CN117798462A - 基于dic全场变形测量的电弧增材控形装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置及方法。包括用于对增材件变形的实时测量的电弧增材DIC全场变形测量系统、计算机工作站、恒温预热装置、用于实时获取增材工件的温度的红外热像仪装置、局部热处理系统、机器人增材制造平台；计算机工作站装载电弧增材模拟仿真模块及DIC系统，将获取的完整温度场模拟结果作为输入条件，使用模拟仿真对增材工件在整体电弧增材制造温度变化过程中的变形量和力学行为进行模拟；恒温加热装置用于基板均匀预热；局部热处理系统加热工件变形部分，机器人增材制造平台用于工件的增材。本发明解决电弧增材制造米级金属工件过程中残余应力分布集中、成形件变形大的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属增材领域，具体涉及一种基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置及方法。
背景技术
电弧增材制造技术(WAAM)，以电弧为热源，将送给金属丝材熔融沉积并逐层成形零件实体。在众多增材手段中，电弧增材以较大的增材效率、低廉的制造成本、广泛的丝材选择范围、高效的利用率，以及制造过程不受零件尺寸、设备尺寸限制等优势脱颖而出，能够胜任米级金属工件增材制造任务。
然而，米级金属工件电弧增材过程中温度变化迅速，成形金属长期处于非稳态、剧烈、周期性、急冷急热的热循环中，带来复杂的热应力，在已成形部分的强约束下熔池快速凝固使工件内存在复杂凝缩应力以及并且外部机械约束也会引起难以预测的机械应力，非平衡固态相变还会产生非平衡的组织应力。上述应力交织共同作用，使得米级金属工件在增材过程中更容易发生变形和开裂。且受金属增材热过程残余应力和变形影响，成形件与原有模型易产生尺寸偏差。受金属增材热过程残余应力和变形影响，成形件与原有模型之间会出现尺寸偏差。尺寸偏差在增材过程不断累积，导致沉积层部分位置的工艺参数与预设值不一致，例如焊枪位置，进而影响增材过程，容易导致成形件出现夹渣、气孔、裂纹等缺陷，无法实现连续稳定增材。热应力和变形直接影响金属增材工件零件的形状和性能，大的变形会导致增材中断，甚至引发不可修复的开裂，影响加工和装配精度。
监测和控制电弧增材过程中的变形逐步成为提高成品质量和稳定性的关键。变形测量，包括坐标测量和位移传感器。坐标测量主要用于测量增材后的零件变形，无法实时测量。而位移传感器仅能记录某一点或几个点的变形信息，不能进行完整的监测。因此，迫切需要一种实时监测大型增材工件变形及控制手段，以期解决目前电弧增材制造米级大型工件过程中残余应力分布集中、工件产生较大变形的问题。
CN114381627A公开了一种消除大型构件电弧增材过程应力变形的方法和装置，采用仿真手段得到增材构件应力应变云图，并对构件进行超声波应力测量，使用振动时效等手段来控制变形。但采取的超声波测应力装置探头的放置表面粗糙或不平整时会导致超声波传播时的反射和散射、且工作原理基于材料的声学特性在增材过程中会随温度变化，需要修正才可以确保测量结果的准确性。而对于较厚的材料，只能提供表面附近的应力信息，无法准确测量深层的应力状态。且超声波的传播路径受限于材料的几何形状和结构，只能进行局部测量，无法对整个材料的应力状态进行全面评估，无法应用于具备复杂结构的米级增材构件的实时监测。控制手段中的时效振动时应用时噪音较大，不适宜于高压容器，大尺寸的薄壁及刚性过大的工件，不能替代以去应力目的以外的热处理，且不适用于校正已经发生的变形，工艺效果在很大程度上取决于操作人员的振动时效工艺理论水平和经验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提供基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置及方法，以解决目前电弧增材制造米级金属工件过程中由于热膨胀收缩过程中的非均匀塑性变形以及微观结构变化而产生较大应力导致增材结构件变形较大甚至引发开裂的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置，包括电弧增材DIC全场变形测量系统、计算机工作站、恒温预热装置、红外热像仪装置、局部热处理系统、机器人增材制造平台；
电弧增材DIC全场变形测量系统用于对增材件变形的实时测量；
计算机工作站装载电弧增材模拟仿真模块及DIC系统；在电弧增材模拟仿真模块中，将温度场模拟结果和红外热像仪装置记录数据进行比较，制作热循环曲线误差验证热源模型的有效性；将获取的完整温度场模拟结果作为输入条件，使用模拟仿真对增材工件在整体电弧增材制造温度变化过程中的变形量和力学行为进行模拟；
