[發明專利]一種激光熔化沉積沉積層幾何特征預測方法

有效

• 申請號: 202210001544.4
• 申請日: 2022-01-04
• 公開（公告）號: CN114346260B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 劉偉嵬;劉煥強;劉炳君;趙永欣;李濤;劉淑杰;張洪潮
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/23;G06F30/27;B22F10/28;B22F10/366;B22F10/85;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種激光熔化沉積沉積層幾何特征預測方法，其特征在于，該方法先基于VOF法和送粉方程建立同軸送粉式激光沉積制造數值計算模型；然后開發C語言程序與Fluent有限元軟件集成，以建立包含工藝參數與沉積層幾何特征的特征數據庫，其中，工藝參數包括激光功率、掃描速度、送粉速率和離焦量，沉積層幾何特征包括高度、寬度和熔深；再進行多組單道單層熔化沉積實驗，基于搭建的熔池的長度、寬度以及熔池溫度的在線實時監測系統，在線實時監測熔池的長度、寬度以及熔池溫度，并制備沉積層試樣提取沉積層幾何特征，通過熔池的長度和寬度、熔池溫度和沉積層幾何特征驗證數值模型的準確性；接著基于工藝參數與沉積層幾何特征的特征數據庫，利用高斯過程回歸機器學習方法建立工藝參數與沉積層幾何特征的預測模型；最后基于少量實驗數據對沉積層幾何特征預測模型進行反饋校正；

具體步驟如下：

(1)基于VOF法和送粉方程建立同軸送粉式激光沉積制造數值計算模型

利用Fluent有限元軟件基于VOF法和送粉方程，在UDF添加高斯熱源、粉末預熱熱源、氣體-粉末作用動量、送粉方程、表面張力、浮力的計算模塊建立同軸送粉式激光沉積制造三維對稱數值模型，各模塊控制方程如下：

高斯熱源：

式中，P為激光功率，α為激光利用率，r_b為激光光斑半徑，r為此時距光斑中心軸的距離，

式中，x、y、z為t時刻單元格中心坐標值，x₁、y₁、z₁為起始位置的坐標，v為激光掃描速度；

粉末預熱熱源

式中，ρ_p為粉末密度，Q_m為粉末流引起的激光功率強度衰減值，η_m為粉末激光吸收系數，c_p為粉末比熱容，ΔT為粉末顆粒飛行中平均溫升，r_p為粉末粒子的半徑，t為飛行時間，

式中，l_p為激光粉末粒子相互作用長度，即將粒子引入激光束的點與沉積表面之間的距離，即為離焦量；v_p表示粉末飛行過程具有的平均速度；

氣體-粉末作用動量

F_v·Δt＝M₁·v_s+m_s·v_p

式中，M₁為氣體載氣流量，v_s為氣體流動過程中的平均速度；m_s為金屬粉末送粉流量，Δt為作用時間；

送粉方程：

表面張力：

式中，σ₀為參考溫度下的表面張力，為表面張力溫度系數，為x-y平面內的溫度梯度；

浮力：

F_f＝ρ_pgβ(T-T₁)

式中，T₁為材料液相線溫度，β為熱膨脹系數，ρ_p為粉末密度，T為熔池實時溫度；

(2)開發C語言程序與Fluent有限元軟件集成，以建立不同工藝參數與沉積層幾何特征的特征數據庫

利用Microsoft Visual Studio軟件對步驟(1)中相應計算模塊開發C語言程序，通過UDF添加到Fluent，通過中心復合實驗設計法設計工藝參數組合，根據步驟(1)在Fluent中建立的數值模型進行單道單層沉積層幾何形貌模擬計算，通過數值計算建立工藝參數與沉積層幾何特征的特征數據庫；

(3)進行多組單道單層熔化沉積實驗，基于搭建的熔池的長度、寬度和溫度在線實時監測系統，在線實時監測熔池的長度、寬度和溫度，并制備沉積層試樣提取沉積層幾何特征，通過熔池的長度、寬度、溫度和沉積層幾何特征驗證數值模型的準確性；

從步驟(2)工藝參數組合中隨機選取多組不同工藝參數進行單道單層激光熔化沉積實驗；搭建熔池的長度、寬度和溫度在線實時監測系統，在線實時監測熔池的長度、寬度和溫度，在線實時監測系統包括紅外熱像儀監測模塊、同軸相機監測模塊、圖像處理模塊，監測具體步驟如下：

a)利用同軸相機監測模塊生成熔池視覺圖像；

b)利用紅外熱像儀監測模塊生成熔池紅外圖像；

c)利用圖像處理模塊提取熔池視覺圖像的熔池輪廓，并計算熔池長度；根據材料熔點提取熔池紅外圖像中熔池輪廓，由熱像儀拍攝角度與距離確定熔池實際長度；

d)通過調整紅外熱像儀的發射率保證熔池視覺圖像與熔池紅外圖像熔池長度相等，得到紅外熱像儀實際發射率；

通過以上步驟實現熔池幾何特征和熔池溫度全過程在線監測，將沉積層等間距選擇多個位置，提取相應的紅外熱像儀的熔池幾何特征和熔池溫度，并沿垂直掃描路徑方向切開沉積層制備試樣，進行鑲樣，利用超景深顯微鏡進行沉積層幾何特征提取，取多次的平均值作為沉積層最終幾何特征，將紅外熱像儀的熔池幾何特征和熔池溫度、沉積層最終幾何特征與相同工藝參數下的同一位置數值模擬結果進行對比，驗證步驟(1)數值模型的精確性；

(4)基于工藝參數與沉積層幾何特征的特征數據庫，利用高斯過程回歸機器學習方法建立工藝參數與沉積層幾何特征的預測模型

將步驟(2)中工藝參數與幾何特征的特征數據庫分為訓練集和測試集，基于訓練集數據利用高斯過程回歸機器學習方法建立沉積層幾何特征預測模型，利用測試集進行預測，測試預測模型對數值計算結果預測的準確性；

(5)基于少量實驗數據對沉積層幾何特征預測模型進行反饋校正

建立步驟(4)中沉積層幾何特征預測模型的反饋校正模塊，利用步驟(3)中的少量沉積層幾何特征實驗數據對沉積層幾何特征預測模型進行反饋校正，直到建立的預測模型偏差δ_x≤δ_要求。