CN113828798A - 一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明属于电弧增材制造技术领域，公开了一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，包括以下步骤：对待制备电弧增材制造结构件进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件的残余应力的分布及应力值；根据残余应力的分布及应力值制造电弧增材制造结构件；通过磁光成像对电弧增材制造结构件进行无损检测，判断出电弧增材制造结构件上存在缺陷的部位，并得到缺陷部位对应的缺陷图形；对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型；综合残余应力的分布以及缺陷类型的分布，确定出不同区域的热处理参数；使用热处理参数对对应的局部进行热处理。为电弧增材制造结构件生成均匀的残余压应力，使表面残余压应力合理分布，减少裂纹变形等情况的发生。

Description

一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法及***
技术领域
本发明属于电弧增材制造技术领域，涉及一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法及***。
背景技术
电弧增材制造技术是以金属焊丝为原料，采取埋弧焊接的方式，按照预先设计好的路径将融化的材料层层堆积，最后凝固成型，形成大尺寸零件。电弧增材制造技术具有沉积效率高、丝材利用率高、整体制造周期短、成本低等特点。尽管电弧增材制造有很多的优点，但同时也存在很多的缺陷。包括气孔、残余应力、开裂、变形等。这些缺陷会严重影响构件的力学性能和疲劳强度，所以对电弧增材制造结构件力学性能的改善是非常重要的。
热处理是电弧增材制造结构件中广泛应用的一种强化手段，它可以有效的减小残余应力，使结构件的力学性能得到增强。热处理的温度不同结构件内部的组织特征及其析出相也会不同，从而影响结构件的组织性能。
对于复杂的结构件，增材制造成型后不同区域存在着不同的残余应力，裂纹及气孔等。目前，现有的增材制造结构件的热处理采用的是整体的热处理。在电弧增材制造过程中由于热源遍历时间长、堆积路径多样及温度场分布及其不均匀等原因造成结构件内部产生较大的残余应力、微裂纹、气孔及变形等缺陷。而整体热处理对结构件的不同缺陷区域采用相同的温度进行热处理，忽略了不同缺陷区域对热处理所需要的温度不同，因此，现有结构件的热处理方法无法使结构件达到最佳的力学性能状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法及***，解决现有结构件的热处理方法无法使结构件达到最佳的力学性能状态的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，包括以下步骤：
S1、对待制备电弧增材制造结构件进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件的残余应力的分布及应力值；
S2、根据残余应力的分布及应力值制造电弧增材制造结构件；
S3、通过磁光成像对电弧增材制造结构件进行无损检测，判断出电弧增材制造结构件上存在缺陷的部位，并得到缺陷部位对应的缺陷图形；
S4、对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型；
S5、综合残余应力的分布以及缺陷类型的分布，确定出不同区域的热处理参数；
S6、使用热处理参数对对应的局部进行热处理。
进一步，S2具体包括以下步骤：
S2.1、建立电弧增材制造结构件的立体模型，根据立体模型生成切片文件；
S2.2、根据S1所得到的残余应力的分布及应力值，对电弧增材制造结构件的数值模型进行制造路径编辑，指定电弧增材制造结构件中不同区域的残余应力分布；
S2.3、控制***按照设定的参数结合切片文件进行逐层堆焊，制备出电弧增材制造结构件。
进一步，S3具体包括以下步骤：
S3.1、首先对电弧增材制造结构件进行励磁；
S3.2、运用磁光成像***对电弧增材制造结构件生成磁光图像；
S3.3、对磁光图像进行分析，判断出电弧增材制造结构件是否存在缺陷，若存在缺陷，则得到缺陷部位，及缺陷部位对应的缺陷图形。
进一步，S4具体为：
将缺陷图形输入预设的异质集成学习器中，异质集成学习器中通过投票表决产生分类结果并输出，得到缺陷检测结果及缺陷类型识别结果。
本发明还公开了一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，包括电弧增材制造***、磁光成像***、图像分析设备及热处理***；
电弧增材制造***，用于对待制备电弧增材制造结构件进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件的残余应力的分布及应力值，并根据残余应力的分布及应力值制造电弧增材制造结构件；
磁光成像***，用于对电弧增材制造结构件进行无损检测，判断出电弧增材制造结构件上存在缺陷的部位，并得到缺陷部位对应的缺陷图形；