恒温加热装置用于辅助基板均匀预热，红外热像仪装置用于实时获取增材工件的温度；
局部热处理系统根据电弧增材DIC全场变形测量系统的测量结果加热工件变形部分，机器人增材制造平台用于工件的增材。
进一步的，电弧增材DIC全场变形测量系统包括两台高速相机和大功率蓝色照明LED灯、配套DIC系统、送风装置、挡板、可移动式支架和固定支架装置；
两台高速相机和大功率蓝色照明LED灯下方嵌合钢珠通过钢珠滑轨安装在可移动式支架上，高速相机与配套DIC系统的计算机相连，固定支架装置上嵌接可移动式支架；送风装置用于清除增材过程中产生的烟尘；
电弧增材DIC全场变形测量系统误差满足下述条件：应变分辨率：3D≤0.002％；2D≤0.001％；应变测量系统噪音3D≤0.001％；3D位移分辨率≤0.001像素；全场位移误差≤像素为单位的1σ。
进一步的，恒温预热装置内置K值温度传感器，650℃之内范围正常工作；
红外热像仪装置测温范围为0℃～1500℃；
局部热处理系统为电磁感应加热装置和火焰加热装置的一种或两种。
进一步的，电磁感应加热装置的加热速度在0℃/s～400℃/s内调节控制，功率0～120kW可调，输出功率能够使距表面8mm深度内的增材工件在3～5秒达到800摄氏度，且最高加热到1200℃；电磁感应加热装置采用的感应线圈依据增材工件具体形状进行相应选择和调整；
火焰加热装置包括喷焰器、可燃气储气瓶。
进一步的，机器人增材制造平台包括：增材电源，增材机器人机械臂，焊枪，机器人离线编程系统，送丝机，保护气装置及控制增材机器人机械臂增材运动轨迹的控制系统。
一种基于上述的装置的电弧增材控形方法，包括如下步骤：
步骤(1)：采用模拟仿真获取电弧增材N层的变形云图，对变形超过2mm的区域进行标记Si，i＝1、2……；
步骤(2)：电弧增材N层工件并对标记区域Si进行DIC监测，对变形超过2mm的区域Sj，j＝1、2……进行局部热处理，同时观测DIC中标记散斑区域Sj变形变化，直至变形均小于0.25mm，然后进行下N层增材；
下N层增材完成前，保持DIC对所有散斑区域Si和Sj变形的实时监测，当监测云图变形超过2mm时，中止增材，对原N层的新变形和新沉积层的散斑标记区域采用局部热处理来消除变形；
重复以上步骤完成电弧增材。
进一步的，步骤(1)具体包括如下步骤：
步骤(11)：多层直壁体建模后导入到机器人离线系统中，规划增材路径，生成切片文件并导入增材控制系统生成增材程序；
步骤(12)：基板打磨后同基台固定，搭建电弧增材DIC全场变形测量系统，固定红外热像仪装置并调整角度用于增材过程的温度实时测量；
步骤(13)：开展电弧增材预试验，启动红外热像仪装置实时测量增材构件温度，焊枪在一端开始起弧，在基板上单层往复增材直壁体；
步骤(14)：对直壁体进行电弧增材模拟仿真，将温度场模拟结果和红外热像仪记录数据进行比较，绘制热循环曲线误差图并修改热源模型参数直到校核误差小于2％。
进一步的，步骤(2)具体包括如下步骤：
步骤(21)：工件建模后导入机器人离线编程系统，规划增材路径，生成相应切片文件并导入增材控制系统生成增材程序；基台下方，嵌入恒温加热装置，在基台上使用夹具对基板进行装配固定，均匀预热基板，使用工装夹具在焊枪处夹装挡板；
步骤(22)：建模N层大型工件结构，1≤N≤50，使用步骤(1)校准后的热源，对N层金属电弧增材过程中的变形量和力学行为进行模拟，对工件变形超过2mm的云图区域进行分块标记，区域分别记为Si，i＝1、2、3……；
步骤(23)：控制系统利用增材机器人机械臂带动焊枪按增材控制系统中设定好的加工路径，开始起弧进行增材；
步骤(24)：增材至N层后，对Si进行人工散斑和相机标定，对散斑区域全视野的DIC变形云图数据实时测量，标记其中变形超过2mm的区域记为Sj，j＝1、2、3……；
步骤(25)：使用局部热处理系统对Sj进行局部热处理，同时观测DIC系统中所有标记散斑区域应变变化，直至上述区域变形均小于0.25mm，重复步骤(22)，然后进行N+N增材，N+N层增材完成前，继续保持DIC对所有散斑区域变形的实时监测，当工件变形云图数据超过2mm时，中止增材过程，此时新沉积层层数为M，M≤N，对M层进行模拟仿真，标记变形超过2mm的云图区域记为Sk，k＝1、2、3……；Sk区域散斑后进行DIC变形监测，标记变形超过2mm的云图区域记为Sm，m＝1、2、3……；对原N层变形和新沉积层的标记Sm区域采用局部热处理系统来消除变形；
步骤(26)：重复步骤(22)-(25)完成电弧增材米级工件的全场变形测量与局部热处理，最后得到电弧增材工件。
进一步的，步骤(21)中基板为不锈钢时，预热温度为150℃至350℃之间；基板为铝合金时，预热温度为100℃至200℃之间；基板为钛合金时，预热温度为250℃至300℃之间；
