激光增材制造中制件温度分区测量与控制方法与流程

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种激光增材制造中制件温度分区测量与控制方法。

背景技术：

以激光为能量源的增材制造技术，是利用高能量激光束直接作用在金属粉末上使粉末熔化凝固成形，可以直接成形高熔点、形状复杂或异质材料功能梯度零件，其成形过程是按照零件几何形状，利用金属粉末逐层逐道累积成形零件的。其独特的金属零件加工特点使其得到了迅速发展，近年来在航空、军事、医学和汽车等众多领域得到了成功应用，并发挥了重要作用。

虽然近些年激光增材制造技术的发展突飞猛进，但是其加工过程仍然存在一些不可避免的问题。其中，因激光能量源短时间小区域的高能量输入，导致零件整体产生较大温度梯度和热应力，进而使零件变形、开裂是目前激光增材制造技术面临的一大技术难题。特别是在加工大尺寸零件时，该影响尤其明显。

现阶段，针对该问题提出了很多解决方法，其中优化扫描策略，采用岛式扫描方式是目前普遍采用的一种方法，该方法可有效降低零件加工过程中的温度梯度，对于平衡零件表面及内部热应力和减小应力变形有重要作用。但是采用岛式扫描方式，其分区策略与区域扫描顺序均于加工前在软件内部随机自动生成，不能基于零件自身温度进行智能选区调节，只能在一定程度上缓解零件小区域过冷和过热问题，缺乏对零件整体温度的控制。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种激光增材制造中制件温度分区测量与控制方法，在采用岛式扫描方式的基础上，通过实时测量所分大区的表面温度，在线调节各扫描区域的扫描顺序，有效调控加工过程中零件的整体温度梯度和应力分布，对于防止变形开裂等有较好效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种激光增材制造中制件温度分区测量与控制方法，其特征在于，步骤为：

步骤1）：分层、分区与确定扫描方向，将待成形零件分层，每层分为若干个大区，再在各大区内生成多个小区域，并确定每个小区域激光的扫描方向；

步骤2）：根据大区个数选定相应数量的测温仪测量每个大区的温度；

步骤3）：加工第一层，以小区域为加工单元，从起始小区域开始，完成一个小区域的加工后换下一个小区域，直至完成第一层的加工；所述下一个小区域为温度最低的大区内的任一未加工的小区域；

步骤4）：加工完第一层后，逐层加工直至完成整个零件的加工；逐层加工时每一层的起始小区域为位于该加工层温度最低的大区内的任一小区域，从起始小区域开始，完成一个小区域的加工后换下一个小区域，直至完成该加工层的加工；所述下一个小区域为温度最低的大区内的任一未加工的小区域。

所分大区个数最好定为6～8个（不宜超过8个），所分大区太多或太少，都将导致温度梯度变大，所分大区太多将导致监测难度提升，太少将对温度梯度的调控效果不明显。

小区域的面积不超过10cm²，太大将导致小区域内发生较大应力变形。

所述测温仪为红外测温仪。

将所述红外测温仪的测温范围调整至基板所对应的各大区起始中心位置处，具体调整方法是先将激光指示光打开并手动调整指向实际中心位置，再通过测温仪连接杆的移动和自身绕连接杆单自由度的转动对准该中心位置。

测温所采用的红外测温仪个数与所分大区个数相同，红外测温仪固定在工作台上工件台旁的预留导轨上，测温探头可跟随工件台移动与工件表面测温位置始终一致。

测温探头的探测区域直径为10～40mm，测温误差不超过2％。

在上个扫描小区域还未加工完，就超前给出控制信号使测温仪开始采集各检测区域温度，温度检测反馈总响应时间不超过1秒，这样可保证加工无间歇持续完成。

对已加工小区域采用屏蔽处理，以确保零件加工过程中不出现单一区域二次加工的问题。

本发明具有的有益效果是：

本发明对激光增材制造中的零件温度进行分区测量，并通过在线指定激光扫描区域的方式对零件整体温度进行控制，可有效减小零件表面温度梯度和平衡应力分布，减小变形程度和开裂可能性，该方法简单实用，可有效避免随机指定扫描区域所带来的各种不确定性，实现加工过程的温度可视化控制。

附图说明

图1为本发明实施例一所述的激光熔化沉积成形试验样件时基板变形测试方案示意图；

图2为本发明实施例二所述的采用分层切片软件随机生成的分区方法成形试验样件时基板变形量随时间的变化曲线；

图3为本发明实施例二所述的采用基于本发明的智能分区方法成形试验样件时基板变形量随时间的变化曲线。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

采用本发明激光增材制造中制件温度分区测量与控制方法，在激光熔化沉积机床上直接成形钛合金（tc4）材料试验样件，试验采用半导体激光器，激光光斑直径为3mm，试验样件是一尺寸为240mm×180mm×6mm的长方体薄板，加工该零件所使用的基板尺寸为360mm×240mm×15mm，加工过程中采用夹紧装置将基板一侧夹紧，基板另一侧为自由端，整个基板处于悬臂状态，同时在基板的右侧下方安装激光位移传感器lds，如图1所示，加工过程中，通过lds实时检测和记录基板右侧沿竖直方向的位移，即基板的变形量。本实施例设计了2个实验，一是采用软件随机分区加工该试验样件，二是采用基于本发明的智能分区方法，具体操作步骤如下：

步骤1）：分层、分区与确定扫描方向，本实施例先利用切片与分区软件待成形吊框零件建模与分层，再利用分层切片软件中的分区功能将每层分为若干个大区，所分的大区个数为6个，每个大区平面尺寸约为40mm×30mm，并将各大区分成12个小的扫描区域，每个扫描区域的面积约为100cm²，以及确定每个小区域激光的扫描方向，然后指定加工起始小区域生成加工路径程序导入增材制造设备控制端；

步骤2）：调整固定式红外测温仪测温位置，根据大区个数选定相同数量的红外测温仪（所采用的红外测温仪为测温探头形式，探测区域直径为10mm，测温误差不超过2％），将其固定在工作台上工件台旁的预留导轨上，其测温探头可跟随工件台移动，这样可保证工件表面测温位置始终不变，然后将其测温探头测温范围调整至基板所对应的各大区起始中心位置处，具体调整方法是先将激光指示光打开并手动调整指向实际中心位置，再通过测温仪连接杆的移动和自身绕连接杆单自由度的转动对准该中心位置；

步骤3）：开始加工预先指定的起始小区域，待该小区域即将加工完时，就超前0.5秒给出控制信号使红外测温仪开始采集各检测区域温度，各测温仪将自身检测到的温度反馈给记录控制系统，所有的红外测温仪均由一个记录控制系统集中处理，采集各探测区域内的温度信息并处理为平均温度再进行对比，随机选中最低温度大区内的未加工小区，同时对已加工小区域采用屏蔽处理，然后将加工信息传给设备控制系统进行加工，温度检测反馈总响应时间不超过1秒，这样循环下去，直至完成整个层面的加工；

步骤4）：加工完一层后，通过比较各大区温度确定下一层起始大区，并随机指定该大区内的起始小区域开始加工，循环步骤3）和该步骤，直至完成整个零件的加工。

图2和图3分别是这两种方法在加工3个层厚时的基板变形量，可以发现，基于本发明的智能分区方法可以明显减小加工过程中零件因热梯度所产生的变形，反映了本发明在激光增材制造中零件整体温度控制方面的重要作用。