东南+密西根大学丨金属激光增材制造过程中的应力在线监测
前言
正文
研究人员采用的方法称为位移法。如图1所示，状态A代表最终凝固的材料，它包含要确定的残余应力的状态。B是刚形成时熔池的形状，此时物料呈液态；尽管其中包含某些力和应力，但与固态相比，这些特性可以忽略不计。可以假设，在这种状态下，应力还没有形成，可以把这种状态作为无应力状态。在实际制造过程中，由于熔池的冷却，状态B的形状正在收缩到状态A。这个过程可以通过强制状态B的表面拟合状态A来模拟。这个过程产生的应力保存在状态C中。
图1. 实时应力测量示意图。(a)位移法原理，(b)实时测量系统，(c)基于熔池形状的沉积层模型，(d)基底模型
根据假设，应力发展可以通过熔池表面和凝固材料之间的差异来计算。为了获得这些数据，使用计算机视觉来帮助进行测量。在线测量布局如图1b所示。熔池高度由垂直于制造激光器设置的相机记录。为了可视化被明亮的等离子体焰流笼罩的熔池，在相机镜头前安装了一个532nm滤光片和一个中性密度滤光片(ND)。采用532nm激光(8W)照亮熔池区域。
在线压力测量基于以下步骤：
1. 使用相机1和相机2记录熔池和沉积层的高度，并将信息发送到计算机以处理数据。
2. 构建熔池和沉积层的横截面。假设沉积层的横截面为半圆形，并根据熔池和沉积层的高度构建截面。
3. 对熔池截面和沉积层进行网格划分，建立熔池有限元模型。根据熔池的形状构建基板单元和节点。
4. 计算熔池和凝固层之间的表面位移。在曲面节点上添加位移。
5. 添加一个新的熔池并重复步骤1-4。每一步之后，保存上一步的结果，代入上一步的结果，在材料新沉积的部分加上位移。继续计算直到过程结束。
结果与讨论
研究所用粉末为1236 F/FE-271（美国普莱克斯），成分接近AISI316L不锈钢。热性能在图2中给出。保护气体是氮气，流速为20CFH。为了使测量更容易，使用0.5英寸/秒的低扫描速度和1500 W激光来创建相对较大的沉积层。样品如图3a所示。对于相机校准，采用12个不同的相机位置来估计外部参数。图3b显示了相机校准的重投影误差。误差在不同条件下有所不同，但在一个相对较小的范围内。平均平均误差为0.981±0.112像素或0.018±0.002 mm。通过XRD方法（Proto LXRD残余应力测量仪，Proto Canada）测量样品的最终残余应力。实验中使用了Cr靶材。
图2. AISI 316不锈钢的温度相关 (a) 热物理性能和 (b) 热机械性能
如图3c-e所示，熔池高度测量基于以下步骤：首先将图像转换为灰度，然后使用Prewitt边缘检测方法来区分边缘。由于制造激光的位置和激光半径已知，因此关注区域被限制在激光照射的区域。一旦识别出熔池，测量选定区域中最高的10个像素，并将它们的平均高度作为熔池的高度。
对于线激光，图3f是线激光照射在沉积层上的相机图像。沉积层轮廓的真实位置位于线激光的中心，即沿每列图像像素的垂直方向上的中点。测量的边缘如图3g所示。
图3. 熔池图像，（a）沉积样品，（b）像素平均误差，（c）原始图像，（d）边缘检测，（e）应用阈值。
来源：增材制造硕博联盟