图像分析设备，用于对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型；
热处理***，用于根据综合残余应力的分布以及缺陷类型的分布，确定出不同区域的热处理参数，并使用热处理参数对对应的局部进行热处理。
进一步，电弧增材制造***包括第一工控机、机器人、焊枪和基板，工控机与机器人连接，机器人与焊枪连接，用于控制焊枪的移动轨迹；基板设置在焊枪下方，用于放置打印好的电弧增材制造结构件；
第一工控机用于对待制备电弧增材制造结构件进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件的残余应力的分布及应力值；对电弧增材制造结构件的数值模型进行制造路径编辑，指定电弧增材制造结构件中不同区域的残余应力分布；按照设定的参数控制机器人移动，机器人带动焊枪进行逐层打印，制备出电弧增材制造结构件。
进一步，磁光成像***包括第二工控机、运动平台、励磁电源、旋转磁场、磁光传感器及图像采集设备；
运动平台上设有夹具，用于对电弧增材制造结构件进行固定夹持；
第二工控机与运动平台连接，用于控制运动平台的运动轨迹；
励磁电源与旋转磁场连接，用于控制旋转磁场的磁场启停；
磁光传感器放置在电弧增材制造结构件上，图像采集设备与磁光传感器连接，用于采集缺陷图像。
进一步，图像分析设备与图像采集设备连接，用于对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型。
进一步，热处理***包括第三工控机和加热装置，加热装置与第三工控机连接；
加热装置设置在电弧增材制造结构件存在缺陷的部位处，第三工控机用于根据设定的热处理参数进行局部加热。
进一步，热处理***还包括冷却装置，冷却装置与第三工控机连接，第三工控机用于控制冷却装置进行冷却。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，将局部热处理、磁光成像技术运用到电弧增材制造过程中，同时与数值模拟相结合，根据不同区域的残余应力及气孔裂纹情况实时热处理参数，为电弧增材制造结构件生成均匀的残余压应力，使表面残余压应力合理分布，减少裂纹变形等情况的发生，同时提高构件的整体强度、硬度和耐磨性等力学性能，得到成形质量良好的结构件。本发明通过对电弧增材制造结构件励磁并采集其磁光图像，可以保证图像内包含电弧增材制造结构件试件内部所有缺陷信息，提高检测精度及准确性；采用集成学习算法对磁光图像进行检测及缺陷类型识别，保障当磁光图像中仅含有极少缺陷信息也能够进行有效检测；本发明通过局部热处理，解决了相同热处理温度作用于整个增材制造结构件的过程中，温度过低不能够达到减小残余应力，温度过大使结构件产生变形，降低材料的力学性能，产生新的残余应力及及裂纹等其他缺陷的问题。
进一步，本发明还公开了一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，包括电弧增材制造***、磁光成像***、图像分析设备及热处理***，将这几部分连接起来，利用现有成熟设备构件一套完成的热处理***，生产成本低，局部热处理装置在加热结构件时由于其可进行小范围加热，可对不同部位通过程序控制进行温度不同的加热，对需要加热的部位调节到合适的温度进行有效的加热，而对不需要加热的部位影响较小。
进一步，热处理***加设了冷却装置，冷却装置由工控机控制，根据判断同一工控机控制的加热装置所处的不同阶段，快速准确的选择不同的冷却方法，可准确地控制其冷却速度的快慢，以及需要冷却到的温度。
附图说明
图1是本发明的一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法的流程图；
图2是本发明所采用的增材制造***的连接示意图；
图3是磁光成像***的连接示意图；
图4是局部热处理***的连接示意图。
其中，11为第一工控机，12为机器人，13为基板，14为焊枪，15为电弧增材制造结构件；
21为第二工控机，22为运动平台，23为旋转磁场，24为磁光传感器，25为励磁电源，26为图像采集设备，27为夹具，28为图像分析设备；
31为第三工控机，32为加热装置，33为冷却装置。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明公开了一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，包括以下步骤：
S1、对待制备电弧增材制造结构件15进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件15的残余应力的分布及应力值；
S2、根据残余应力的分布及应力值制造电弧增材制造结构件15；
S3、通过磁光成像对电弧增材制造结构件15进行无损检测，判断出电弧增材制造结构件15上存在缺陷的部位，并得到缺陷部位对应的缺陷图形；
S4、对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型；
S5、综合残余应力的分布以及缺陷类型的分布，确定出不同区域的热处理参数；
