一種用於高能束增材製造的溫度場主動調控系統及其控制方法與流程

2023-06-01 21:09:26

本發明屬於高能束增材製造技術領域，具體涉及一種立體式、分區式梯度溫度場主動調控系統及其控制方法。本發明特別適用於高能束增材製造及其熱處理，也適用於其他需要有溫度梯度調控的加工型設備中。

背景技術：
相對於傳統的去除-切削加工方法，增材製造技術是一種基於「離散-堆砌」原理「自下而上，逐層增加」由零件三維數據驅動直接製造所需零件的方法。在此基礎上,金屬增材製造技術是以高能束流(雷射束、電子束、等離子或離子束)為熱源，加熱材料使之結合(燒結或熔化)，直接製造零件的方法。在加工過程中由於經受多次快速重熔和高溫熱循環的影響，溫度場、構件的尺寸精度處於不斷變化。受零件形狀、尺寸變化的影響，逐層製造的零件中往往容易因局部溫度不均勻產生熱應力從而導致零件的變形、收縮和翹曲，當構件的尺寸越大、形狀越複雜時這一現象更加突出。為了改善形局部熱輸入造成的不均勻溫度場而產生的殘餘應力，最常用的辦法是對加工好的成形件進行後續熱處理，其中經歷的冷卻-再升溫過程將會造成時間、保護氣體、熱能等資源上不同的浪費，而這將直接增加研發周期以及研發成本。此外，冷卻過程中可能出現應力釋放導致加工好的構件出現變形、翹曲甚至開裂等情況，加大生產出次品、廢品的風險。最重要的是，變形、翹曲甚至開裂等情況往往在加工過程中便已經出現，此種方法由於缺少對成形過程中的內應力控制，並不能從根本上解決問題。針對這一情況提出在加工前及加工過程中對成形區域進行預熱處理，在材料的熔化-凝固過程中起到預熱緩冷的作用，通過對溫度場的調節減小甚至消除加工過程中的內應力。當前文獻中的處理辦法大多集中為在成形區域底部添加加熱裝置進行溫度場的調控，(如EOS-SLM設備，採用基板預熱，最高升溫至80℃；Trumpf-SLM設備，採用基板預熱，最高升溫至250℃；文獻Microstructuralandmechanicalapproachesoftheselectivelasermeltingprocessappliedtoanickel-basesuperalloy.JournalofMaterialsProcessingTechnology213(2013)606–613中提到的可將預熱溫度升到900℃等),此種方法的弊端在於由於僅能通過底部加熱進行單向預熱,其預熱效果將隨著成形高度的增加而不斷下降；除此之外還有利用人提出利用金屬感應線圈對送粉缸進行預熱(選擇性雷射選區熔化SLM設備送粉筒預熱裝置和預熱方法，專利申請號201310024599.8)。但是由於在成形過程中，溫度場的變化受成形工藝、零件形狀複雜程度、尺寸大小、成形高度等多方面的影響，而上述控制方法由於其溫度場控制靈活性不足，缺少對內部溫度場的有效監測及控制手段，因而無法保證不同構件的加工質量一致性。為了實現加工過程中溫度梯度的監測及可控，本申請人提出了一種成形區域溫度梯度可控的高能束選區熔化方法與設備(專利申請號201510437070.8)，該發明利用測溫模塊所測得的成形區域邊界溫度實時計算出熔池內部的溫度梯度區間，並通過溫控模塊對成形區域施加合適的熱流條件以實現對熔池及成形區域溫度梯度區間的控制，但此方法僅局限於Z方向上的溫度梯度控制，無法進行XOY平面上的溫度梯度控制。

技術實現要素：