步骤(24)人工散斑时，喷涂的白漆覆盖住试件即可，其中散点直径要求为5～10个像素，根据相机的观测视野以及相机分辨率进行计算：X轴方向实际视野长度mm/X轴方向像素点数＝单个像素所占实际尺寸mm。
一种米级工件，采用上述的方法制备。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)一种基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置，结构设计合理，简单适用性强；数字图像相关法目前在许多工程领域已有广泛应用，但是对于电弧增材过程中的应力应变检测研究较少；本发明利用DIC成像技术手段，开展变形监测研究，可实时获取增材材料的全局的位移、形变和应变云图等信息，相较于其他检测环境，电弧增材过程中的DIC应变监测更为困难，增材过程的火花、电弧光、高温气流及烟尘等严重影响其测量精度，本发明采用下述方案：针对于熔融金属堆积的"壁"表面不规则，在系统中引入大功率蓝色光源，以提供足够亮度和均匀的照明条件，确保目标物体表面的特征点清晰可见，避免电弧光的干扰或反射问题；针对增材过程中的高强度磁辐射、高温问题，方案将固定支架放置在基台1.5m处并采用适当焦距的镜头使测试系统与测试区域保持安全距离进行观测。针对于火花和电弧光带来的过曝影响，方案增加挡板减弱，或者将系统光源更换为特定波段的激光光源，将火花与电弧光的光强减弱，同时配备相应波段滤镜来解决过曝问题；针对于增材过程中产生的烟尘问题，采用风扇等送风装置及时清除烟尘，避免其引起DIC测量误差或数据丢失等问题，同时选择风扇放置在距基台0.6m处的合适位置以消除空气热扰动导致的图像失真，且不影响试样的冷却过程。在进行DIC实验前使用散斑质量评估，给予操作人员提供判断依据进行相应改善措施，对DIC系统建立的准确性开展标定评估，直到整个测试区域评估合格方可进行下一步实验。
(2)综合考虑化学成分、增材结构刚性、增材方法、环境温度等有关因素，在恒温加热装置中设定合适的预热温度。其中基板为不锈钢时，预热温度为150℃至350℃之间；基板为铝合金时，预热温度为100℃至200℃之间；基板为钛合金时，预热温度为250℃至300℃之间；预热能减缓增材后的冷却速度，有利于焊道金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，可以减少增材区域与焊工件之间的温度梯度。一方面降低增材应力，另一方面，可降低增材应变速率和增材结构的拘束度，有利于避免产生增材裂纹；
(3)借助模拟仿真可以预测增材大型工件各个阶段的残余应力分布情况，对于米级大型金属增材工件，为减少运算工作量，提高模拟仿真效率，采用分段增材模拟仿真，即每次对电弧增材N层(N＝1、2、3……)进行模拟仿真，并对变形超过2mm的区域进行标记，每增材N层后，对仿真结果标记区域散斑标定，然后使用DIC设备对上述标记的区域应变情况实时监测，而不是增材结构全场全局的整体变形测量，以此可大大减少DIC图像相关运算难度，减少不必要的数据，大幅度减小运算时长，使其快速计算出散斑区域应变云图，有利于接下来能够及时有效地进行感应热处理，避免在增材过程中残余应力的不断累积，从而有效地控制增材构件的应力及变形。
(4)借助局部热处理系统对变形云图数据较大的区域进行控形处理，并借助DIC软件中观测标记散斑区域变形云图变化，以期实现对电弧增材米级金属工件的成形过程中由于冷热交替增材工件应力过大而造成的变形甚至开裂进行整体实时监测和精准调控，对温度场和应力场进行科学控制，进而保证工件成形。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为电弧增材模拟仿真步骤。
图3为DIC变形测量步骤。
图4为为本发明的机器人增材制造平台示意图。
图5为为本发明的电弧增材感应热处理控形装置。
图6为为本发明的电弧增材火焰加热控形装置。
图7为本发明的电弧增材DIC全场变形测量示意图。
图8为N层箱型结构电弧增材温度场云图(未冷却到室温)
图9为N层箱型结构电弧增材温度场云图(冷却至室温)
图10为电弧增材N层箱型结构等效应力分布云图
图11为DIC应变云图标记位置eyy数据曲线
图12为N层箱型结构离面位移主云图(箭头为整体位移)
图13为箱型结构成形情况
附图标注说明：
