田舒平，解瑞東，李滌塵，張安峰，張連重，高 峰

(1. 西安理工大學(xué)教育部數(shù)控機(jī)床及機(jī)械制造裝備集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710048; 2. 西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710049; 3. 西安理工大學(xué)陜西省機(jī)械制造裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710048)

激光金屬沉積(LMD)是一種重要的增材制造技術(shù)，該技術(shù)能夠通過(guò)金屬粉末逐層激光熔覆累積的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬零件的直接近凈成形，具有制造周期短、材料利用率高(90%以上)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，為復(fù)雜金屬零件的制造和修復(fù)提供了一條新途徑[1-2]。由于LMD增材制造是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合的過(guò)程，成形過(guò)程中溫度變化劇烈，零件內(nèi)部易出現(xiàn)不可預(yù)知的裂紋等冶金缺陷[3-5],影響零件的力學(xué)性能。更為嚴(yán)重的是，在交變應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下冶金缺陷會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終有可能引發(fā)疲勞斷裂事故。特別是在航空航天領(lǐng)域，一旦發(fā)生重要部件的疲勞斷裂，將造成災(zāi)難性的后果[1,6]。

目前國(guó)內(nèi)外金屬增材制造在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的研究，仍主要基于宏觀缺陷檢測(cè)和外形尺寸控制。意大利米蘭理工大學(xué)的Grasso等[7]在SLM工藝中通過(guò)高速相機(jī)獲取成形區(qū)域的圖像，并對(duì)其進(jìn)行主成分分析和k-均值聚類(lèi)分析以檢測(cè)宏觀缺陷。加拿大女王大學(xué)的Kanko等[8]采用低相干干涉成像技術(shù)對(duì)SLM熔池形態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)分析以檢測(cè)熔道宏觀缺陷。日本日立研究實(shí)驗(yàn)室的Miyagi等[9]在LMD成形中根據(jù)在線(xiàn)檢測(cè)的熔池?zé)彷椛鋸?qiáng)度對(duì)激光功率進(jìn)行自適應(yīng)PID反饋控制，提高了制件的尺寸精度。美國(guó)密歇根大學(xué)的SONG等[10]在直接金屬沉積 (DMD)系統(tǒng)中根據(jù)在線(xiàn)檢測(cè)的熔池高度和溫度參數(shù)對(duì)激光功率實(shí)施混合閉環(huán)控制，提高了零件的表面質(zhì)量及尺寸精度。美國(guó)密蘇里科技大學(xué)的TANG等[11-12]在LMD成形中以在線(xiàn)檢測(cè)的成形高度、熔池溫度和上一層送粉速度作為輸入數(shù)據(jù)，對(duì)當(dāng)前層所需的送粉速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，使各層成形高度的穩(wěn)定性顯著提高。比利時(shí)的Craeghs等[13]采用光學(xué)傳感器對(duì)SLM熔池尺寸進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，據(jù)此對(duì)激光功率進(jìn)行反饋控制，避免了熔池溫度的異常波動(dòng)，提高了成形零件的表面質(zhì)量。在國(guó)內(nèi)，蘇州大學(xué)的王濤等[14]通過(guò)對(duì)激光熔覆成形熔池離焦量的在線(xiàn)檢測(cè)和閉環(huán)控制，有效減少了成形件的外觀變形，提高了尺寸精度。

綜上所述，目前普遍研究的以熔池為主要檢測(cè)對(duì)象的金屬增材制造在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)的主要作用是實(shí)現(xiàn)宏觀缺陷檢測(cè)和外形尺寸控制，在消除冶金缺陷方面的作用是極其有限的。針對(duì)熔池進(jìn)行缺陷檢測(cè)的缺點(diǎn)包括熔池會(huì)受到液膜的Marangoni效應(yīng)、粉末、保護(hù)氣等不穩(wěn)定因素的影響。熔池是瞬態(tài)變化的，熔池中的氣泡在凝固過(guò)程中可能會(huì)消失[15]。此外，裂紋和未熔合缺陷是高溫熔道迅速冷卻凝固過(guò)程中形成的，通過(guò)監(jiān)測(cè)熔池?zé)o法檢測(cè)到這兩種缺陷。

