一种激光定向能量沉积层间热累积与残余应力协同预测方法及系统

本发明涉及金属增材制造与激光加工过程控制，尤其涉及一种激光定向能量沉积层间热累积与残余应力协同预测方法及系统。

背景技术：

1、激光定向能量沉积是一种以高能激光束为热源，并同步送入金属粉末或金属丝材实现逐层沉积成形的金属增材制造方法。该方法具有沉积效率高、材料利用率高、成形尺寸适应性强等特点，可用于大型金属构件制造、局部加厚和损伤修复。在多层多道沉积过程中，激光热源反复作用于已沉积金属和基板，使局部区域经历快速加热、快速冷却和多次热循环。随着沉积层数增加，前一层残余热量尚未充分散失，后一层即继续沉积，容易在薄壁区域、自由边界邻近区域、转角区域、搭接区域、起弧区域和收弧区域产生层间热累积，影响熔池稳定性、冷却速率、尺寸精度和残余应力分布。

2、残余应力是影响激光定向能量沉积构件成形精度和质量稳定性的重要因素。由于该工艺存在局部高温热源、逐层材料添加和复杂几何约束，高温沉积区域在冷却收缩过程中会受到周围已凝固材料、基板以及构件自身结构的限制，从而在构件内部形成残余拉应力、翘曲变形甚至裂纹。现有方法通常依赖离线有限元仿真、固定经验阈值或单点温度监测，但存在计算效率低、适应性不足、难以表征层间热历史和局部几何约束影响等问题，难以满足多层多道成形过程中的快速预测需求。

3、现有技术中，部分方法能够对熔池形貌、层高、孔隙、裂纹或最终变形进行监测和预测，但对层间热累积状态与残余应力响应之间的关联考虑不足，也缺少将预测结果直接转换为层间等待时间、扫描顺序、局部激光功率和扫描速度调整策略的方法。对于激光定向能量沉积过程而言，热累积并非单一温度升高现象，而是层间起始温度、平均温度、高温持续时间、线能量密度、单位送粉能量、局部几何约束和冷却能力共同作用的结果。因此，有必要提出一种激光定向能量沉积层间热累积与残余应力协同预测方法及系统，以提高残余应力预测准确性和工艺调控可靠性。

技术实现思路

1、本发明提出了一种激光定向能量沉积层间热累积与残余应力协同预测方法及系统，以解决现有技术中层间热累积状态难以准确表征、残余应力预测与层间热历史关联不足以及预测结果难以直接转换为工艺调整策略的问题，旨在提高激光定向能量沉积多层多道成形过程中的残余应力预测准确性、热过程调控能力和成形质量稳定性。

2、一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种激光定向能量沉积层间热累积与残余应力协同预测方法，包括：

3、采集激光定向能量沉积多层多道成形过程中的过程状态数据，并获取构件几何数据和材料热物理与力学参数；

4、对所述过程状态数据进行预处理，按照沉积层、沉积道和局部区域进行层—道—区域三级编码，以第层、第道、第个局部区域作为一个预测单元，建立具有时空关联关系的层间热历史数据集；

5、根据所述层间热历史数据集构建层间热累积状态向量，并根据所述层间热累积状态向量计算层间热累积指数，基于预设的第一热累积阈值和第二热累积阈值划分热累积风险等级；

6、根据所述层间热累积指数、几何约束因子和材料热物理与力学参数，利用残余应力协同预测模型获得纵向残余应力预测值、横向残余应力预测值和等效残余应力预测值；根据所述层间热累积指数、几何约束因子和残余应力预测结果计算残余应力风险指数，并根据所述残余应力风险指数识别残余拉应力高风险区域；根据所述残余应力风险指数、几何约束因子和当前沉积高度确定变形趋势；

7、根据所述热累积风险等级、所述残余拉应力高风险区域、残余应力风险指数和变形趋势生成层间工艺调整策略；

8、获取成形过程中各预测单元的层间温度数据并计算层间温度偏差，采集成形后的残余应力检测结果和三维变形检测结果；根据所述层间温度偏差、残余应力检测结果和三维变形检测结果构建预测损失函数，基于所述层间温度偏差校正层间热累积评价参数、第一热累积阈值和第二热累积阈值，并基于所述预测损失函数更新残余应力风险阈值、残余应力协同预测模型参数和变形趋势判断参数。

9、优选地，所述层间热累积状态向量为：

10、；

11、式中，为第层、第道、第个局部区域的层间热累积状态向量；为层间起始温度；为平均温度；为高温持续时间；为线能量密度；为单位送粉能量；为几何约束因子；为冷却因子；为状态映射函数。

12、优选地，所述几何约束因子用于综合表征预测单元的局部壁厚、边界距离、转角半径或路径曲率、搭接区域位置及搭接程度、起弧位置和收弧位置对局部散热、重复受热及应力释放的影响，具体为：

13、；

14、式中，为几何约束评价函数；为壁厚敏感因子，用于表征预测单元局部壁厚对热传导和结构约束的影响；为边界敏感因子，用于表征预测单元与自由边界之间的距离对局部散热和应力释放的影响；为路径曲率因子，用于表征转角半径或路径曲率对局部热输入集中程度的影响；为搭接因子，用于表征相邻沉积道搭接对局部重复加热的影响；为起弧收弧因子，用于表征预测单元与起弧位置和收弧位置之间的距离对局部重复受热的影响。