1-增材电源，2-增材机器人机械臂，3-焊枪，4-送丝机，5-保护气装置，6-控制柜，7-示教器，8-增材工件，9-基板，10-基台，11-恒温加热装置，12-感应线圈，13-电磁感应加热电源，14-工装夹具，15-挡板，16-高速相机，17-大功率蓝色照明LED灯，19-标定板，18-计算机工作站，20-风扇，21-可移动式支架，22-固定支架，23-红外热像仪装置，24-喷焰器，25-可燃气储气瓶。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明为一种基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置及方法。对于大型增材工件，为减少运算工作量，提高模拟仿真效率，采用分段增材模拟仿真，即每次对电弧增材N层(1≤N≤50)进行模拟仿真以获取电弧增材每N层工件的变形云图，对变形超过2mm的区域进行标记Si，i＝1、2、3……；电弧增材制造N层工件并同时对所有标记区域进行DIC全场变形实时测量，使用局部热处理系统对所有变形云图数据较大的区域Sj(i、j＝1、2、3……)进行局部热处理，同时观测DIC软件中全局视野内所有标记散斑区域应变变化，停止加热至上述区域应变均小于0.25mm。然后进行N+N增材，N+N层增材完成前，为防止电弧增材过程中的热积累导致先前沉积层发生较大变形，继续保持DIC对所有散斑区域变形的实时监测，进一步的，当工件变形云图数据超过2mm时，中止增材过程，此时新沉积层层数为M(M≤N)，对M层进行模拟仿真，标记变形超过2mm的云图区域记为Sk，k＝1、2、3……；Sk区域散斑后进行DIC变形监测，标记变形超过2mm的云图区域记为Sm，m＝1、2、3……；对原N层变形和新沉积层的标记Sm区域采用局部热处理系统来消除变形。重复以上步骤完成每N层的增材及全场变形测量与局部热处理，最后得到成形良好的电弧增材工件。以期实现对电弧增材大型工件的成形过程中由于冷热交替增材工件应力过大而造成的变形甚至开裂进行整体实时监测和精准调控，对温度场和应力场进行科学控制，保证零件成形。
如图4～6所示，一种基于DIC全场应变测量的电弧增材感应热处理控形装置，包括机器人增材制造平台，恒温加热装置11，局部热处理系统，电弧增材DIC全场变形测量系统，计算机工作站18，红外热像仪装置23；
机器人增材制造平台包括：增材电源1,增材机器人机械臂2，增材枪3，送丝机4，保护气装置5，控制柜6及示教器7，增材工件8，基板9，基台10等(见图4)；
控制柜调控增材机器人机械臂2、送丝机4、保护气装置5和增材枪3等；
示教器7是用来记忆存储增材机器人机械臂2机械运动行为的遥控器，可实现人机交互功能，增材机器人机械臂在人为控制示教器下进行增材，单层增材完成后，控制柜6控制增材机器人机械臂向上移动至增材工件8上方安全位置；机器人离线编程软件内置于计算机工作站18，导入增材结构件的完整3D模型，该软件可自动规划增材最优路径，并生成相应的切片文件，切片文件随后被导入到增材控制系统，生成增材程序。
恒温加热装置11，该加热装置发热均匀，内置K值温度传感器，可提供更加便捷的控温效果，650℃之内范围正常工作，该加热装置用于辅助基板9均匀预热；
局部热处理系统包括电磁感应加热装置、火焰加热装置等。
电磁感应加热装置包括：感应加热电源12，感应线圈13，工装夹具14；(见图5)
电磁感应加热装置的加热速度在0℃/s～400℃/s内调节控制，功率0～120kW可调，输出功率足够能够使距表面8mm深度内的增材工件在3～5秒达到800摄氏度，且最高加热到1200℃，可均匀加热各种金属工件；采用的感应线圈依据增材工件具体形状进行相应选择和调整。
火焰加热装置包括：喷焰器24、可燃气储气瓶25。(见图6)
电弧增材DIC全场变形测量系统包括：挡板15，两台高速相机16，,大功率蓝色照明LED灯17，配套DIC软件、标定板19，风扇20，可移动式支架21，固定支架装置22(见图6)；
挡板15，通过工装夹具放置于焊枪和DIC设备之间，可有效减小或避免火花和电弧光带来的过曝对DIC全局应变测量精度造成影响；
高速相机16，通过USB或其他接口与配套DIC软件计算机相连，其相机分辨率为5328(H)X*4608(V)，17Hz满幅，镜头焦距50mm。高速相机捕捉散斑特征在像素级别的移动，针对于火花和电弧光带来的过曝影响，可将系统光源更换为特定波段的激光光源，将火花与电弧光的光强减弱，同时配备相应波段滤镜来解决过曝问题；
大功率蓝色照明LED灯17，针对于熔融金属堆积的"壁"表面不规则的问题，大功率蓝色光源提供足够亮度和均匀的照明条件，以确保目标物体表面的特征点清晰可见，避免电弧光干扰或反射问题；
配套DIC软件，使用互相关或归一化互相关函数以及相关性峰值定位、频域相关性分析等3D数字图像相关性运算法则，进行二维、三维空间内所有散斑区域全视野的应变云图数据实时测量；