事實(shí)上，冶金缺陷在線(xiàn)檢測(cè)與控制一直是金屬增材制造領(lǐng)域的瓶頸難題，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于增材制造冶金缺陷在線(xiàn)檢測(cè)方面的研究報(bào)道很少。美國(guó)密蘇里科技大學(xué)的Gaja等[16]提出了缺陷聲發(fā)射傳感檢測(cè)法。在LMD成形基板上安裝聲發(fā)射傳感器，在線(xiàn)采集裂紋和氣孔形成時(shí)發(fā)出的微弱聲波信號(hào)以檢測(cè)和識(shí)別缺陷。該方法的缺點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位；噪音對(duì)檢測(cè)結(jié)果有比較大的影響；隨著零件成形高度的逐漸增加，傳感器獲取的聲波將越來(lái)越弱，導(dǎo)致檢測(cè)效果越來(lái)越差。密蘇里科技大學(xué)的Barua等提出了LMD高溫熔道圖像RGB值檢測(cè)法。在大光斑LMD增材制造工藝中，采用相機(jī)拍攝紅熱熔道，在線(xiàn)分析熔道圖像的RGB值，如發(fā)現(xiàn)異常高亮區(qū)域，則推斷該區(qū)域下方有缺陷。但該方法的檢測(cè)精度太低，只能檢出尺寸很大的人工缺陷(例如，檢出人工氣孔缺陷的直徑為3.2 mm)。

本文提出了LMD增材制造中的冶金缺陷在線(xiàn)紅外測(cè)溫掃描檢測(cè)的方法[17]。為驗(yàn)證該檢測(cè)方法的有效性，并研究缺陷對(duì)金屬成形表面熱場(chǎng)的影響規(guī)律，進(jìn)行了LMD鈦合金試件人工裂紋缺陷熱場(chǎng)有限元仿真分析與紅外測(cè)溫掃描檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 缺陷在線(xiàn)檢測(cè)原理

LMD增材制造中的高溫成形表面或近表面如果有缺陷，因?yàn)槿毕葜锌諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于金屬，會(huì)導(dǎo)致缺陷處的表面溫度高于正常的表面溫度。因此可以通過(guò)檢測(cè)成形表面的異常溫度波動(dòng)來(lái)檢測(cè)識(shí)別缺陷。采用德國(guó)LumaSense公司的IGAR 12-LO型高精度光纖式雙色測(cè)溫儀，該測(cè)溫儀的特點(diǎn)是檢測(cè)目標(biāo)超小(其耐高溫探頭的檢測(cè)瞄準(zhǔn)光斑最小直徑為0.45 mm，且允許測(cè)溫目標(biāo)尺寸小于瞄準(zhǔn)光斑)。探頭與測(cè)溫儀轉(zhuǎn)換器通過(guò)光纖相連，測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)由轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)并生成溫度波形。缺陷在線(xiàn)檢測(cè)與靶向消除工藝原理見(jiàn)圖1。

圖1 LMD增材制造缺陷在線(xiàn)檢測(cè)原理Fig.1 Schematic diagram of the defects detection system integrated into LMD process

在LMD成形系統(tǒng)同軸送粉噴嘴的-X一側(cè)固定一個(gè)測(cè)溫儀探頭。在成形中通過(guò)恒溫加熱裝置將基板及鈦合金零件加熱至350 ℃～400 ℃左右以滿(mǎn)足測(cè)溫儀檢測(cè)條件。探頭的檢測(cè)瞄準(zhǔn)光斑對(duì)準(zhǔn)成形表面，該探頭隨送粉噴嘴一起移動(dòng)。在激光成形中，測(cè)溫儀處于待機(jī)狀態(tài)圖1(a)。每完成3～5層的成形制作，探頭在送粉噴嘴的帶動(dòng)下以與激光束在當(dāng)前層完全相同的掃描路徑在成形表面上方進(jìn)行缺陷檢測(cè)掃描(此時(shí)激光束關(guān)閉)(見(jiàn)圖1(b))。當(dāng)計(jì)算機(jī)根據(jù)雙色測(cè)溫儀傳來(lái)的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)到成形表面某處的溫度發(fā)生異常增高時(shí)，則判定該處存在缺陷，根據(jù)異常溫升特征峰的峰高判斷缺陷尺寸。在當(dāng)前層檢測(cè)掃描結(jié)束后，計(jì)算機(jī)根據(jù)各缺陷的平面坐標(biāo)及尺寸，控制激光束依次對(duì)各缺陷進(jìn)行靶向重熔以消除缺陷。

