[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

一種激光熔化沉積沉積層幾何特征預測方法，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；開發程序與Fluent有限元軟件集成；進行多組單道單層熔化沉積實驗，基于在線實時監測系統，在線實時監測熔池幾何特征和熔池溫度，并制備沉積層試樣提取沉積層幾何特征，通過熔池幾何特征、熔池溫度和沉積層試樣幾何特征驗證數值模型的準確性；基于工藝參數與沉積層幾何特征數據庫，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；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。本發明可快速精確地建立工藝參數與沉積層幾何特征的預測模型,工藝成本低、效率高、預測精度可控。

技術領域

本發明屬于激光增材成形精度技術領域，是一種激光熔化沉積沉積層幾何特征快速預測方法。

背景技術

激光熔化沉積技術(Laser metal deposition，LMD)是以高功率激光作為熱源熔化基體，同時原料以粉末或金屬絲的形式送入熔池，隨著激光束的移動，熔池凝固并完成逐層制造。從而使傳統的材料成形多步制造工藝集成為一步制造，極大地提高了工件制造效率以及材料性能并節省了成本，被認為是制造領域的一次重大變革，代表先進制造技術和材料制備技術的最新發展方向，目前，在航空、航天、汽車等高新技術領域展示出廣闊的應用前景。

理論上激光熔化沉積技術可以成形任意零件，但實際生產中還有很多問題需要解決，限制了LMD技術的應用范圍，目前LMD技術主要存三個方面的問題，一是設備方面：由于目前裝備仍處于開發階段，生產效率較低，此外在成型一些大型結構件時，相比于傳統加工方式，成型速度較慢，工藝穩定性、工作范圍、成形件質量難以保證；二是材料方面：目前使用的主流材料主要是碳鋼、鎳基合金、鈦合金，金屬異質材料(先進激光熔化沉積制造材料)的相關理論研究較少，因此材料方面最大的挑戰是拓寬材料種類以滿足高性能、多功能零件的需求；三是工藝方面：工藝參數(脈沖激光參數、激光功率、掃描速度、送粉速率、掃描路徑、搭接率等)直接影響沉積層形性質量(幾何尺寸、顯微硬度、殘余應力、稀釋率、熱影響區深度等)，在現在有設備和材料的情況下，快速建立精確的沉積層形性質量預測模型問題正在影響著激光熔化沉積技術的發展與應用，成為提高零件質量的關鍵問題。

目前在激光熔化沉積領域，通過建立預測模型來提高沉積層幾何特征精度的方法已有一定進展，但大多采用數值模擬或大量實驗數據驅動數學模型在固定工藝參數下進行沉積層幾何特征預測，數值模擬計算成本昂貴、時間長，且沒有利用沉積過程特征與沉積層幾何特征對數值預測模型進行驗證，無法保證數值模型的精確度，對于復雜沉積過程甚至無法進行數值模擬計算，實驗數據驅動數學模型工藝成本昂貴、效率低下，同時兩者預測精度不可控，目前還未有快速精確地建立沉積層幾何特征(高度、寬度、熔深)預測模型的有效方法。因此有必要提出基于少量實驗數據的有限元與數據驅動的激光熔化沉積沉積層幾何特征快速預測與反饋校正的方法，以解決原有激光熔化沉積過程中沉積層幾何特征預測方法的缺點，實現沉積層幾何特征快速、精確地預測。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種激光熔化沉積沉積層幾何特征預測方法，可以快速精確地建立工藝參數與沉積層幾何特征的預測模型，該方法提出基于在線監測熔池幾何特征(長度(L)、寬度(b))、熔池溫度和制備試樣提取沉積層幾何特征(高度(H)、寬度(w)、熔深(h))相結合的方式實現數值模型精確度驗證，建立基于少量實驗數據的有限元和數據驅動的激光熔化沉積沉積層幾何特征預測模型，并且提出模型反饋校正，實現模型精確度控制，同時預測模型適應性強，不受基體或進給材料的尺寸、屬性等限制，由此解決了原有激光熔化沉積沉積層幾何特征預測方法工藝成本高、效率低、預測精度不可控的問題，為后續建立可以實現沉積制造過程中快速自動化的工藝規劃和智能化制造打下基礎。

本發明的技術方案：