标定板19，DIC标定板是一种具有高度精确的尺寸和形状的黑白圆点组成的工具。通过在增材工件的前后位置放置DIC标定板，并使用高速相机拍摄标定板图像，可以对DIC系统进行标定，以确定DIC系统的像素尺度和畸变校正参数。通过测量标定板上已知尺寸的特征点在图像中的像素坐标，并结合标定板上的几何信息，可以建立相机的内部参数和畸变参数等。在实际测试中，DIC系统可以利用这些标定参数将像素坐标转换为物理坐标，从而得到准确的位移和变形数据；
风扇20，放置在距基台0.6m处的合适位置，可及时清除烟尘，避免因其导致图像度数据发生变化带来的DIC测量误差以及因烟尘遮挡造成数据丢失等问题，同时可消除空气热扰动导致的图像失真，且不影响试样的冷却过程；
可移动式支架21，两台高速相机和高功率蓝光LED灯下方嵌合钢珠通过钢珠滑轨安装在可移动式支架上以方便调整位置；
固定支架22，将固定支架放置在基台1.5m处并采用适当焦距的镜头使测试系统与测试区域保持安全距离进行观测，可解决增材过程中的高强度磁辐射、高温问题；
所搭建基于DIC全场应变测量电弧增材系统误差满足下述条件：应变分辨率：3D≤0.002％；2D≤0.001％；应变测量系统噪音3D≤0.001％；3D位移分辨率≤0.001像素；全场位移误差≤像素为单位的1σ。
计算机工作站18，配备建模、网格划分、电弧增材模拟仿真等模块。模拟仿真以获取的完整温度场模拟结果作为输入条件，对米级金属增材工件在整体电弧增材制造过程中的变形量和力学行为进行模拟；
红外热像仪装置23固定在距基板1.2m处，测温范围为0℃～1500℃，用于实时获取增材工件的温度，同时将电弧增材模拟软件获取的温度场模拟结果和红外热像仪记录数据，进行比较，制作热循环曲线误差来验证热源模型的有效性，热循环峰值温度误差小于2％时符合试验要求，否则修改热源模型参数直到校核完成；
实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置进行增材的方法，包括如下步骤：
S1：模拟仿真热源模型校准
步骤(11)：50层直壁体建模后导入到机器人离线编程软件，规划增材路径，生成相应切片文件并导入增材控制系统生成增材程序；
步骤(12)：基板打磨后同基台固定，搭建电弧增材DIC全场变形测量系统，固定红外热像仪装置并调整角度用于增材过程的温度实时测量；
步骤(13)：开展电弧增材预试验，启动红外热像仪实时测量增材构件温度，焊枪在一端开始起弧，在基板上单层往复增材直壁体；
步骤1(4)：对直壁体进行电弧增材模拟仿真，将温度场模拟结果和红外热像仪记录数据进行比较，绘制热循环曲线误差图并修改热源模型参数直到校核误差小于2％。
S2：米级工件电弧增材及变形控制
步骤(21)：完整大型工件建模后导入机器人离线编程软件，规划增材路径，生成相应切片文件并导入增材控制系统生成增材程序。基台下方，嵌入恒温加热装置。在基台上使用夹具对新基板进行装配固定，均匀预热基板至(200-400℃)温度，使用工装夹具在焊枪处夹装挡板；
步骤(22)：建模N层大型工件结构(1≤N≤50)，使用S1校准后的热源，对N层金属电弧增材过程中的变形量和力学行为进行模拟，对工件变形超过2mm的云图区域进行分块标记，区域分别记为Si,i＝1、2、3……；
步骤(23)：控制系统利用增材机器人机械臂带动焊枪按增材控制系统中设定好的加工路径，开始起弧进行增材；
步骤(24)：增材至N层后，对Si进行人工散斑和相机标定，对散斑区域全视野的DIC变形云图数据实时测量，标记其中变形超过2mm的区域记为Sj，j＝1、2、3……；
步骤(25)：使用局部热处理系统对Sj进行局部热处理，同时观测DIC软件中所有标记散斑区域应变变化，直至上述区域变形均小于0.25mm，重复步骤(22)，然后进行N+N增材。N+N层增材完成前，为防止电弧增材过程中的热积累导致先前沉积层发生较大变形，继续保持DIC对所有散斑区域变形的实时监测，进一步的，当工件变形云图数据超过2mm时，中止增材过程，此时新沉积层层数为M(M≤N)，对M层进行模拟仿真，标记变形超过2mm的云图区域记为Sk，k＝1、2、3……；Sk区域散斑后进行DIC变形监测，标记变形超过2mm的云图区域记为Sm，m＝1、2、3……；对原N层出现变形区域和新沉积层的标记Sm区域采用局部热处理系统来消除变形。
步骤(26)：重复S2中的步骤(22)，步骤(23)，步骤(24)，步骤(25)完成电弧增材米级工件的全场变形测量与电磁感应热处理，最后得到成形良好的电弧增材工件。
在电弧增材制造过程中，由于温度变化快，工件内的材料会因热膨胀和收缩而发生非均匀塑性变形和微观结构变化，从而产生较大的应力。当这些变形和应力积累到一定程度时，可能会导致工件的层间分离、裂纹等缺陷。因此，监测和控制电弧增材过程中的变形逐渐成为提高成品质量和稳定性的关键。