2 成形表面缺陷熱場(chǎng)仿真分析

采用ANSYS Workbench 17.0對(duì)TC4鈦合金試件的成形表面缺陷熱場(chǎng)進(jìn)行仿真分析[18-19]。有限元熱分析的基本原理是：將要求解的區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，每個(gè)單元包含若干個(gè)單元節(jié)點(diǎn)，將該區(qū)域的連續(xù)溫度場(chǎng)離散成諸多節(jié)點(diǎn)的溫度分布，依據(jù)溫度控制方程對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度進(jìn)行數(shù)值求解，從而建立成形表面缺陷熱場(chǎng)仿真模型。仿真試件為50mm×10mm×10mm的長(zhǎng)方體。首先建立試件三維模型，將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行缺陷區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，再設(shè)定邊界條件進(jìn)行求解。

2.1 ANSYS仿真采用的紅外熱波數(shù)學(xué)模型[20]

1) 無(wú)缺陷材料區(qū)域中

(1)

式中：λ、ρ、C分別為試件導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容，滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程。

2) 缺陷材料區(qū)域中

(2)

式中：λd、ρd、Cd分別為缺陷部位導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容，滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程。

3) 邊界條件

試件四周及上表面與周?chē)h(huán)境均為自然對(duì)流，則邊界條件為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：h為試件與周?chē)諝獾膿Q熱系數(shù)；TW1、TW2、TW3、TW4、TW5、TW6分別為試件下表面、上表面，及四周側(cè)面的表面溫度；T∞為環(huán)境溫度。

4) 在缺陷j處與金屬材料i交界處滿(mǎn)足內(nèi)部邊界條件

(9)

Ti=Tj

(10)

5) 初始條件

當(dāng)t=0時(shí)金屬材料溫度等于環(huán)境溫度：

T(0)=T∞

(11)

2.2 裂紋寬度改變時(shí)的熱場(chǎng)仿真分析

在試件上表面沿其長(zhǎng)度方向等間距分布14條寬度逐漸增加的等深模擬裂紋(見(jiàn)圖2(a))，各裂紋的尺寸見(jiàn)表1。將裂紋內(nèi)部的材料設(shè)置為空氣屬性，空氣導(dǎo)熱系數(shù)k=2.59 W/(m·℃)，密度ρ=1.205 kg/m3，比熱容C=1 005 J/(kg·℃)。試件材料屬性：TC4鈦合金,熔點(diǎn)1 540 ℃～1 650 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)k=10.3 W/(m·℃), 密度ρ=4 440 kg/m3，線(xiàn)膨脹度z= 9.0 (10-6/K),試件初始溫度及環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。邊界條件：底面加熱，試件底面基板加熱溫度載荷650℃，其他表面與空氣自然對(duì)流，表面換熱系數(shù)h=10 W/(m2·℃)。不同寬度裂紋的熱場(chǎng)仿真結(jié)果及各裂紋處的溫升幅度分別見(jiàn)圖2(a)、表1，裂紋寬度與溫升幅度的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2(b)。

圖2 寬度改變時(shí)的試件表面裂紋熱場(chǎng)仿真Fig.2 Thermal field simulation of cracks with different widths on the surface of sample

