一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置及其方法

本发明涉及材料原位检测，具体涉及一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置及其方法。

背景技术：

1、目前，材料或零部件在制造加工和载荷服役过程中因不均匀塑性变形和其它不均匀变形而产生的宏观残余应力即工程上常说的残余应力，存在于宏观尺度范围内即在许多晶粒范围内保持平衡，当平衡受到破坏时将会产生宏观尺寸变化。残余应力影响材料或部件的稳定性、抗疲劳强度、静强度、脆性破坏、抗应力腐蚀性和高温蠕变开裂能力等使用性能。测定材料或部件中的残余应力对于改进制造工艺并预测其安全性至关重要。

2、目前，由于常见的监测设备，如：高速摄像机，红外测温仪，声发射监测、光谱仪等设备均无法实现对构件内部微观结构组织和应力的监测，中子衍射法是迄今为止可直接测量材料或工程部件内部深处应力场分布的唯一非破坏性方法，在工程上具有重要的应用。中子衍射法应力测定技术早期应用集中在时效分析和制造过程（如焊接）中产生的残余应力状态的表征上，最近已扩展到应用于工程、器件中的先进材料设计（如声纳系统的电致伸缩材料、聚变堆材料等），以及载荷部件（如核电站涡轮机蒸气管、火车铁轨等）的直接应变和残余应变的测量中。除此之外，中子衍射多应用在材料载荷服役过程中，而在制造加工过程中作为应力监测的应用相对较少。

3、本发明将cmt电弧增材制造设备和工程材料中子衍射谱仪相结合，实现对电弧增材制造加工过程中应力和残余应力、微观力学性能测量、材料织构相组成测量和长周期测量，解决上述问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置及其方法。

2、本发明的技术方案为：

3、本发明提供了一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置，包括工程材料中子衍射谱仪、衍射探测器阵列和cmt电弧增材制造系统；所述cmt电弧增材制造系统包括具有平面旋转及高度升降功能的加工平台和cmt电弧增材制造机械臂；所述工程材料中子衍射谱仪的衍射发射端朝向加工平台，两个所述衍射探测器阵列以工程材料中子衍射谱仪为对称轴相互对称设于加工平台两侧。

4、进一步，所述两个衍射探测器阵列均包括衍射探测器和径向准直器；两个所述衍射探测器分别位于加工平台两侧并与工程材料中子衍射谱仪的衍射发射端所发射的入射中子束流呈±°角，两个所述衍射探测器的探测端均配置有径向准直器；两个所述衍射探测器分别对应两个正交的残余应变方向。

5、进一步，所述工程材料中子衍射谱仪的衍射端与加工平台之间设有尖嘴型入射狭缝。

6、进一步，所述加工平台上设有用于承载打印样品的样品基板，所述样品基板上设有温度传感器和应变传感器。

7、进一步，所述加工平台上螺栓固定连接有无封顶的金属防护罩。

8、进一步，所述径向准直器（22）和入射狭缝配合，可确定样品内部中子取样测量体积的大小，中子取样测量体积范围为2×2×2mm3-8×8×8mm。

9、本发明提供了一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造方法，具体步骤如下：

10、s1：根据目标材料体系选择焊丝规格和保护气体配比，选定打印基板材料并安装于中子兼容夹具上，对运动系统、中子探测器、热电偶、电流/电压传感器及红外热像仪进行标定；

11、s2：将装置安装于谱仪样品台，调整使打印起始点与中子束斑中心精确重合，确认入射束、样品、出射束、探测器的光路共轴，设定测量体尺寸并执行空白背景采集；

12、s3：设定waam工艺参数及打印路径，设定时序同步方案，执行1~2层预打印实验验证运动轨迹、电弧稳定性和保护效果；

13、s4：时序同步控制单元向焊接电源发送起弧指令，运动平台按预设路径执行焊枪行走完成第n层沉积，多物理场传感器全程同步记录；第n层打印完成后焊接电源熄弧，运动平台抬升δz，fpga触发中子探测器开始计数，在层间停顿时间内对刚沉积层及热影响区进行衍射数据采集；中子采集完成后触发下一层打印启动，重复上述步骤；每一层的工艺参数、传感器数据、中子衍射数据均以统一时间戳存入数据库；

14、s5：在采集窗口内按需执行应力扫描、相变扫描、织构扫描、温度依赖扫描或深度剖面扫描；

15、s6：所有传感通道数据以≥1khz采样率同步写入数据采集系统，中子衍射数据以事件模式记录，每个中子事件携带到达时间戳；

16、s7：全部层打印完成后保持样品在原位，利用自然冷却过程在关键温度节点执行冷却过程原位中子衍射采集；

17、s8：使用rietveld全谱精修软件对全谱数据进行精修，获得晶格参数、相含量、晶粒尺寸与微观应变、织构信息，并按广义胡克定律计算应力；

18、s9：根据解析结果识别关键问题，调整工艺参数后返回s3重新执行，形成闭环迭代。

19、进一步，步骤s4中：所述层间停顿时间为30~300s，采集模式包括：快速单峰扫描，用于实时追踪晶格应变到应力演化，单次采集时间5~30s；全谱扫描，用于相组成定量分析，单次采集时间60~300s；以及多位置扫描。