DIC是一种基于光学原理的测量技术，通过在被测物表面制作散斑图，利用相机捕捉散斑特征的移动情况，并采用互相关或归一化互相关函数以及相关性峰值定位、频域相关性分析等3D数字图像相关性运算法则进行计算，可得到试验中二维和三维空间内全视角的形貌、位移以及应变等数据。在电弧增材制造过程中，为了实现精密的控制，需要对材料在增材过程中的变形进行实时监测和控制，通过对增材过程中的各个阶段进行高精度的位移和变形测量，可以实时了解材料的形变情况，从而更好地控制增材过程，确保增材的产品符合设计要求。
而相较于其他环境，电弧增材制造过程中的DIC应变监测面临着更大的困难。这是因为增材过程中的火花、电弧光、高温气流和烟尘等因素会严重影响DIC的测量精度。本发明提出以下方案来解决这些测量精度问题：
①对于熔融金属堆积的表面不规则问题，我们采用了大功率蓝色光源来提供足够的亮度和均匀的照明条件。这样可以确保目标物体表面的特征点清晰可见，避免电弧光的干扰或反射问题。
②针对增材过程中的高强度磁辐射和高温问题，我们将固定支架放置在距离测试区域1.5米的基台上，并使用适当焦距的镜头观测测试系统和测试区域之间保持安全距离。
③针对火花和电弧光带来的过曝影响，我们增加了挡板的减弱效果，或者将系统光源更换为特定波段的激光光源，以减弱火花和电弧光的光强。同时，我们还配备了相应波段的滤镜来解决过曝问题。
④针对增材过程中产生的烟尘问题，我们采用风扇等送风装置及时清除烟尘，避免因烟尘导致的DIC测量误差以及由于烟尘遮挡而造成数据丢失等问题。同时，我们选择将风扇放置在距离基台0.6米的合适位置，可以消除空气热扰动导致的图像失真，同时不影响试样的冷却过程。
⑤在进行DIC实验之前，使用散斑质量评估来为操作人员提供判断依据，并采取相应的改善措施。对DIC系统建立的准确性进行标定评估，直到整个测试区域评估合格后才进行下一步的实验。
通过以上方案，能够解决电弧增材过程中DIC变形监测面临的测量精度问题，从而提高实验的准确性和可靠性。
借助模拟仿真可以预测增材大型工件各个阶段的残余应力分布情况，对于米级大型增材工件，为减少运算工作量，提高模拟仿真效率，本发明采用分段增材模拟仿真来获取每N层工件的变形云图，并对超过2mm的区域进行标记。然后，在制造每N层工件的同时，使用DIC技术对所有标记区域进行全场变形实时测量。而不是增材结构全场全局的整体测量，以此可大大减少DIC图像相关运算难度，减少不必要的数据，大幅度减小运算时长，使其快速计算出散斑区域应变云图，有利于接下来能够及时有效地进行局部热处理，避免在增材过程中残余应力的不断累积，从而有效地控制增材构件的应力及变形。
对于变形云图数据较大的区域，采用局部热处理系统进行控形处理。同时，观测DIC软件中全局视野内所有标记散斑区域的变形变化，当这些区域的应变变化停止至小于0.25mm时，停止加热。在完成每N层的增材和全场变形测量与电磁感应热处理后，继续使用DIC设备对所有散斑区域的变形进行实时监测。如果工件的变形云图数据超过2mm，即超过预设阈值，增材过程将中止，并采取局部热处理系统来控制变形。通过重复以上步骤，最终可以获得成形良好的电弧增材工件。这种方法旨以期实现对电弧增材米级金属工件的成形过程中由于冷热交替增材工件应力过大而造成的变形甚至开裂进行整体实时监测和精准调控，对温度场和应力场进行科学控制，消除冶金缺陷、改善组织和保证零件成形。
为了进一步验证效果，进行了多组对比实验验证，各实验例中参数均保持一致，下面举例说明：实施例具体包括以下步骤：
步骤(1)：采用CMT电弧增材制造技术，直径为1.2mm的HNS6T高氮钢丝材，在几何尺寸为400mm*400mm*10mm的316L不锈钢基板上增材50层高氮钢直壁体工件和箱式结构，将增材工件几何模型进行分区分层和切片，导入机器人离线编程软件，生成相应增材路径及程序。保护气选用93.5％Ar+5％N2+1.5％O2三元混合气，气体流量设置为20L/min，送丝速度6.7m/min，电弧行走速度4mm/s，电压为导电嘴到基板的距离为15mm，焊丝干伸长为12mm,弧长修正和脉冲修正为0，起弧电流占比80％，起弧电流时间0.3s，起弧渐变时间0.4s，熄弧电流占比60％，熄弧电流时间1.2s，熄弧渐变时间0.6s。
步骤(2)：对基板表面打磨，去除氧化膜，并用丙酮试剂清洗基板表面；在工作台上使用夹具对基板进行装配固定；红外热像仪装置固定在距基板1.2m处，调整位置用于增材过程的温度实时测量。固定支架装置上嵌接可移动式支架放置在基台1.5m处，两台高速相机和大功率蓝色照明LED灯安装固定在可移动式支架上，高速相机通过USB或其他接口与配套DIC软件计算机相连。风扇等送风装置放置在距基台0.6m位置处；
步骤(3)：启动并校准红外热像仪后，焊枪自一端开始起弧，在316L不锈钢基板上单层往复增材电弧增材50层金属，红外热像仪实时记录增材过程温度变化；
