电弧定向能量沉积(Arc-based Directed Energy Deposition)手艺,又称电弧增材制造(Wire + arc additive manufacturing, WAAM),具有沉积效力高、制造本钱低、制造周期短和材料操纵率高档诸多优势,特殊合适年夜尺寸构件快速成型和修复再制造,在航空航天、轨道交通、核电等范畴具有普遍利用前景。 变形丈量和节制是金属增材制造中最主要的问题之一。金属增材制造在高温梯度和年夜束缚前提下产生沉积和凝固,并陪伴着复杂的冶金现象和应力演变。应力跨越材料屈就强度可能致使构件变形,跨越强度极限致使裂纹缺点乃至断裂。ky体育app官网入口下载而因为WAAM热输入年夜,变形和开裂问题更加凸起。是以,有需要对WAAM进程中的变形进行监测。 增材制造变形的研究首要经由过程数值摹拟和尝试方式。数值摹拟首要经由过程宏不雅标准(>10-3 m)下的挨次耦合热弹塑性有限元计较来实现,但是数值摹拟和尝试丈量之间的一致性存在必然误差。尝试丈量,包罗坐标丈量和位移传感器。坐标丈量(如激光3D扫描)首要用在丈量沉积后的零件变形,不克不及及时丈量。而位移传感器(激光位移传感器或DVRT传感器)仅能记实某一点或几个点的变形信息,在全场变形丈量方面存在必然局限性。数字图象相干(Digital Image Correlation,DIC)是一种基在光学的丈量手艺,其根基道理是跟踪变形前后图象中不异子区特点点的位移,从而获得全场变形。 近日,清华年夜学机械系赵玥副研究员团队采取DIC手艺实现了电弧增材制造构件全场变形的原位丈量。团队自立设计并搭建了WAAM和三维DIC丈量系统,研究了DIC系统丈量精度、弧光干扰和屏障手艺、散斑质量对丈量精度的影响,并经由过程DIC丈量与数值摹拟方式研究了单臂墙和圆筒型WAAM构件的变形演化纪律。相干研究功效以“In situ measurement of full-field deformation for arc-based directed energy deposition via digital image correlation technology”为题,颁发在国际增材制造范畴顶级期刊《Additive Manufacturing》。论文第一作者为清华年夜学博士后王强(现为上海交通年夜学助理研究员),通信作者为清华年夜学赵玥副研究员。本研究取得国度天然科学基金撑持,将来团队将延续展开DIC应力变形丈量手艺研究,力争实现电弧增材制造进程构件变形的及时全场丈量和在线调控。 论文链接:https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103635 DIC丈量系统具有较高的精度,丈量误差可节制在微米级,2D-DIC系统静态误差为±4μm,3D-DIC系统静态误差为±6μm。在10mm变形规模内,系统丈量误差为0.012mm,0.12%。同时采取2D-DIC与3D-DIC丈量不异构件增材进程变形,丈量成果连结一致。
图2 2D-DIC与3D-DIC丈量成果对照:(a)实验平台;(b)特点点;(c)纵向位移对照;(d)垂向位移对照。 WAAM进程中强烈的弧光会严重影响DIC图象质量,电弧笼盖区域图象暴光严重,没法拍摄到散斑,必需采纳弧光屏障办法。为此设计了平面型弧光挡板和L型弧光挡板。因为挡板不克不及慎密贴合增材构件,挡板底部仍会泄露弧光。改成L型挡板并添加石棉布,使挡板与增材构件软接触,可以或许有用屏障弧光,获得高质量DIC图象。
图3 弧光影响和屏障办法:(a)无弧光;(b)有弧光无屏障;(c)有弧光,平板屏障;(d)有弧光,L型挡板屏障;(e)平板屏障装配;(f)L型挡板屏障装配。 DIC散斑作为记实变形信息的载体,凡是有天然散斑和人工散斑两种情势,在2D-DIC利用中,上述两种散斑情势都可获得高质量图象用在DIC变形计较。但在3D-DIC利用中,仅可采取人工散斑。缘由是采取构件概况天然纹理作为散斑,当分歧角度拍摄照片时,不异位置的反光角度分歧,造成图象灰度差别,从而致使相干关系计较掉效。
图4 天然散斑与人工散斑对照:(a)无电弧,天然散斑;(b)有点糊,天然散斑;(c)无电弧,人工散斑;(d)有电弧,人工散斑。
图5 基在2D-DIC系统同时丈量天然散斑与人工散斑试样变形:(a)尝试装配;(b)特点点位置;(c)纵向位移对照;(d)垂向位移对照。 别离经由过程DIC、激光3D扫描、数值摹拟体例获得WAAM圆筒构件外概况轮廓,外轮廓直径沿高度标的目的的转变趋向连结一向。DIC丈量构件上特点点的位移转变与数值摹拟变形演化纪律附近。DIC手艺是WAAM构件全场变形原位丈量的有用路子,实现DIC在线及时变形丈量与节制对金属增材制造成形节制具有主要意义。
图6 WAAM圆筒构件变形成果和变形演化成果:(a)DIC全场变形;(b)激光3D扫描;(c)数值摹拟;(d)外轮廓直径沿高度转变纪律;(e)DIC丈量特点点位移演化;(f)数值摹拟变形演化。 研究成果注解:DIC手艺可实现电弧增材制造构件全场变形原位丈量,且具有较高的丈量精度。对2D-DIC系统,天然散斑和人工散斑都可用在高精度丈量;可是对3D-DIC,必需采取人工散斑。WAAM进程中强烈的弧光会影响DIC图象质量,必需采纳有用的屏障办法。利用DIC手艺丈量的WAAM构件变形与数值摹拟、三维激光扫描丈量成果具有高度一致性。经由过程DIC手艺,有望实现电弧增材制造进程全场变形的及时丈量和调控。
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