15、优选地，所述层间热累积指数为：

16、；

17、式中，为第层、第道、第个局部区域的层间热累积指数；为热累积评价函数；为第层、第道、第个局部区域的层间热累积状态向量；

18、根据所述层间热累积指数与预设的第一热累积阈值和第二热累积阈值的比较结果，将所述预测单元划分为低热累积风险等级、中热累积风险等级或高热累积风险等级，其中<。

19、优选地，所述残余应力协同预测模型为：

20、；

21、式中，为第层、第道、第个局部区域的残余应力预测结果向量；为残余应力协同预测函数；为第层、第道、第个局部区域的层间热累积指数；为几何约束因子；为材料热物理与力学参数集合；

22、所述残余应力预测结果至少包括纵向残余应力预测值、横向残余应力预测值和等效残余应力预测值；

23、所述材料热物理与力学参数集合包括导热系数、比热容、热膨胀系数、弹性模量、泊松比和屈服强度中的至少一种。

24、优选地，所述残余拉应力高风险区域通过残余应力风险指数识别，所述残余应力风险指数具体为：

25、；

26、式中，为第层、第道、第个局部区域的残余应力风险指数；为残余应力风险评价函数；为第层、第道、第个局部区域的层间热累积指数；为第层、第道、第个局部区域的等效残余应力预测值；为第层、第道、第个局部区域的几何约束因子；

27、当所述残余应力风险指数大于或等于预设残余应力风险阈值时，将对应预测单元判定为残余拉应力高风险区域。

28、优选地，所述最大拉应力分量为：

29、；

30、式中，为第层、第道、第个局部区域的纵向残余应力预测值；为第层、第道、第个局部区域的横向残余应力预测值。

31、优选地，所述层间工艺调整策略为：

32、；

33、式中，为第层、第道、第个局部区域的层间工艺调整策略；为热累积风险等级；为残余应力风险指数；为变形趋势；为工艺策略生成函数；

34、其中，当所述预测单元被判定为高热累积风险等级时，所述层间工艺调整策略至少包括延长层间等待时间、降低局部激光功率、提高扫描速度和调整扫描顺序中的一种；当所述预测单元被判定为残余拉应力高风险区域时，所述层间工艺调整策略至少包括路径分区调整、扫描方向调整、局部热输入限制和起弧收弧位置偏移中的一种。

35、优选地，所述预测损失函数为：

36、；

37、式中，为层间温度偏差；为残余应力预测误差；为变形趋势判断误差；、、均为非负权重系数，且；为预测损失函数；

38、根据所述层间温度偏差校正层间热累积评价参数、第一热累积阈值和第二热累积阈值，并根据所述预测损失函数更新残余应力风险阈值、残余应力协同预测模型参数和变形趋势判断参数。

39、另一方面，为实现上述目的，本发明还提供一种激光定向能量沉积层间热累积与残余应力协同预测系统，包括：

40、过程数据采集单元，用于采集激光定向能量沉积多层多道成形过程中的过程状态数据，并获取构件几何数据和材料热物理与力学参数；

41、数据预处理单元，用于对所述过程状态数据进行预处理，并按照沉积层、沉积道和局部区域建立层间热历史数据集；

42、层间热累积评价单元，用于根据所述层间热历史数据集构建层间热累积状态向量，计算层间热累积指数并划分热累积风险等级；

43、残余应力协同预测单元，用于根据所述层间热累积指数、几何约束因子和材料热物理与力学参数获得纵向残余应力、横向残余应力和等效残余应力预测结果，计算残余应力风险指数，根据所述残余应力风险指数识别残余拉应力高风险区域，并根据所述残余应力风险指数、几何约束因子和当前沉积高度确定变形趋势；

44、层间工艺策略生成单元，用于根据所述热累积风险等级、所述残余拉应力高风险区域、残余应力风险指数和变形趋势生成层间工艺调整策略；

45、反馈更新单元，用于获取各预测单元的层间温度数据并计算层间温度偏差，采集残余应力检测结果和三维变形检测结果，根据所述层间温度偏差、残余应力检测结果和三维变形检测结果构建预测损失函数，基于所述层间温度偏差校正层间热累积评价参数、第一热累积阈值和第二热累积阈值，并基于所述预测损失函数更新残余应力风险阈值、残余应力协同预测模型参数和变形趋势判断参数。

46、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

47、（1）本发明将多层多道沉积过程划分到具体的沉积层、沉积道和局部区域，使薄壁区域、自由边界邻近区域、转角区域、搭接区域、起弧区域和收弧区域等易发生热累积的位置不再被整体温度结果掩盖。由此，系统可以针对具体区域判断层间热累积状态，避免仅依靠单点温度或整体温度场进行粗略判断，使热累积识别结果更贴合实际成形过程。

48、（2）将层间起始温度、平均温度、高温持续时间、线能量密度、单位送粉能量、几何约束和冷却条件组织为层间热累积状态向量，并通过热累积指数表征局部热历史，使残余应力预测与实际成形过程中的层间热状态相联系，减少仅依赖离线仿真或经验阈值造成的判断偏差，有利于识别残余拉应力高风险区域和变形趋势。

49、（3）在获得热累积风险和残余应力风险后，本发明将预测结果转化为层间等待时间、扫描顺序、局部激光功率、扫描速度和路径分区等工艺调整策略，使预测结果可以直接服务于后续沉积过程。成形过程中记录的层间温度偏差数据用于校正热累积评价参数、第一热累积阈值和第二热累积阈值，制造完成后的残余应力检测结果和三维变形检测结果用于更新残余应力风险阈值、残余应力协同预测模型参数和变形趋势判断参数，使预测模型能够根据同类构件的实际制造结果进行持续修正，为后续相似材料、几何结构和工艺参数条件下的成形过程提供更稳定的工艺依据。