一种多源自适应低应力增材制造方法

摘要

本申请提供一种多源自适应低应力增材制造方法。所述方法包括：根据需要制备的金属制件尺寸和结构，在增材平台上布置相应一个或多个高能声束激励单元；根据所述金属制件尺寸和结构，规划增材路径；将增材基板固定在增材平台上，对所述增材基板进行打磨和清洁处理；所述金属制件开始进行增材，同步开启高能声束调控系统，按照时间或/和空间控制顺序将高能声束注入所述金属制件内部；实时获取增材制造过程中的熔池的位置信息和所述高能声束激励单元的位置信息；所述金属制件开始进行增材时，持续监测所述金属制件的表面温度；所述金属制件完成增材后，待所述金属制件的表明温度降到常温时，关闭所述高能声束调控系统。

权利要求

1.一种多源自适应低应力增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、根据需要制备的金属制件尺寸和结构制定高能声束激励单元排布方案，在增材平台上布置相应一个或多个所述高能声束激励单元；

B、根据所述金属制件尺寸和结构，规划增材路径；

C、将增材基板固定在自适应增材制造工作台上，对所述增材基板进行打磨和清洁处理；

D、所述金属制件开始进行增材，同步开启高能声束调控系统，按照时间或/和空间控制顺序将高能声束注入所述金属制件内部；

E、实时获取增材制造过程中的熔池的位置信息和所述高能声束激励单元的位置信息，所述熔池的位置信息是根据焊枪的末端位置信息获取的，根据所述熔池的位置信息和所述高能声束激励单元的位置信息，计算所述熔池和所述高能声束激励单元的相对距离，根据所述相对距离调控所述高能声束激励单元使能情况和功率信息；

工控机实时监控并记录增材过程中各机械手夹持的焊枪末端坐标数据(xr1,yr1,zr1)、(xr2,yr2,zr2)，以获得熔池的位置信息，并根据所述熔池位置调整所述高能声束激励单元的使能情况、功率信息，根据各焊枪所在笛卡尔坐标系下的水平位置数据(xrm,yrm)与各高能声束激励单元的位置(xn,yn)计算 基于△L(x,y)n的大小来调节各个高能声束激励单元的开关情况，根据各焊枪所在笛卡尔坐标系下的垂直高度数据zrm和各高能声束激励单元的垂直位置数据zn计算△Lhn来调节各个高能声束激励单元的功率范围0～Wn；

F、所述金属制件开始进行增材时，持续监测所述金属制件的表面温度；

G、所述金属制件完成增材后，待所述金属制件的表面温度降到常温时，关闭所述高能声束调控系统。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中所述高能声束激励单元发射高能声束频率范围为5.0～40.0KHz，单个所述高能声束激励单元功率1.0W以上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤A中所述高能声束激励单元还包括钛合金专用隔热变幅杆；

所述钛合金专用隔热变幅杆根据可适配增材空间大小，选用1/4波长钛合金专用隔热变幅杆或1/2波长钛合金专用隔热变幅杆。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述钛合金专用隔热变幅杆与所述增材基板不进行增材侧在增材过程中保持紧密贴合，中间采用耐高温透声橡胶或耐高温黄油进行耦合。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A中所述高能声束激励单元排布方案包括高能声束激励单元的数量和位置的布置；

当所述金属制件与基板接触面的直径小于等于100mm时，在增材平台上增材位置布置一个所述高能声束激励单元；

当所述金属制件与基板接触面的直径大于100mm且所述金属制件结构为箱体时，在增材平台上增材位置布置多个所述高能声束激励单元，所述高能声束激励单元位置为环形或矩形阵列布置；

当所述金属制件与基板接触面的直径大于100mm且所述金属制件结构为筒体或架体时，在增材平台上增材位置布置多个所述高能声束激励单元，所述高能声束激励单元位置根据所述金属制件形状作环形框或矩形框布置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤D中所述高能声束调控系统还具有自动停止功能，在所述金属制件的表面温度降到常温时，所述自动停止功能开启，所述高能声束调控系统自动停止工作。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤F中的所述金属制件的表面温度通过增材基板进行增材一侧的表面温度来表示。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括步骤H：