從仿真結(jié)果中可見(jiàn)：在試件底部施加650 ℃溫度載荷時(shí)，其成形上表面正常部位的溫度為400 ℃左右，裂紋部位的溫度比正常部位的溫度明顯增高。在MATLAB 2012a中將各裂紋的溫升幅度與裂紋寬度進(jìn)行冪函數(shù)曲線(xiàn)擬合，得到關(guān)系式:

ΔT=9.8×δ0.16

(12)

式中：ΔT為缺陷溫升幅度(℃)；δ為裂紋寬度(μm)。

從擬合曲線(xiàn)形狀可見(jiàn)，在裂紋寬度小于100 μm時(shí)，溫升幅度隨著裂紋寬度的增加而迅速增加，裂紋寬度大于100 μm時(shí)，溫升幅度增加的速度有所降低。

表1 寬度不同深度相同的模擬裂紋尺寸及其溫升幅度(各裂紋深度均為150 μm)

2.3 裂紋深度改變時(shí)的熱場(chǎng)仿真分析

在試件上表面沿其長(zhǎng)度方向等間距分布14條深度逐漸增加的等寬模擬裂紋(見(jiàn)圖3(a))，各裂紋的尺寸見(jiàn)表2。熱場(chǎng)仿真的其余各項(xiàng)設(shè)置條件與2.2相同。不同寬度裂紋的熱場(chǎng)仿真結(jié)果及各裂紋處的溫升幅度分別見(jiàn)圖3(a)、表2，裂紋深度與溫升幅度的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3(b)。

表2 深度不同寬度相同的模擬裂紋尺寸及其溫升幅度(各裂紋寬度均為200 μm)

圖3 深度改變時(shí)的試件表面裂紋熱場(chǎng)仿真 Fig.3 Thermal field simulation of cracks with different depths on the surface of sample

在MATLAB 2012a 中將各裂紋的溫升幅度與裂紋深度進(jìn)行冪函數(shù)曲線(xiàn)擬合，得到關(guān)系式:

ΔT=0.046h+2.6

(13)

式中：ΔT為缺陷溫升幅度(℃)；h為裂紋深度(μm)。

從曲線(xiàn)擬合結(jié)果可見(jiàn)，缺陷溫升與裂紋深度成正比。

3 缺陷檢測(cè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置

為了驗(yàn)證本文提出的LMD冶金缺陷在線(xiàn)檢測(cè)方法，搭建了如圖4所示的缺陷紅外掃描檢測(cè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置，并完成了缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

圖4 增材制造缺陷紅外掃描檢測(cè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置Fig.4 Experimental device for verifying the defects detection principle

該實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)溫控加熱板將LMD增材制造的金屬試件加熱以模擬高溫環(huán)境。雙色測(cè)溫儀的探頭通過(guò)支架固定在試件上方，探頭的瞄準(zhǔn)光斑對(duì)準(zhǔn)試件的上表面進(jìn)行測(cè)溫，探頭端面距試件上表面的距離為88 mm。支架固定在由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直線(xiàn)導(dǎo)軌滑臺(tái)上，支架的前進(jìn)距離、方向和速度均可通過(guò)控制器進(jìn)行設(shè)定。計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)溫儀轉(zhuǎn)換器傳來(lái)的數(shù)據(jù)繪制出實(shí)時(shí)溫度曲線(xiàn)。

3.2 人工裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及分析

LMD成形的TC4 鈦合金長(zhǎng)方體試件見(jiàn)圖5，該試件尺寸為50 mm×10 mm×10 mm。試件上通過(guò)飛秒激光從左向右依次加工出4條人工裂紋。裂紋尺寸見(jiàn)表3。通過(guò)加熱板將試件上表面加熱至400 ℃左右。