針對上述問題，為了克服傳統溫度場控制系統單一不可自由調節的缺點，實現加工過程中Z方向及XOY平面的溫度梯度調控，減小甚至消除加工過程中因溫度梯度產生的內應力，本發明提供了一種用於高能束增材製造的溫度場主動調控系統及其控制方法。為了克服傳統溫度場控制系統單一不可自由調節的缺點，本發明提供的是一種立體式、分區式梯度溫度場主動調控系統。本發明提供的一種用於高能束增材製造的溫度場主動調控系統，其特徵在於，該系統由溫度場監控系統、加熱系統和控制系統；所述溫度場監控系統用於測量成形區域XOY平面及四周的溫度場信息，將獲得的溫度場信息進行量化處理後反饋給控制系統，所述加熱系統根據控制系統的指令對成形缸的底部和四周進行溫度場的分區獨立實時調節，以實現在加工過程中整個加工區域的溫度場恆定，保證已加工區域與未加工區域處於一個合理的溫度梯度，避免熱應力導致構件翹曲、變形、開裂。作為上述技術方案的改進，所述溫度場監控系統包括紅外相機和測溫熱電偶，所述加熱系統包括側面加熱系統、底面加熱系統和冷卻系統；紅外相機位於腔體內頂部，觀測角度對準成形缸上表面，用於對整個成形區域進行實時監控獲取整個成形區域XOY平面的溫度場雲圖，並提供給控制系統；所述測溫熱電偶均勻分布在成形缸的四周，用於對整個成形區域進行實時監控獲取加工整個成形區域XOZ及YOZ平面的溫度點陣分布圖；所述底面加熱系統固定在升降活塞和基板之間，並保證底面加熱系統上表面水平，側面加熱系統分布在成形缸四周，側面溫度控制系統用於作為主要的熱源進行溫度場的控制調節；所述冷卻系統由包裹在側面加熱系統外側包裹的冷卻層構成，其作用在於加工完成後對成形缸的冷卻及避免加工過程中腔體內部過熱；所述控制系統分別側面加熱系統和底面加熱系統控制信號連接，控制系統用於分別或同時控制溫度場監控與反饋，底面加熱系統的開啟、關閉、功率調節，以及底面加熱系統的開啟、關閉、功率調節。作為上述技術方案的進一步改進，所述側面加熱系統由分布於成形缸的四周的四個側面加熱子系統構成；單個側面加熱子系統由陣列分布的c×d個獨立的側面加熱子模塊構成；每個側面加熱子模塊與一個所述測溫熱電偶唯一對應。作為上述技術方案的再進一步改進，所述底面加熱系統是由陣列分布的a×b個獨立的底面加熱子模塊構成，這些獨立的加熱子模塊均在同一個水平面上整齊排列，並由控制系統利用紅外相機獲得的溫度場雲圖進行獨立判斷開啟或者停止加熱。上述側面加熱子模塊與底面加熱子模塊結構相同，均由兩層陶瓷板及夾在中間的加熱功率可連續調節的加熱元件構成。本發明利用紅外相機對整個成形區域進行實時監控獲取整個成形區域XOY平面的溫度場雲圖，解決了傳統熱電偶智能進行簡單點測量的缺點，對整個成形過程進行連續監控，並實時調整整個加工區域的溫度場，確保在加工過程中整個加工區域的溫度場恆定。本發明通過四周均勻分布的測溫熱電偶對整個成形區域進行實時監控獲取加工整個成形區域XOZ及YOZ平面的溫度點陣分布圖，繪製溫度分布曲線，並通過四周分布的加熱系統進行實時調整，確保加工過程中整個加工區域的溫度場恆定。本發明所提供的用於高能束增材製造的溫度場主動調控系統的控制方法，其步驟包括：第1步基板安裝及調平：將噴砂後的基板固定於底面加熱系統上，使基板上表面保持水平並保證基板上表面與工作檯處於同一個水平面上；第2步建立保護氣氛：通過氣體不斷置換使腔體內部的氧含量降低到1PPM以下；第3步根據待加工構件XOY平面投影圖，開啟底面加熱系統，同步打開投影圖對應底面加熱子模塊，將基板均勻升溫至設定預熱溫度T1，開啟紅外相機對成型區域進行溫度監控並轉化為數字溫度信號反饋給控制系統；根據待加工構件YOZ及XOZ平面投影圖，開啟第一、第二行側面加熱子系統對應的側面加熱子模塊，使第一側面加熱子系統升溫至設定預熱溫度T2，第二行側面加熱子系統升溫至(0.4～0.8)T2；第4步將設計好的加工圖形及加工參數導入計算機，在控制系統的控制下開始進行加工；第5步採用逐層掃描加工的方式，即每加工一層，基板便下降10～100μm；第6步當基板位置下降到第p行側面加熱子系統的位置時，保持第1行到第p-1行側面加熱子系統溫度處於設定預熱溫度T2附近，使第p行側面加熱子系統升溫至T2，使第p+1行側面加熱側子系統升溫至(0.4～0.8)T2；p表示側面加熱子系統的行數；第7步在加工過程中，通過紅外相機實時或者間歇拍攝成形缸內溫度場雲圖並反饋給控制系統，控制系統進行圖像處理後根據a×b個底面加熱子系統的擺放位置轉化為a×b個溫度數位訊號後再對底部加熱模塊進行開啟、停止、溫度控制；通過測溫熱電偶對整個成形區域進行實時監控獲取加工整個成形區域XOZ及YOZ平面的溫度點陣分布圖，繪製溫度分布曲線，並通過四周分布的側面加熱系統進行實時調整，確保加工過程中整個加工區域的溫度場恆定；第8步重複上述第1步至第7步，直至完成整個零件的加工成形。