在增材制造过程和调控过程结束后，记录并保存所述增材制造及调控方案。

说明书

一种多源自适应低应力增材制造方法

技术领域

[0001] 本申请涉及增材制造技术应力控制领域，特别涉及一种多源自适应低应力增材制造方法。

背景技术

[0002] 近年来，增材制造技术发展十分迅速，铝合金、钛合金材料因其优异的力学和机械性能而被已经广泛应用于航天、航空、国防等领域，具有加工周期短、效率高的特点。但是因为这些材料弹性模量小、导热系数低且在增材制造过程中存在原料增材过程剧烈，温度变化复杂，熔池状况难以预料等问题，导致最终产品内部或局部区域残余应力集中而变形甚至开裂。为保证增材制造的构件具有足够的强度和良好的可靠性，需要对增材制造过程产生的残余应力进行消除和均化。

[0003] 常用的残余应力消减方法有自然时效方法、振动时效方法、热处理方法等。自然时效法残余应力消除效率较低，且需要长时间占用大量场地。振动时效法虽然能在消除残余应力，但其局限性在于振动系统与构件之间的共振频率难以找到，导致实际应用受到很大限制，且调控现场噪音较大。热处理方法对工艺要求严格，若降温速率、退火温度等处理不当则会引入附加残余应力，且该方法能耗高不利于环保。例如，专利号为CN 114381627 A的发明专利公开了一种结合振动时效和退火处理的消除大型构件电弧增材过程应力的方法和装置，专利号为CN 107225244 A的发明专利公开了一种利用激光冲击强化的方法对激光同轴送粉增材零件内应力的方法，然而上述两篇所述方法和装置都较为复杂，需要针对电弧增材系统进行大量的改造，包括需要配备专门的热处理炉等，制造经济成本和时间成本比较高。以上方法因为自身原理的局限性更适用于增材制造结束后的应力调控，无法实现在不对增材系统进行大量改造的前提下，在增材制造过程中的同步高效地进行金属制件内部残余应力均化和消减。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本申请提出一种多源自适应低应力增材制造方法，能应用于增材制造过程中，在不影响增材制造的情况下，对残余应力消减和均化效果好，效率高，实现在增材制造的过程中同步消除残余应力，保证低应力增材制造过程的可靠性。

[0005] 本申请提供了一种多源自适应低应力增材制造方法，包括步骤：

[0006] A、根据需要制备的金属制件尺寸和结构制定高能声束激励单元排布方案，在增材平台上布置相应一个或多个所述高能声束激励单元；

[0007] B、根据所述金属制件尺寸和结构，规划增材路径；

[0008] C、将增材基板固定在所述自适应增材制造工作台上，对所述增材基板进行打磨和清洁处理；

[0009] D、所述金属制件开始进行增材，同步开启高能声束调控系统，按照时间或/和空间控制顺序将高能声束注入所述金属制件内部；

[0010] E、实时获取增材制造过程中的熔池的位置信息和所述高能声束激励单元的位置信息；

[0011] F、所述金属制件开始进行增材时，持续监测所述金属制件的表面温度；

[0012] G、所述金属制件完成增材后，待所述金属制件的表面温度降到常温时，关闭所述高能声束调控系统。

[0013] 由上，本申请所提供的方法根据待增材金属制件的尺寸规格和残余应力分布情况，在金属制件增材过程中，同步将高能声束有时间和/或空间顺序的无损注入金属制件内部，并且根据增材过程中熔池的位置和高度不断调控高能声束单元的使能状态和功率参数，保证金属制件内部不断产生的残余应力的持续消减和均化效果。一方面，高能声场对材料局部残余应力的调控激励是来源于弹性波波动的粒子传递能量的特性，利用一个或多个激励源，可以在一定范围内实现多束高能声束的聚焦，借助高能波动对材料微观组织的作用机理，改变金属材料晶格间约束力，使晶格之间的位错从不稳定的高能状态过渡到稳定状态，原来的晶格间能量状态被打破，形成新的低能组态织构，达到消减和均化残余应力的目的，另一方面，高能声束聚焦能量有助于消灭金属增材制件层间孔洞与元素气化形成的气孔缺陷，使得调控后的金属制件表面更均匀、气孔更少，强度更高，从而实现金属增材制件构件内部质量和力学性能的显著提高。

[0014] 可选的，所述步骤A中的所述高能声束激励单元发射高能声束频率范围为5.0～40.0KHz，单个所述高能声束激励单元功率1.0W以上。

[0015] 高能超声波具有一定的声束聚焦指向特性，通过有效调控纵波、横波、表面波和导波等高能声束的频率以及聚焦区域内的能量，将高能声束聚焦区域调控在金属制件材料内的指定位置，达到消减和均化残余应力的目的。