20、进一步，还包括固定位置样品取样测量模式：实验过程中样品底部位置固定不动，顶部进行逐层向上打印，加工机械臂在移动过程中，中子衍射取样测量体积始终选在样品上的一个固定位置处，进行固定样品的取样测量，实现对样品固定区域的加工后凝固直到冷却的动态监测，获取应力变化信息。

21、进一步，还包括准稳态熔池附近样品取样测量模式：实验过程中随着cmt电弧增材制造机械臂的加工头位置移动，样品在打印生长过程中逐步移动和下降高度，中子衍射取样测量体积选在与熔池相对距离固定的特定位置处，旋转升降平台配合加工头位置上下移动、旋转，保持加工作用位置和中子衍射的监测位置相对静止，获取熔池附近半凝固区域内不同测量点与熔池相对位置不变的样品衍射信息。

22、本发明所达到的有益效果为：

23、本发明所提供的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置及其方法，本发明将cmt电弧增材制造系统适配于工程材料中子衍射谱仪中，cmt电弧增材制造系统中的加工平台具备旋转和升降功能且其周侧设有用于遮挡加工过程中飞溅物的金属防护罩，起到保护工程材料中子衍射谱仪和衍射探测器的作用，进而实现工程材料中子衍射谱仪对cmt电弧增材制造过程中构件的原位监测，既可以实现对单一监测区域进行长周期地监测研究，又可以使用加工平台升降功能对多个区域的应力和微观组织监测，研究应力和微观织构地变化趋势。

1.一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置，其特征在于：包括工程材料中子衍射谱仪（10）、衍射探测器阵列（20）和cmt电弧增材制造系统（30）；所述cmt电弧增材制造系统（30）包括具有平面旋转及高度升降功能的加工平台（1）和cmt电弧增材制造机械臂（2）；所述工程材料中子衍射谱仪（10）的衍射发射端朝向加工平台（1），两个所述衍射探测器阵列（20）以工程材料中子衍射谱仪（3）为对称轴相互对称设于加工平台（1）两侧。

2.根据权利要求1所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置，其特征在于：所述两个衍射探测器阵列（20）均包括衍射探测器（21）和径向准直器（22）；两个所述衍射探测器（21）分别位于加工平台（1）两侧并与工程材料中子衍射谱仪（3）的衍射发射端所发射的入射中子束流呈±90°角，两个所述衍射探测器（4）的探测端均配置有径向准直器（22）；两个所述衍射探测器分（21）别对应两个正交的残余应变方向。

3.根据权利要求1或2所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置，其特征在于：所述工程材料中子衍射谱仪（3）的衍射端与加工平台之间设有尖嘴型入射狭缝。

4.根据权利要求3所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置，其特征在于：所述加工平台上设有用于承载打印样品的样品基板，所述样品基板上设有温度传感器和应变传感器。

5.根据权利要求4所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置，其特征在于：所述加工平台上螺栓固定连接有无封顶的金属防护罩（5）。

6.根据权利要求5所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造装置，其特征在于：所述径向准直器（22）和入射狭缝配合，可确定样品内部中子取样测量体积的大小，中子取样测量体积范围为2×2×2mm3-8×8×8mm。

7.一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于步骤s4中：所述层间停顿时间为30~300s，采集模式包括：快速单峰扫描，用于实时追踪晶格应变到应力演化，单次采集时间5~30s；全谱扫描，用于相组成定量分析，单次采集时间60~300s；以及多位置扫描。

9.根据权利要求8所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：还包括固定位置样品取样测量模式：实验过程中样品底部位置固定不动，顶部进行逐层向上打印，加工机械臂在移动过程中，中子衍射取样测量体积始终选在样品上的一个固定位置处，进行固定样品的取样测量，实现对样品固定区域的加工后凝固直到冷却的动态监测，获取应力变化信息。

10.根据权利要求9所述的一种可用于动态原位表征的电弧熔丝增材制造方法，其特征在于：还包括准稳态熔池附近样品取样测量模式：实验过程中随着cmt电弧增材制造机械臂的加工头位置移动，样品在打印生长过程中逐步移动和下降高度，中子衍射取样测量体积选在与熔池相对距离固定的特定位置处，旋转升降平台配合加工头位置上下移动、旋转，保持加工作用位置和中子衍射的监测位置相对静止，获取熔池附近半凝固区域内不同测量点与熔池相对位置不变的样品衍射信息。