S6、使用热处理参数对对应的局部进行热处理。
更优地，S2具体包括以下步骤：
S2.1、建立电弧增材制造结构件15的立体模型，根据立体模型生成切片文件；
S2.2、根据S1所得到的残余应力的分布及应力值，对电弧增材制造结构件15的数值模型进行制造路径编辑，指定电弧增材制造结构件15中不同区域的残余应力分布；
S2.3、控制***按照设定的参数结合切片文件进行逐层堆焊，制备出电弧增材制造结构件15。
更优地，S3具体包括以下步骤：
S3.1、首先对电弧增材制造结构件15进行励磁；
S3.2、运用磁光成像***对电弧增材制造结构件15生成磁光图像；
S3.3、对磁光图像进行分析，判断出电弧增材制造结构件15是否存在缺陷，若存在缺陷，则得到缺陷部位，及缺陷部位对应的缺陷图形。
更优地，S4具体为：
将缺陷图形输入预设的异质集成学习器中，异质集成学习器中通过投票表决产生分类结果并输出，得到缺陷检测结果及缺陷类型识别结果。
本发明还公开了一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，包括电弧增材制造***、磁光成像***、图像分析设备28及热处理***；
电弧增材制造***，用于对待制备电弧增材制造结构件15进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件15的残余应力的分布及应力值，并根据残余应力的分布及应力值制造电弧增材制造结构件15；
磁光成像***，用于对电弧增材制造结构件15进行无损检测，判断出电弧增材制造结构件15上存在缺陷的部位，并得到缺陷部位对应的缺陷图形；
图像分析设备28，用于对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型；
热处理***，用于根据综合残余应力的分布以及缺陷类型的分布，确定出不同区域的热处理参数，并使用热处理参数对对应的局部进行热处理。
如图2所示，电弧增材制造***包括第一工控机11、机器人12、焊枪14和基板13，工控机与机器人12连接，机器人12与焊枪14连接，用于控制焊枪14的移动轨迹；基板13设置在焊枪14下方，用于放置打印好的电弧增材制造结构件15；
第一工控机11对待制备电弧增材制造结构件15进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件15的残余应力的分布及应力值；对电弧增材制造结构件15的数值模型进行制造路径编辑，指定电弧增材制造结构件15中不同区域的残余应力分布；按照设定的参数控制机器人12移动，机器人12带动焊枪14进行逐层打印，制备出电弧增材制造结构件15。
第一工控机11主要控制电弧增材制造过程，通过控制机器人12来控制焊枪14的移动、弧焊电源及送丝***的启停，最终在基板13上生成电弧增材制造结构件15。
如图3所示，磁光成像***包括第二工控机21、运动平台22、励磁电源25、旋转磁场23、磁光传感器24及图像采集设备26；运动平台22上设有夹具27，用于对电弧增材制造结构件15进行固定夹持；第二工控机21与运动平台22连接，用于控制运动平台22的运动轨迹；励磁电源25与旋转磁场23连接，用于控制旋转磁场23的磁场启停；磁光传感器24放置在电弧增材制造结构件15上，图像采集设备26与磁光传感器24连接，用于采集缺陷图像。
电弧增材制造结构件15由运动平台22上的夹具27固定在运动平台22上，并由旋转磁场23对电弧增材制造结构件15进行励磁，最后图像采集设备26通过磁光传感器24采集缺陷图像，图像采集设备26将缺陷图像发送给图像分析设备28，图像分析设备28对缺陷图像进行分析。第二工控机21主要控制运动平台22的运动，励磁电源25控制变化磁场的启停。
如图4所示，热处理***包括第三工控机31和加热装置32，加热装置32与第三工控机31连接；加热装置32设置在电弧增材制造结构件15存在缺陷的部位处，第三工控机31根据设定的热处理参数进行局部加热。
更优地，热处理***还包括冷却装置33，冷却装置33与第三工控机31连接，第三工控机31控制冷却装置33进行冷却。冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。
本发明中的冷却装置33由程序控制，根据判断同一工控机控制的加热装置32所处的不同阶段，快速准确的选择不同的冷却方法。

Claims (10)

1.一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对待制备的电弧增材制造结构件(15)进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件(15)的残余应力的分布及应力值；
S2、根据残余应力的分布及应力值制造电弧增材制造结构件(15)；
S3、通过磁光成像对电弧增材制造结构件(15)进行无损检测，判断出电弧增材制造结构件(15)上存在缺陷的部位，并得到缺陷部位对应的缺陷图形；
S4、对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型；
S5、综合残余应力的分布以及缺陷类型的分布，确定出不同区域的热处理参数；