[0016] 进一步的，所述步骤A中所述高能声束激励单元还包括钛合金专用隔热变幅杆；

[0017] 该钛合金专用隔热变幅杆根据可适配增材空间大小，可选用1/4波长钛合金专用隔热变幅杆或1/2波长钛合金专用隔热变幅杆。

[0018] 变幅杆可以起到将高能声束传导和聚焦的作用，钛合金材料导热弹性小，约为铁的1/5，铝的1/14，可以很好的隔绝增材过程中产生的高热量，保证所述高能声束激励单元的工作性能稳定。

[0019] 进一步的，所述钛合金专用隔热变幅杆与所述增材基板不进行增材侧在增材过程中保持紧密贴合，中间采用耐高温透声橡胶或耐高温黄油进行耦合；

[0020] 所述钛合金专用隔热变幅杆与所述增材基板不进行增材侧保持紧密贴合，使得调控过程中对所述金属制件内部不断产生的残余应力进行高效、稳定的消除和均化；在所述钛合金专用隔热变幅杆端面涂覆耐高温透声橡胶或耐高温黄油，使得工作台底部与变幅杆之间充分接触，可以保证增材过程中高能声束能持续无损地导入到所述金属制件内部，从而保证调控的良好效果。

[0021] 进一步的，所述步骤A中所述高能声束激励单元排布方案包括高能声束激励单元的数量和位置的布置；

[0022] 优选的，当所述金属制件与基板接触面的直径小于等于100mm时，在增材平台上增材位置布置一个所述高能声束激励单元；

[0023] 优选的，当所述金属制件与基板接触面的直径大于100mm且所述金属制件结构为箱体时，在增材平台上增材位置布置多个所述高能声束激励单元，所述高能声束激励单元位置为环形或矩形阵列布置；

[0024] 优选的，当所述金属制件与基板接触面的直径大于100mm且所述金属制件结构为筒体或架体时，在增材平台上增材位置布置多个所述高能声束激励单元，所述高能声束激励单元位置根据所述金属制件形状作环形框或矩形框布置；

[0025] 高能声场对金属制件内局部残余应力的调控效果取决于高能声场聚焦能量、可控聚焦区域、激励模式、材料特性和耦合状态等，根据构件的不同结构和尺寸定制激励策略，可以更合理高效地对金属制件内残余应力进行消除。

[0026] 进一步的，所述步骤D中所述高能声束调控系统还具有自动停止功能，在所述金属制件的表面温度降到常温时，所述自动停止功能开启，所述高能声束调控系统自动停止工作。

[0027] 根据增材构件的大小，增材过程一般比较长，需要几小时至几十个小时，自动停止功能可以让操作员无需值守，且防止过调控而导致的材料性能下降问题。

[0028] 进一步的，所述步骤E中熔池的位置信息是根据焊枪的末端位置信息获取的。

[0029] 由上，熔池的实时位置通过对增材机械手夹持的焊枪末端位置来间接获取，焊枪末端位置与熔池位置相同或相近。

[0030] 进一步的，所述步骤E包括：

[0031] 根据所述熔池的位置信息和所述高能声束激励单元的位置信息，计算所述熔池和所述高能声束激励单元的相对距离；

[0032] 根据所述相对距离调控所述高能声束激励单元使能情况和功率信息。

[0033] 由上，通过获取的熔池的位置信息和高能声束激励单元的位置信息，计算熔池和高能声束激励单元的相对距离，根据该相对距离确定高能声束激励单元的使能情况和调控功率范围。

[0034] 进一步的，所述步骤E中的所述金属制件的表面温度通过增材基板进行增材一侧的表面温度来表示。

[0035] 增材过程是按照数控方式的逐层熔融堆积直至最后形成一定形状的机械构件的过程，所述金属制件的表面温度无法直接获得，因此通过基板增材侧的表面温度来代替增材构件的表面温度。

[0036] 进一步的，还包括步骤H：

[0037] 在增材制造过程和调控过程结束后，记录并保存所述增材制造及调控方案。

[0038] 由上，通过记录并保存增材制造及调控方案，以便于在下一次对相同材料和尺寸的待增材金属制件进行增材制造和残余应力调控时，无需重新搭建，直接调用保存的方案即可。