步骤(4)：电弧增材模拟仿真50层金属增材过程，将温度场模拟结果和红外热像仪记录数据进行比较，制作热循环曲线误差图以校核双椭球热源模型，误差超1.8％时，热源模型参数如下：a为8.72mm、b为6.34mm、Cf为4.36mm，Cr为17.44mm，热输入参数η为0.75，Ff＝0.6，Fr＝1.4，电压U为16.8V，电流I为160A，v为增材速度；
椭球前半部分功率密度分布为：
椭球后半部分功率密度分布为：
步骤(5)：基板下方，嵌入恒温加热装置。在工作台上使用夹具对新基板进行重新装配固定，控制加热装置均匀预热基板至250℃，使用工装夹具在焊枪处夹装挡板；
步骤(6)：SolidWorks建模30层箱体工件结构；随后使用HyperMesh进行网格划分，定义材料特性、设定边界条件，使用Simufact Welding模拟仿真软件对增材工件在N层金属整体电弧增材制造温度变化过程中的变形量和力学行为进行模拟(模拟仿真温度场结果、等效应力见图8、图9、图10)，对电弧增材过程中工件变形超过2mm的云图区域进行分块标记，区域分别记为Si,i＝1、2、3……；
步骤(7)：调用程序，控制系统利用增材机器人机械臂带动焊枪按设定好的箱型工件加工路径，开始起弧进行增材；
步骤(8)：增材至N层后，N＝1、2、3……；使用散斑制作工具在模拟仿真软件结果中标记的工件变形云图数据超过2mm的区域进行人工散斑和使用校正板进行相机标定。标定后DIC变形测量系统误差为：应变分辨率：3D为0.0012％；2D为0.0006％；应变测量系统噪音3D为0.0006％；3D位移分辨率为0.0004像素；全场位移误差为像素为单位的0.5σ。DIC设备对所有散斑区域全视野的变形云图数据实时测量，标记其中变形超过2mm的区域记为Sj，j＝1、2、3……；
步骤(9)：使用电磁感应加热装置对DIC全场视野内所有变形较大的区域Sij进行电磁感应热处理，同时观测DIC软件中所有标记散斑区域变形变化(DIC变形云图eyy数据曲线见图11)，至其较大变形小于0.25mm后，停止电磁感应加热；下一阶段增材过程完成前，继续保持DIC对所有散斑区域的变形监测，进一步的，当工件变形云图数据超过2mm时，中止增材过程，采取感应加热控制变形。(离面位移主云图见图12)
步骤(10)：重复步骤(6)，步骤(7)，步骤(8)，步骤(9)完成电弧增材大型工件的全场变形测量与电磁感应热处理，电弧增材工艺方法制备的直臂结构工件表面平整光滑，层道之间铺展规则，未出现变形、开裂、夹渣等缺陷,在两端偏搭处未产生熔池流淌现象(成形情况见图13)。
Claims (10)
1.基于DIC全场变形测量的电弧增材控形装置，其特征在于，包括电弧增材DIC全场变形测量系统、计算机工作站、恒温预热装置、红外热像仪装置、局部热处理系统、机器人增材制造平台；
电弧增材DIC全场变形测量系统用于对增材件变形的实时测量；
计算机工作站装载电弧增材模拟仿真模块及DIC系统；在电弧增材模拟仿真模块中，将温度场模拟结果和红外热像仪装置记录数据进行比较，制作热循环曲线误差验证热源模型的有效性；将获取的完整温度场模拟结果作为输入条件，使用模拟仿真对增材工件在整体电弧增材制造温度变化过程中的变形量和力学行为进行模拟；
恒温加热装置用于辅助基板均匀预热，红外热像仪装置用于实时获取增材工件的温度；
局部热处理系统根据电弧增材DIC全场变形测量系统的测量结果加热工件变形部分，机器人增材制造平台用于工件的增材。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，电弧增材DIC全场变形测量系统包括两台高速相机和大功率蓝色照明LED灯、配套DIC系统、送风装置、挡板、可移动式支架和固定支架装置；
两台高速相机和大功率蓝色照明LED灯下方嵌合钢珠通过钢珠滑轨安装在可移动式支架上，高速相机与配套DIC系统的计算机相连，固定支架装置上嵌接可移动式支架；送风装置用于清除增材过程中产生的烟尘；
电弧增材DIC全场变形测量系统误差满足下述条件：应变分辨率：3D≤0.002％；2D≤0.001％；应变测量系统噪音3D≤0.001％；3D位移分辨率≤0.001像素；全场位移误差≤像素为单位的1σ。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，恒温预热装置内置K值温度传感器，650℃之内范围正常工作；
红外热像仪装置测温范围为0℃～1500℃；
局部热处理系统为电磁感应加热装置和火焰加热装置的一种或两种。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，电磁感应加热装置的加热速度在0℃/s～400℃/s内调节控制，功率0～120kW可调，输出功率能够使距表面8mm深度内的增材工件在3～5秒达到800摄氏度，且最高加热到1200℃；电磁感应加热装置采用的感应线圈依据增材工件具体形状进行相应选择和调整；
