[發(fā)明專利]一種激光增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋與優(yōu)化的裝置與方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210874026.3
• 申請(qǐng)日: 2022-07-22
• 公開（公告）號(hào): CN115138867A
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 占小紅;師慧姿;蔡緒康;王磊磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F10/28
• 分類號(hào): B22F10/28;B22F12/90;G01N29/04
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• 代理人: 暫無信息

1.一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋與優(yōu)化的裝置，其特征在于，其主要包括激光熔覆平臺(tái)、超聲波監(jiān)測(cè)反饋裝置、計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)；

激光熔覆平臺(tái)包括激光器(1)、激光熔覆頭(2)、激光水冷卻機(jī)(3)、氣流式雙料斗送粉器(5)及氬氣瓶(4)，用于激光增材制造梯度材料；

超聲波監(jiān)測(cè)反饋裝置包括超聲波探傷儀(9)，超聲波探頭(8)；在所述超聲波探傷儀(9)的激勵(lì)下，所述超聲波探頭(8)發(fā)射超聲波信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)沉積層的質(zhì)量；若沉積層中出現(xiàn)缺陷，則超聲波信號(hào)會(huì)發(fā)生反射，并通過換能器將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述超聲波探傷儀(9)對(duì)接收到的回波電信號(hào)進(jìn)行放大處理，不同性質(zhì)的回波電信號(hào)對(duì)應(yīng)沉積層不同的缺陷，將電信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)進(jìn)行顯示與分析；其中所述超聲波探頭(8)通過螺栓連接固定在激光熔覆頭(2)上并置于其后方，從而可以實(shí)現(xiàn)梯度材料激光熔化沉積過程中沉積層質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋；同時(shí)，超聲波還可以消除沉積過程中工件的部分殘余熱應(yīng)力；

所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)用于接收超聲監(jiān)測(cè)反饋裝置所實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)，所反饋的沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)主要包括激光熔化沉積過程中沉積層中產(chǎn)生的缺陷的類型(氣孔、裂紋、上凸、夾雜、下塌等)、位置、大小和數(shù)量等；通過所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)中的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積層中缺陷的具體類型、位置、大小和數(shù)量進(jìn)行有效地診斷，并根據(jù)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，繼續(xù)進(jìn)行激光熔化沉積過程。

2.根據(jù)權(quán)利要求1一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋與優(yōu)化的裝置，其特征在于，所述響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，通過設(shè)計(jì)梯度材料單道單層、單道多層的正交實(shí)驗(yàn)，確定合理的成分梯度間隔、梯度范圍以及合適的激光功率P(W)、掃描速度V(mm/s)和送粉速度v(g/min)等工藝參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，采用預(yù)設(shè)干擾因素人為制造缺陷(氣孔、裂紋、上凸、夾雜、下塌等)，對(duì)激光功率P(W)、掃描速度V(mm/s)、離焦量f(mm)等參量設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的激光熔化沉積缺陷實(shí)驗(yàn)；通過超聲波監(jiān)測(cè)反饋裝置采集正交實(shí)驗(yàn)和缺陷實(shí)驗(yàn)過程中的回波電信號(hào)，得到激光熔化沉積過程中對(duì)應(yīng)的沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)并反饋給所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)，所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)接收沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行分析、存儲(chǔ)與顯示；運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法分析所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)所接收的電信號(hào)與對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)下激光增材制造梯度材料成型質(zhì)量(缺陷類型、位置、大小和數(shù)量)的相關(guān)性，建立工藝參數(shù)與激光熔化沉積梯度材料成型質(zhì)量的相關(guān)性數(shù)據(jù)庫(kù)，從而構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋的電信號(hào)與不同工藝參數(shù)下激光熔化沉積梯度沉積層成型質(zhì)量之間的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋與優(yōu)化裝置的方法，其特征在于，采用一種增材制造梯度材料成型質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋與優(yōu)化的方法，具體包括以下步驟：

(1)將基板(12)固定在工作臺(tái)上，通過氬氣瓶(4)向密閉腔體中通入氬氣，保證密閉腔體處于真空狀態(tài)，對(duì)所述基板(12)進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)行梯度材料的激光增材制造過程；

(2)在氣流式雙料斗送粉器(5)的兩料斗內(nèi)分別放置不同成分的粉末，沉積過程中通過改變兩粉盤的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)沉積層成分的梯度變化；

(3)增材制造梯度材料沉積層質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋：在激光增材制造過程中，置于激光熔覆頭后方的所述超聲波探頭(8)在所述超聲波探傷儀(7)的激勵(lì)下發(fā)射超聲波信號(hào)，可以對(duì)已經(jīng)凝固成型的沉積層質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過換能器將反射回來的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述超聲波探傷儀(7)對(duì)接收到的回波電信號(hào)進(jìn)行放大處理，并將沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)反饋給所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)，所反饋的沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)主要包括激光熔化沉積過程中沉積層中產(chǎn)生的缺陷的類型(氣孔、裂紋、上凸、夾雜、下塌等)、位置、大小和數(shù)量等；

(4)沉積層質(zhì)量數(shù)據(jù)信息分析與成型質(zhì)量?jī)?yōu)化：依據(jù)工藝參數(shù)與激光熔化沉積梯度材料成型質(zhì)量的相關(guān)性數(shù)據(jù)庫(kù)，建立實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋的電信號(hào)與不同工藝參數(shù)下激光熔化沉積梯度沉積層成型質(zhì)量之間的響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，通過響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對(duì)反饋的沉積層質(zhì)量信息進(jìn)行診斷，當(dāng)沉積層中未出現(xiàn)熔化不均勻現(xiàn)象或者大尺寸氣孔和裂紋等缺陷，此時(shí)判定沉積層質(zhì)量合格，所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)向激光熔覆平臺(tái)下達(dá)指令，可以繼續(xù)激光增材制造梯度材料過程；若沉積層中出現(xiàn)缺陷時(shí)，則判定沉積層質(zhì)量不合格，向激光熔覆平臺(tái)發(fā)出指令，停止激光增材制造梯度材料過程，通過所述計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)(6)判斷缺陷的類型(氣孔、裂紋、上凸、夾雜、下塌等)、位置、大小和數(shù)量，根據(jù)響應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)模型對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，繼續(xù)進(jìn)行激光熔化沉積過程。