本發明也可以在零件成形過程中開啟紅外相機、側面加熱系統、測溫熱電偶和底面加熱系統，對零件成形過程中腔體內溫度進行實時測量及調控，將腔體內溫度維持在去應力退火時的溫度範圍內(例如300～800℃，依據材料的物理屬性及零件尺寸大小確定確定)，在零件成形過程中進行去應力處理，避免在成形過程中內應力釋放出現變形、翹曲甚至開裂情況。本發明還可以在零件成形過程完成後，通過紅外相機、側面加熱系統、測溫熱電偶、底面加熱系統和控制系統，對零件成形過程中腔體內溫度進行實時測量及調控，利用成形過程中現有的保護氣氛及熱量進行去應力退火及其他相關熱處理，縮短成形-熱處理周期，節約能源，減少成形設備佔用時間。本發明系統集溫度場監控系統、加熱系統、溫度控制系統為一體。在加工過程中溫度控制實現PID參數自動調節，當局部溫度偏離設計溫度時能通過調整相應加熱模塊的開啟、關閉、功率調節實現溫度的自動調節。本發明的主要原理為，在構件的加工過程中，利用紅外相機及成形缸四周的測溫熱電偶(可同時開啟或單獨開啟)對加工過程進行實時監控並獲得整個系統內的溫度場信息。將獲得的溫度場信息反饋給控制系統，將該信息進行量化處理並通過控制系統對各個獨立的加熱模塊(成形缸底面a×b個加熱模塊及成形缸四周4c×d個加熱模塊共計(a×b+4c×d)個加熱模塊構成)進行溫度場的調節(相應加熱模塊的開啟、關閉、功率調節)，從而實現在加工過程中整個加工區域的溫度場恆定。在加工完成以後再根據是否需要進行後續熱處理選擇不同的處理機制。因此與傳統的溫度場控制系統相比，該發明主要具有如下優點：1.利用溫度場監控系統，對加工過程中整個加工區域進行實時立體監控，有效獲得各個區域溫度信息，並量化處理；2.利用各個獨立加熱模塊，根據1所獲得的溫度場信息進行溫度場控制，增強了針對不同加工參數、不同構件尺寸、形狀的溫度控制靈活性；3.在成形過程中直接去除應力，避免在成形過程中出現變形、翹曲甚至開裂等情況；4.成形-熱處理一體化，減少中間環節，既增加了加工效率又減少了保護氣體、熱能的浪費，縮短了成形設備佔用時間；5.利用成形區域外圍的循環冷卻水，使成形區域與工具機區域分離，保證了工具機溫度不受加熱影響，確保了成形過程中的安全性及穩定性。附圖說明圖1為本發明的立體式、分區式梯度溫度場主動調控系統的結構示意圖；圖2為本發明的側面加熱系統的分布示意圖(俯視圖)；圖3為本發明的單個側面加熱子系統的結構示意圖；圖4為本發明的底面加熱系統分布示意圖；圖5為本發明的獨立的加熱子模塊的結構示意圖；圖6為本發明的循環冷卻系統示意圖，其中，6A為主視圖，6B為俯視圖。圖7為本發明具體實施過程中的加工及溫度控制流程圖；圖8為本發明僅使用紅外相機時的結構示意圖；圖9為本發明僅使用側面測溫熱電偶時的結構示意圖。圖1－9中，1表示腔體，2表示紅外相機，3表示氣體出口，4表示工作檯，5表示冷卻層，6表示側面加熱系統，7表示測溫熱電偶，8表示成形缸，9表示氣體入口，10表示控制系統，11表示零件已成形部分，12表示基板，13表示底面加熱系統，14表示升降活塞，15表示冷卻水出口，16表示水冷機，17表示冷卻水入口，18表示側面加熱子模塊，19、19』表示陶瓷板，20表示加熱元件，21表示石棉布，22表示底面加熱子模塊、23表示冷卻管。具體實施方式為了儘可能的降低在成形過程中因溫度不均勻造成的不利影響，本發明設計了一套由溫度場監控系統、加熱系統和控制系統構成的梯度溫度場主動調控系統。通過測量成形區域XOY平面及四周的溫度場信息，將獲得的溫度...