火焰加热装置包括喷焰器、可燃气储气瓶。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，机器人增材制造平台包括：增材电源，增材机器人机械臂，焊枪，机器人离线编程系统，送丝机，保护气装置及控制增材机器人机械臂增材运动轨迹的控制系统。
6.一种基于权利要求1所述的装置的电弧增材控形方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)：采用模拟仿真获取电弧增材N层的变形云图，对变形超过2mm的区域进行标记Si，i＝1、2……；
步骤(2)：电弧增材N层工件并对标记区域Si进行DIC监测，对变形超过2mm的区域Sj，j＝1、2……进行局部热处理，同时观测DIC中标记散斑区域Sj变形变化，直至变形均小于0.25mm，然后进行下N层增材；
下N层增材完成前，保持DIC对所有散斑区域Si和Sj变形的实时监测，当监测云图变形超过2mm时，中止增材，对原N层的新变形和新沉积层的散斑标记区域采用局部热处理来消除变形；
重复以上步骤完成电弧增材。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)具体包括如下步骤：
步骤(11)：多层直壁体建模后导入到机器人离线系统中，规划增材路径，生成切片文件并导入增材控制系统生成增材程序；
步骤(12)：基板打磨后同基台固定，搭建电弧增材DIC全场变形测量系统，固定红外热像仪装置并调整角度用于增材过程的温度实时测量；
步骤(13)：开展电弧增材预试验，启动红外热像仪装置实时测量增材构件温度，焊枪在一端开始起弧，在基板上单层往复增材直壁体；
步骤(14)：对直壁体进行电弧增材模拟仿真，将温度场模拟结果和红外热像仪记录数据进行比较，绘制热循环曲线误差图并修改热源模型参数直到校核误差小于2％。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)具体包括如下步骤：
步骤(21)：工件建模后导入机器人离线编程系统，规划增材路径，生成相应切片文件并导入增材控制系统生成增材程序；基台下方，嵌入恒温加热装置，在基台上使用夹具对基板进行装配固定，均匀预热基板，使用工装夹具在焊枪处夹装挡板；
步骤(22)：建模N层大型工件结构，1≤N≤50，使用步骤(1)校准后的热源，对N层金属电弧增材过程中的变形量和力学行为进行模拟，对工件变形超过2mm的云图区域进行分块标记，区域分别记为Si，i＝1、2、3……；
步骤(23)：控制系统利用增材机器人机械臂带动焊枪按增材控制系统中设定好的加工路径，开始起弧进行增材；
步骤(24)：增材至N层后，对Si进行人工散斑和相机标定，对散斑区域全视野的DIC变形云图数据实时测量，标记其中变形超过2mm的区域记为Sj，j＝1、2、3……；
步骤(25)：使用局部热处理系统对Sj进行局部热处理，同时观测DIC系统中所有标记散斑区域应变变化，直至上述区域变形均小于0.25mm，重复步骤(22)，然后进行N+N增材，N+N层增材完成前，继续保持DIC对所有散斑区域变形的实时监测，当工件变形云图数据超过2mm时，中止增材过程，此时新沉积层层数为M，M≤N，对M层进行模拟仿真，标记变形超过2mm的云图区域记为Sk，k＝1、2、3……；Sk区域散斑后进行DIC变形监测，标记变形超过2mm的云图区域记为Sm，m＝1、2、3……；对原N层变形和新沉积层的标记Sm区域采用局部热处理系统来消除变形；
步骤(26)：重复步骤(22)-(25)完成电弧增材米级工件的全场变形测量与局部热处理，最后得到电弧增材工件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(21)中基板为不锈钢时，预热温度为150℃至350℃之间；基板为铝合金时，预热温度为100℃至200℃之间；基板为钛合金时，预热温度为250℃至300℃之间；
步骤(24)人工散斑时，喷涂的白漆覆盖住试件即可，其中散点直径要求为5～10个像素，根据相机的观测视野以及相机分辨率进行计算：X轴方向实际视野长度mm/X轴方向像素点数＝单个像素所占实际尺寸mm。
10.一种米级工件，其特征在于，采用权利要求6-9任一项所述的方法制备。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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