[0039] 本申请的这些和其它方面在以下(多个)实施例的描述中会更加简明易懂。

附图说明

[0040] 图1为本申请实施例提供的一种多源自适应低应力增材制造装置的结构示意图；

[0041] 图2为本申请实施例提供的一种多源自适应低应力增材制造装置的流程图；

[0042] 图3为本申请实施例提供的一种自适应增材制造工作台的结构示意图；

[0043] 图4为本申请实施例提供的高能声束激励单元结构示意图；

[0044] 图5为本申请实施例提供的两个高能声束激励单元拼接顶视图；

[0045] 图6为本申请实施例提供的自适应增材制造工作台横板结构示意图；

[0046] 图7为传统增材与低应力增材同一金属制件残余应力检测对比图。

[0047] 符号说明：

[0048] 1、工控机；2、机械手控制器；3、多轴机械手；4、焊枪；5、焊机控制器；6、待增材制造工件；7、自适应增材制造工作台；8、风扇；9、高能声束激励单元；10导轨；11、高能声束发生器；12、立板；13、增材基板；14、横板；15固定螺丝；16固定螺丝；17钛合金专用隔热变幅杆；18、内六角螺丝；19、弹簧；20、T型螺丝螺母；21变幅杆固定板；22、T型螺丝；23、高能声束激励单元；24、T型槽；25、长圆槽。

[0049] 应理解，上述结构示意图中，各框图的尺寸和形态仅供参考，不应构成对本申请实施例的排他性的解读。结构示意图所呈现的各框图间的相对位置和包含关系，仅为示意性地表示各框图间的结构关联，而非限制本申请实施例的物理连接方式。

具体实施方式

[0050] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

[0051] 本申请实施例提供了一种多源自适应低应力增材制造装置，及一种多源自适应低应力增材制造方法，能应用于增材制造过程中，在不影响增材制造的情况下，对残余应力消减和均化效果好，效率高，实现在增材制造的过程中同步消除残余应力，保证低应力增材制造过程的可靠性。如图1所示，本申请实施例提供的一种多源自适应低应力增材制造装置，包括：1、工控机；2、机械手控制器；3、多轴机械手；4、焊枪；5、焊机控制器；6、待增材金属制件；7、自适应增材制造工作台；8、风扇；9、高能声束激励单元；10导轨；11、高能声束发生器；12、立板；13、增材基板；14、横板；15固定螺丝；16固定螺丝；17钛合金专用隔热变幅杆；18、内六角螺丝；19、弹簧；20、T型螺丝螺母；21变幅杆固定板；22、T型螺丝；23、高能声束激励单元；

[0052] 其中，待增材金属制件6固定安装于自适应增材制造工作台7上，多轴机械手2的底座与导轨10滑动连接，多轴机械手2的末端夹持所述焊枪4，所述机械手控制器2电连接所述多轴机械手3，焊机控制器5电连接所述焊枪4，通过机械手控制器2控制多轴机械手3，以移动所述焊枪4对所述待增材金属制件6进行低应力增材；

[0053] 所述高能声束激励单元9的顶部和钛合金专用隔热变幅杆17的底部通过同心轴螺杆连接固定后顶紧在所述增材基板13不进行增材的一侧，所述高能声束发生器11电连接高能声束激励单元9，以驱动该高能声束激励单元9激发出高能声束，激发出的激发出高能声束通过所述钛合金专用隔热变幅杆17导入自适应增材制造工作台7，以实现对所述待增材金属制件6进行增材制造过程产生的残余应力进行实时调控；

[0054] 工控机1分别电连接焊机控制器5、高能声束激励单元9、机械手控制器2和温度检测装置26，实时控制机械手和所述高能声束发生器的状态，并将焊枪末端的位置信息作为反馈量实时调整所述高能声束发生器的状态，实现对所述待增材金属制件6的增材制造过程、残余应力调控过程和所述增材金属制件6表面温度的监测及控制。

[0055] 钛合金专用隔热变幅杆17与自适应增材制造工作台7的底部直接接触，增材制造过程产生的高温会直接通过底板传导至钛合金专用隔热变幅杆17，因此设计所述钛合金专用隔热变幅杆17的材料需耐高温，能在高温环境下正常传播高能声束能量，减少高能声束的损失。钛合金专用隔热变幅杆17的顶部与自适应增材制造工作台7的底部贴近并涂抹均匀的耦合剂，例如耐高温透声橡胶或耐高温黄油，使得自适应增材制造工作台7底座与钛合金专用隔热变幅杆17之间充分接触，确保在调控过程中整个装置不会产生相对位移，减少高能声束从钛合金专用隔热变幅杆17顶部传播到工作台底座的能量损耗，保证调控效果。

[0056] 基于图1所示的低应力增材制造装置，对应的一种多源自适应低应力增材制造方法，如图2所示，该方法包括以下步骤：

[0057] A、根据需要制备的金属制件尺寸和结构分析待增材金属制件的残余应力分布情况，根据残余应力分布情况和工件尺寸制定高能声束激励单元排布方案，进而确定所需高能声束激励单元的数量和安装位置，在增材平台上布置相应一个或多个所述高能声束激励单元，搭建高能声束调控系统，制定残余应力调控方案；