S6、使用热处理参数对对应的局部进行热处理。
2.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，其特征在于，S2具体包括以下步骤：
S2.1、建立电弧增材制造结构件(15)的立体模型，根据立体模型生成切片文件；
S2.2、根据S1所得到的残余应力的分布及应力值，对电弧增材制造结构件(15)的数值模型进行制造路径编辑，指定电弧增材制造结构件(15)中不同区域的残余应力分布；
S2.3、控制***按照设定的参数结合切片文件进行逐层堆焊，制备出电弧增材制造结构件(15)。
3.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，其特征在于，S3具体包括以下步骤：
S3.1、首先对电弧增材制造结构件(15)进行励磁；
S3.2、运用磁光成像***对电弧增材制造结构件(15)生成磁光图像；
S3.3、对磁光图像进行分析，判断出电弧增材制造结构件(15)是否存在缺陷，若存在缺陷，则得到缺陷部位，及缺陷部位对应的缺陷图形。
4.根据权利要求1所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理方法，其特征在于，S4具体为：
将缺陷图形输入预设的异质集成学习器中，异质集成学习器中通过投票表决产生分类结果并输出，得到缺陷检测结果及缺陷类型识别结果。
5.一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，其特征在于，包括电弧增材制造***、磁光成像***、图像分析设备(28)及热处理***；
电弧增材制造***，用于对待制备电弧增材制造结构件(15)进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件(15)的残余应力的分布及应力值，并根据残余应力的分布及应力值制造电弧增材制造结构件(15)；
磁光成像***，用于对电弧增材制造结构件(15)进行无损检测，判断出电弧增材制造结构件(15)上存在缺陷的部位，并得到缺陷部位对应的缺陷图形；
图像分析设备(28)，用于对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型；
热处理***，用于根据综合残余应力的分布以及缺陷类型的分布，确定出不同区域的热处理参数，并使用热处理参数对对应的局部进行热处理。
6.根据权利要求5所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，其特征在于，电弧增材制造***包括第一工控机(11)、机器人(12)、焊枪(14)和基板(13)，工控机与机器人(12)连接，机器人(12)与焊枪(14)连接，用于控制焊枪(14)的移动轨迹；基板(13)设置在焊枪(14)下方，用于放置打印好的电弧增材制造结构件(15)；
第一工控机(11)用于对待制备电弧增材制造结构件(15)进行数值模拟处理，得到电弧增材制造结构件(15)的残余应力的分布及应力值；对电弧增材制造结构件(15)的数值模型进行制造路径编辑，指定电弧增材制造结构件(15)中不同区域的残余应力分布；按照设定的参数控制机器人(12)移动，机器人(12)带动焊枪(14)进行逐层打印，制备出电弧增材制造结构件(15)。
7.根据权利要求5所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，其特征在于，磁光成像***包括第二工控机(21)、运动平台(22)、励磁电源(25)、旋转磁场(23)、磁光传感器(24)及图像采集设备(26)；
运动平台(22)上设有夹具(27)，用于对电弧增材制造结构件(15)进行固定夹持；
第二工控机(21)与运动平台(22)连接，用于控制运动平台(22)的运动轨迹；
励磁电源(25)与旋转磁场(23)连接，用于控制旋转磁场(23)的磁场启停；
磁光传感器(24)放置在电弧增材制造结构件(15)上，图像采集设备(26)与磁光传感器(24)连接，用于采集缺陷图像。
8.根据权利要求5所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，其特征在于，图像分析设备(28)与图像采集设备(26)连接，用于对各缺陷图形进行分析处理，得到对应的缺陷类型。
9.根据权利要求5所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，其特征在于，热处理***包括第三工控机(31)和加热装置(32)，加热装置(32)与第三工控机(31)连接；
加热装置(32)设置在电弧增材制造结构件(15)存在缺陷的部位处，第三工控机(31)用于根据设定的热处理参数进行局部加热。
10.根据权利要求9所述的一种电弧增材制造结构件的局部热处理***，其特征在于，热处理***还包括冷却装置(33)，冷却装置(33)与第三工控机(31)连接，第三工控机(31)用于控制冷却装置(33)进行冷却。
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