非线性，因此就可以通过一次函数对0-F3之间的等效受力进行分段拟合计算。拟合计算后，得到检测值与基板受力的关系模型即受力计算模型。
具体拟合公式如下：
Figure BDA0003483278660000071
本实施例中，采用至少4个不同大小的荷载来进行标定，能够避免非线性造成的测量不准确问题，进一步提高关系模型的精度，进而提高了检测精度。
本实施例中，安装槽内还设置有热电偶固定区域303，使用时，热电偶固定区域固定热电偶1，热电偶1通过信号线与电压采集板卡4连接，能够实现基板温度的实时监测。
本实施例的一个实际应用中，包括以下步骤：
步骤a：完成步骤1-步骤5的标定以后，将所述基板通过基板固定螺纹孔固定在Concept Laser Mlab 200R激光选区熔化型金属增材制造设备的成形仓内。
步骤b：选择Inconel718镍基高温合金粉末，进行成形Inconel718材料成形打印，详细的工艺参数如下：激光功率190W，扫描速度800mm/s，层厚40μm，扫描间距110μm，样品尺寸为75×10×15mm3，需要注意的是如图3所示，成形样品要布置在成形区域分界示意线310下方的样品成型区域309，这样有利于在打印过程中应力检测基板产生形变，进而了提高残余应力检测的灵敏度。
步骤c：在开启设备打印之前，同时开启数据采集与处理系统实时采集并计算成形过程中基板受力以及温度的变化情况。
如图4所示，为打印结束后样品在基板上的状态，如图5所示为成形过程中实际采集到的基板受力情况变化曲线，从图中可以看出，在整个打印过程中基板受力随着打印时间的增加逐渐累积变大，这说明本实施例的方法能够较好的反应因为成形过程中样件内残余应力累积传递到基板的受力变化情况。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，激光选区熔化成形过程中，接收应变片实时输出的检测值，其中，应变片固定在基板样品成形表面对侧的表面，根据预先标定得到的基板受力与应变片输出检测值之间的关系得到基板的受力情况。
2.如权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，标定的方法为：将应变片固定在基板样品成形表面对侧的表面，对基板施加不同大小的荷载，得到不同荷载对应的应变片输出的检测值，对荷载和得到的检测值进行拟合，得到检测值与基板受力的关系模型。
3.如权利要求2所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，标定时，对基板施加至少四个不同大小的荷载。
4.如权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，应变片采用粘贴的方法固定在基板表面，应变片粘贴前，对基板上用于粘贴应变片的区域进行打磨平整。
5.如权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，应变片通过信号线与电压采集板卡连接，电压采集板卡与数据采集与处理系统连接。
6.如权利要求1所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，所述基板样品成形表面的对侧表面开设有安装槽，将应变片固定在安装槽内。
7.如权利要求6所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，安装槽的应变片固定区域与样本成形表面的成型区域正对设置。
8.如权利要求6所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，基板样品成形表面的对侧表面还开设有与安装槽相连通的走线槽，基板还设有贯穿样品成形表面及其对侧表面的出线槽，走线槽和出线槽相连通。
9.如权利要求8所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，走线槽和出现槽连接位置设置有圆弧面过渡。
10.如权利要求6所述的一种激光选区熔化过程中基板受力情况在线检测方法，其特征在于，安装槽还设置有温度检测元件固定区域，温度检测元件固定区域固定热电偶。
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