激光金屬成形缺陷在線檢測方法及熱場仿真

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)控機床及機械制造裝備集成重點實驗室，陜西西安710048; 2. 西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安710049; 3. 西安理工大學(xué)陜西省機械制造裝備重點實驗室，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)能夠通過金屬粉末逐層激光熔覆累積的方式，實現(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)的獨特優(yōu)勢，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增材制造是一個多物理場耦合的過程，成形過程中溫度變化劇烈，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)力的長期作用下冶金缺陷會逐漸擴(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]。

目前國內(nèi)外金屬增材制造在線檢測技術(shù)的研究，仍主要基于宏觀缺陷檢測和外形尺寸控制。意大利米蘭理工大學(xué)的Grasso等[7]在SLM工藝中通過高速相機獲取成形區(qū)域的圖像，并對其進(jìn)行主成分分析和k-均值聚類分析以檢測宏觀缺陷。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SLM熔池形態(tài)進(jìn)行在線分析以檢測熔道宏觀缺陷。日本日立研究實驗室的Miyagi等[9]在LMD成形中根據(jù)在線檢測的熔池?zé)彷椛鋸姸葘す夤β蔬M(jìn)行自適應(yīng)PID反饋控制，提高了制件的尺寸精度。美國密歇根大學(xué)的SONG等[10]在直接金屬沉積 (DMD)系統(tǒng)中根據(jù)在線檢測的熔池高度和溫度參數(shù)對激光功率實施混合閉環(huán)控制，提高了零件的表面質(zhì)量及尺寸精度。美國密蘇里科技大學(xué)的TANG等[11-12]在LMD成形中以在線檢測的成形高度、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。比利時的Craeghs等[13]采用光學(xué)傳感器對SLM熔池尺寸進(jìn)行在線監(jiān)測，據(jù)此對激光功率進(jìn)行反饋控制，避免了熔池溫度的異常波動，提高了成形零件的表面質(zhì)量。在國內(nèi)，蘇州大學(xué)的王濤等[14]通過對激光熔覆成形熔池離焦量的在線檢測和閉環(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對象的金屬增材制造在線檢測技術(shù)的主要作用是實現(xiàn)宏觀缺陷檢測和外形尺寸控制，在消除冶金缺陷方面的作用是極其有限的。針對熔池進(jìn)行缺陷檢測的缺點包括熔池會受到液膜的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程中可能會消失[15]。此外，裂紋和未熔合缺陷是高溫熔道迅速冷卻凝固過程中形成的，通過監(jiān)測熔池?zé)o法檢測到這兩種缺陷。

事實上，冶金缺陷在線檢測與控制一直是金屬增材制造領(lǐng)域的瓶頸難題，目前國內(nèi)外關(guān)于增材制造冶金缺陷在線檢測方面的研究報道很少。美國密蘇里科技大學(xué)的Gaja等[16]提出了缺陷聲發(fā)射傳感檢測法。在LMD成形基板上安裝聲發(fā)射傳感器，在線采集裂紋和氣孔形成時發(fā)出的微弱聲波信號以檢測和識別缺陷。該方法的缺點是無法實現(xiàn)缺陷的精確定位；噪音對檢測結(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越弱，導(dǎo)致檢測效果越來越差。密蘇里科技大學(xué)的Barua等提出了LMD高溫熔道圖像RGB值檢測法。在大光斑LMD增材制造工藝中，采用相機拍攝紅熱熔道，在線分析熔道圖像的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紅外測溫掃描檢測的方法[17]。為驗證該檢測方法的有效性，并研究缺陷對金屬成形表面熱場的影響規(guī)律，進(jìn)行了LMD鈦合金試件人工裂紋缺陷熱場有限元仿真分析與紅外測溫掃描檢測實驗。

1 缺陷在線檢測原理

LMD增材制造中的高溫成形表面或近表面如果有缺陷，因為缺陷中空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于金屬，會導(dǎo)致缺陷處的表面溫度高于正常的表面溫度。因此可以通過檢測成形表面的異常溫度波動來檢測識別缺陷。采用德國LumaSense公司的IGAR 12-LO型高精度光纖式雙色測溫儀，該測溫儀的特點是檢測目標(biāo)超小(其耐高溫探頭的檢測瞄準(zhǔn)光斑最小直徑為0.45 mm，且允許測溫目標(biāo)尺寸小于瞄準(zhǔn)光斑)。探頭與測溫儀轉(zhuǎn)換器通過光纖相連，測溫數(shù)據(jù)由轉(zhuǎn)換器實時傳送給計算機并生成溫度波形。缺陷在線檢測與靶向消除工藝原理見圖1。

圖1 LMD增材制造缺陷在線檢測原理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)固定一個測溫儀探頭。在成形中通過恒溫加熱裝置將基板及鈦合金零件加熱至350 ℃～400 ℃左右以滿足測溫儀檢測條件。探頭的檢測瞄準(zhǔn)光斑對準(zhǔn)成形表面，該探頭隨送粉噴嘴一起移動。在激光成形中，測溫儀處于待機狀態(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)行缺陷檢測掃描(此時激光束關(guān)閉)(見圖1(b))。當(dāng)計算機根據(jù)雙色測溫儀傳來的溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測到成形表面某處的溫度發(fā)生異常增高時，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)前層檢測掃描結(jié)束后，計算機根據(jù)各缺陷的平面坐標(biāo)及尺寸，控制激光束依次對各缺陷進(jìn)行靶向重熔以消除缺陷。