[0058] 一个或多个所述高能声束激励单元通过自适应增材制造工作台的T型槽滑动到待增材金属制件的下方，高能声束激励单元与钛合金隔热变幅杆通过同轴心螺杆连接，钛合金隔热专用变幅杆的顶部端面顶紧在增材基板不进行增材的一侧，确保高能声束从高能声束激励单元后传播到待调控金属制件内部。

[0059] 一个或多个所述高能声束激励单元通过多通道的高能声束发生器进行驱动，高能声束发生器能够同时控制多个所述高能声束激励单元的使能和功率，又能通过工控机对多个所述高能声束激励单元进行单独时序控制。

[0060] B、根据所述金属制件尺寸和结构，规划增材路径；

[0061] C、将增材基板固定在自适应增材制造工作台上，对所述增材基板进行打磨和清洁处理；

[0062] D、所述金属制件开始进行增材，同步开启高能声束调控系统，按照时间或/和空间控制顺序将高能声束注入所述金属制件内部；

[0063] E、实时获取增材制造过程中的熔池的位置信息和所述高能声束激励单元的位置信息；

[0064] 增材制造过程中熔池的位置与焊枪的末端位置相近，工控机实时读取各机械手控制器中机械手夹持焊枪的末端位置数据(xr1,yr1,zr1)和(xr2,yr2,zr2)。

[0065] 工控机对所有高能声束激励单元进行集中控制，基于熔池的实时位置信息对高能声束激励单元的状态信息进行实时调整，进而生成调控全过程的时序逻辑。

[0066] 所述高能声束激励单元的状态信息主要包括高能声束激励单元的使能信息和功率信息。

[0067] 在所述调控过程中，工控机实时监控并记录增材过程中各机械手夹持的焊枪末端坐标数据(xr1,yr1,zr1)、(xr2,yr2,zr2)，以获得熔池的位置信息，并根据所述熔池位置调整所述高能声束激励单元的使能情况、功率信息。根据各焊枪所在笛卡尔坐标系下的水平位置数据(xrm,yrm)与各高能声束激励单元的位置(xn ,yn)计算基于 的大小来调节各个高能声束激励单元
的开关情况，根据各焊枪所在笛卡尔坐标系下的垂直高度数据zrm和各高能声束激励单元的垂直位置数据zn计算△Lhn来调节各个高能声束激励单元的功率范围0～Wn。若熔池所在位置下方或附近安装有高能声束激励单元，则将该位置下方高能声束激励单元关闭，附近位置激励器低功率工作，其余位置高能声束激励单元高功率调控。随着增材层数及熔池竖直方向上的抬高，高能声束激励单元随之提高功率。

[0068] 工控机读取到机械手夹持的焊枪末端坐标数据，并反馈给调控系统，系统反馈调节高能声束发生器，实现将高能声束均匀、无损地反射到工件的待调控区域。

[0069] F、所述金属制件开始进行增材时，持续监测所述金属制件的表面温度；

[0070] G、所述金属制件完成增材后，待所述金属制件的表面温度降到常温时，关闭所述高能声束调控系统。

[0071] 通过上述步骤，实现了在增材制造过程中进行残余应力调控，通过对各熔池位置的实时采集，工控机基于各个高能声束激励单元与熔池的相对距离多通道自适应地调节高能声束的使能和功率，在不影响熔池固溶过程的同时，对工件的残余应力进行消减和均化，提高增材制造工件的力学性能和可靠性。

[0072] 如图7所示为ZL114A丝材传统增材与低应力增材同一金属制件残余应力检测对比图，从图中可以很明显看出，采用本申请方法和装置实施例制造的金属制件在各点位的残余应力都明显降低，证明本申请所述方法和装置的残余应力消除效果良好。

[0073] 需要说明的是，本申请所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，上述对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0074] 说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

[0075] 在上述的描述中，所涉及的表示步骤的标号，并不表示一定会按此步骤执行，还可以包括中间的步骤或者由其他的步骤代替，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

[0076] 说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

[0077] 本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在本申请的各个实施例中，如果没有特殊说明以及逻辑冲突，不同的实施例之间的术语和/或描述具有一致性、且可以相互引用，不同的实施例中的技术特征根据其内在的逻辑关系可以组合形成新的实施例。

[0078] 注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明的构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本发明的保护范畴。