測(cè)溫儀探頭以1 mm/s速度從左向右水平掃過(guò)4條人工裂紋上方，所獲取的溫度波形數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。從圖6可見(jiàn)，探頭以不同的速度水平掃過(guò)各人工裂紋上方時(shí)，測(cè)溫波形均會(huì)出現(xiàn)明顯增高的特征峰(見(jiàn)表4)，各特征峰的高度范圍約為13.6 ℃～27.8 ℃，裂紋越寬，特征峰越高。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及仿真擬合關(guān)系式(式(12))分別繪制的裂紋寬度-溫升幅度曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。從圖7中可見(jiàn)，圖中出現(xiàn)四條明顯溫度突變的溫度特征峰，其中特征峰的起點(diǎn)為波峰左測(cè)第一個(gè)波谷值，特征峰的溫差值為波峰值與鄰近波峰左右兩側(cè)最近的波谷值平均值的差值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與根據(jù)擬合公式計(jì)算出的數(shù)據(jù)基本吻合。

圖5 上表面有人工缺陷的LMD成形TC4鈦合金試件Fig.5 LMDTi-6Al-4V sample with artificial defects on top surface

Tab.3 Dimensions of the artificial cracks

裂紋寬度/μm深度/μm裂紋149.6約150裂紋2141.1約 150裂紋3337.9約 150裂紋4568.1約 150

圖6 探頭掃過(guò)4條人工裂紋上方的測(cè)溫波形Fig.6 Temperature waveforms of the six artificial cracks

表4 人工裂紋溫度特征峰峰高

Tab.4 Temperature peak values of the artificial cracks

裂紋溫升幅度/℃掃描檢測(cè)數(shù)據(jù)仿真擬合數(shù)據(jù)裂紋1約16.718.3裂紋 2約20.321.6裂紋 3約24.224.4裂紋 4約27. 327.4

圖7 實(shí)驗(yàn)及仿真擬合關(guān)系式計(jì)算的裂紋寬度-溫升幅度曲線(xiàn)比較Fig.7 Comparison of experimentaland simulation-fitting curves of width of crack vs. temperature-rising value

4 結(jié) 論

本文提出了LMD增材制造冶金缺陷在線(xiàn)紅外測(cè)溫掃描檢測(cè)的方法，該方法通過(guò)光纖式雙色測(cè)溫儀的探頭在金屬成形表面檢測(cè)異常溫升來(lái)檢測(cè)缺陷。通過(guò)成形表面缺陷熱場(chǎng)仿真分析揭示了裂紋尺寸與缺陷溫升幅度的關(guān)系規(guī)律。并進(jìn)行了缺陷檢測(cè)原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

1) TC4試件人工裂紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，紅外測(cè)溫儀探頭掃過(guò)各人工裂紋上方時(shí)，測(cè)溫波形會(huì)出現(xiàn)明顯增高的特征峰，證明該方法可以有效地用于LMD冶金缺陷的在線(xiàn)檢測(cè)。檢測(cè)精度與已有的研究報(bào)道相比，大幅提高了檢測(cè)精度，且可實(shí)現(xiàn)缺陷的精確定位，使下一步實(shí)現(xiàn)缺陷在線(xiàn)激光靶向重熔消除成為可能。

2) 裂紋寬度改變時(shí)的熱場(chǎng)仿真結(jié)果表明，裂紋部位的溫升與裂紋寬度成冪函數(shù)關(guān)系。裂紋寬度較小時(shí)，溫升幅度隨著裂紋寬度的增加而迅速增加；裂紋寬度較大時(shí)，溫升幅度增加的速度有所降低。裂紋深度改變時(shí)的熱場(chǎng)仿真結(jié)果表明，裂紋部位溫升與裂紋深度成正比。

3) 通過(guò)仿真擬合關(guān)系式計(jì)算的裂紋寬度-溫升

幅度曲線(xiàn)與實(shí)驗(yàn)獲得的該曲線(xiàn)具有較好的吻合關(guān)系，驗(yàn)證了仿真擬合的缺陷溫升與裂紋尺寸的關(guān)系式的正確性。利用擬合公式，可以在缺陷在線(xiàn)檢測(cè)中根據(jù)缺陷溫升數(shù)據(jù)估算出缺陷的尺寸，為缺陷的在線(xiàn)激光靶向重熔消除激光功率、重熔時(shí)間等工藝參數(shù)的選擇提供依據(jù)。