2 成形表面缺陷熱場仿真分析

采用ANSYS Workbench 17.0對TC4鈦合金試件的成形表面缺陷熱場進(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)域劃分為有限個單元，每個單元包含若干個單元節(jié)點，將該區(qū)域的連續(xù)溫度場離散成諸多節(jié)點的溫度分布，依據(jù)溫度控制方程對每個節(jié)點的溫度進(jìn)行數(shù)值求解，從而建立成形表面缺陷熱場仿真模型。仿真試件為50mm×10mm×10mm的長方體。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圍環(huán)境均為自然對流，則邊界條件為：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：h為試件與周圍空氣的換熱系數(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交界處滿足內(nèi)部邊界條件

(9)

Ti=Tj

(10)

5) 初始條件

當(dāng)t=0時金屬材料溫度等于環(huán)境溫度：

T(0)=T∞

(11)

2.2 裂紋寬度改變時的熱場仿真分析

在試件上表面沿其長度方向等間距分布14條寬度逐漸增加的等深模擬裂紋(見圖2(a))，各裂紋的尺寸見表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1 540 ℃～1 650 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)k=10.3 W/(m·℃), 密度ρ=4 440 kg/m3，線膨脹度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流，表面換熱系數(shù)h=10 W/(m2·℃)。不同寬度裂紋的熱場仿真結(jié)果及各裂紋處的溫升幅度分別見圖2(a)、表1，裂紋寬度與溫升幅度的關(guān)系曲線見圖2(b)。

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

從仿真結(jié)果中可見：在試件底部施加650 ℃溫度載荷時，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)。

從擬合曲線形狀可見，在裂紋寬度小于100 μm時，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，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 裂紋深度改變時的熱場仿真分析

在試件上表面沿其長度方向等間距分布14條深度逐漸增加的等寬模擬裂紋(見圖3(a))，各裂紋的尺寸見表2。熱場仿真的其余各項設(shè)置條件與2.2相同。不同寬度裂紋的熱場仿真結(jié)果及各裂紋處的溫升幅度分別見圖3(a)、表2，裂紋深度與溫升幅度的關(guān)系曲線見圖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 深度改變時的試件表面裂紋熱場仿真 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)。

從曲線擬合結(jié)果可見，缺陷溫升與裂紋深度成正比。

3 缺陷檢測原理驗證實驗

3.1 缺陷檢測實驗裝置

為了驗證本文提出的LMD冶金缺陷在線檢測方法，搭建了如圖4所示的缺陷紅外掃描檢測原理驗證實驗裝置，并完成了缺陷檢測實驗。

圖4 增材制造缺陷紅外掃描檢測原理驗證實驗裝置Fig.4 Experimental device for verifying the defects detection principle

該實驗裝置通過溫控加熱板將LMD增材制造的金屬試件加熱以模擬高溫環(huán)境。雙色測溫儀的探頭通過支架固定在試件上方，探頭的瞄準(zhǔn)光斑對準(zhǔn)試件的上表面進(jìn)行測溫，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)電機驅(qū)動的直線導(dǎo)軌滑臺上，支架的前進(jìn)距離、方向和速度均可通過控制器進(jìn)行設(shè)定。計算機根據(jù)測溫儀轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)據(jù)繪制出實時溫度曲線。

3.2 人工裂紋檢測實驗及分析

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

測溫儀探頭以1 mm/s速度從左向右水平掃過4條人工裂紋上方，所獲取的溫度波形數(shù)據(jù)見圖6。從圖6可見，探頭以不同的速度水平掃過各人工裂紋上方時，測溫波形均會出現(xiàn)明顯增高的特征峰(見表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)實驗結(jié)果及仿真擬合關(guān)系式(式(12))分別繪制的裂紋寬度-溫升幅度曲線見圖7。從圖7中可見，圖中出現(xiàn)四條明顯溫度突變的溫度特征峰，其中特征峰的起點為波峰左測第一個波谷值，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。實驗數(shù)據(jù)與根據(jù)擬合公式計算出的數(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4條人工裂紋上方的測溫波形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 實驗及仿真擬合關(guān)系式計算的裂紋寬度-溫升幅度曲線比較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紅外測溫掃描檢測的方法，該方法通過光纖式雙色測溫儀的探頭在金屬成形表面檢測異常溫升來檢測缺陷。通過成形表面缺陷熱場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)行了缺陷檢測原理驗證實驗。

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

2) 裂紋寬度改變時的熱場仿真結(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，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，溫升幅度增加的速度有所降低。裂紋深度改變時的熱場仿真結(jié)果表明，裂紋部位溫升與裂紋深度成正比。

3) 通過仿真擬合關(guān)系式計算的裂紋寬度-溫升

幅度曲線與實驗獲得的該曲線具有較好的吻合關(guān)系，驗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，可以在缺陷在線檢測中根據(jù)缺陷溫升數(shù)據(jù)估算出缺陷的尺寸，為缺陷的在線激光靶向重熔消除激光功率、重熔時間等工藝參數(shù)的選擇提供依據(jù)。