一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及其控制方法与流程

本发明属于高能束增材制造技术领域，具体涉及一种立体式、分区式梯度温度场主动调控系统及其控制方法。本发明特别适用于高能束增材制造及其热处理，也适用于其他需要有温度梯度调控的加工型设备中。

背景技术：
相对于传统的去除-切削加工方法，增材制造技术是一种基于“离散-堆砌”原理“自下而上，逐层增加”由零件三维数据驱动直接制造所需零件的方法。在此基础上,金属增材制造技术是以高能束流(激光束、电子束、等离子或离子束)为热源，加热材料使之结合(烧结或熔化)，直接制造零件的方法。在加工过程中由于经受多次快速重熔和高温热循环的影响，温度场、构件的尺寸精度处于不断变化。受零件形状、尺寸变化的影响，逐层制造的零件中往往容易因局部温度不均匀产生热应力从而导致零件的变形、收缩和翘曲，当构件的尺寸越大、形状越复杂时这一现象更加突出。为了改善形局部热输入造成的不均匀温度场而产生的残余应力，最常用的办法是对加工好的成形件进行后续热处理，其中经历的冷却-再升温过程将会造成时间、保护气体、热能等资源上不同的浪费，而这将直接增加研发周期以及研发成本。此外，冷却过程中可能出现应力释放导致加工好的构件出现变形、翘曲甚至开裂等情况，加大生产出次品、废品的风险。最重要的是，变形、翘曲甚至开裂等情况往往在加工过程中便已经出现，此种方法由于缺少对成形过程中的内应力控制，并不能从根本上解决问题。针对这一情况提出在加工前及加工过程中对成形区域进行预热处理，在材料的熔化-凝固过程中起到预热缓冷的作用，通过对温度场的调节减小甚至消除加工过程中的内应力。当前文献中的处理办法大多集中为在成形区域底部添加加热装置进行温度场的调控，(如EOS-SLM设备，采用基板预热，最高升温至80℃；Trumpf-SLM设备，采用基板预热，最高升温至250℃；文献Microstructuralandmechanicalapproachesoftheselectivelasermeltingprocessappliedtoanickel-basesuperalloy.JournalofMaterialsProcessingTechnology213(2013)606–613中提到的可将预热温度升到900℃等),此种方法的弊端在于由于仅能通过底部加热进行单向预热,其预热效果将随着成形高度的增加而不断下降；除此之外还有利用人提出利用金属感应线圈对送粉缸进行预热(选择性激光选区熔化SLM设备送粉筒预热装置和预热方法，专利申请号201310024599.8)。但是由于在成形过程中，温度场的变化受成形工艺、零件形状复杂程度、尺寸大小、成形高度等多方面的影响，而上述控制方法由于其温度场控制灵活性不足，缺少对内部温度场的有效监测及控制手段，因而无法保证不同构件的加工质量一致性。为了实现加工过程中温度梯度的监测及可控，本申请人提出了一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备(专利申请号201510437070.8)，该发明利用测温模块所测得的成形区域边界温度实时计算出熔池内部的温度梯度区间，并通过温控模块对成形区域施加合适的热流条件以实现对熔池及成形区域温度梯度区间的控制，但此方法仅局限于Z方向上的温度梯度控制，无法进行XOY平面上的温度梯度控制。

技术实现要素：
针对上述问题，为了克服传统温度场控制系统单一不可自由调节的缺点，实现加工过程中Z方向及XOY平面的温度梯度调控，减小甚至消除加工过程中因温度梯度产生的内应力，本发明提供了一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统及其控制方法。为了克服传统温度场控制系统单一不可自由调节的缺点，本发明提供的是一种立体式、分区式梯度温度场主动调控系统。本发明提供的一种用于高能束增材制造的温度场主动调控系统，其特征在于，该系统由温度场监控系统、加热系统和控制系统；所述温度场监控系统用于测量成形区域XOY平面及四周的温度场信息，将获得的温度场信息进行量化处理后反馈给控制系统，所述加热系统根据控制系统的指令对成形缸的底部和四周进行温度场的分区独立实时调节，以实现在加工过程中整个加工区域的温度场恒定，保证已加工区域与未加工区域处于一个合理的温度梯度，避免热应力导致构件翘曲、变形、开裂。作为上述技术方案的改进，所述温度场监控系统包括红外相机和测温热电偶，所述加热系统包括侧面加热系统、底面加热系统和冷却系统；红外相机位于腔体内顶部，观测角度对准成形缸上表面，用于对整个成形区域进行实时监控获取整个成形区域XOY平面的温度场云图，并提供给控制系统；所述测温热电偶均匀分布在成形缸的四周，用于对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图；所述底面加热系统固定在升降活塞和基板之间，并保证底面加热系统上表面水平，侧面加热系统分布在成形缸四周，侧面温度控制系统用于作为主要的热源进行温度场的控制调节；所述冷却系统由包裹在侧面加热系统外侧包裹的冷却层构成，其作用在于加工完成后对成形缸的冷却及避免加工过程中腔体内部过热；所述控制系统分别侧面加热系统和底面加热系统控制信号连接，控制系统用于分别或同时控制温度场监控与反馈，底面加热系统的开启、关闭、功率调节，以及底面加热系统的开启、关闭、功率调节。作为上述技术方案的进一步改进，所述侧面加热系统由分布于成形缸的四周的四个侧面加热子系统构成；单个侧面加热子系统由阵列分布的c×d个独立的侧面加热子模块构成；每个侧面加热子模块与一个所述测温热电偶唯一对应。作为上述技术方案的再进一步改进，所述底面加热系统是由阵列分布的a×b个独立的底面加热子模块构成，这些独立的加热子模块均在同一个水平面上整齐排列，并由控制系统利用红外相机获得的温度场云图进行独立判断开启或者停止加热。上述侧面加热子模块与底面加热子模块结构相同，均由两层陶瓷板及夹在中间的加热功率可连续调节的加热元件构成。本发明利用红外相机对整个成形区域进行实时监控获取整个成形区域XOY平面的温度场云图，解决了传统热电偶智能进行简单点测量的缺点，对整个成形过程进行连续监控，并实时调整整个加工区域的温度场，确保在加工过程中整个加工区域的温度场恒定。本发明通过四周均匀分布的测温热电偶对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图，绘制温度分布曲线，并通过四周分布的加热系统进行实时调整，确保加工过程中整个加工区域的温度场恒定。本发明所提供的用于高能束增材制造的温度场主动调控系统的控制方法，其步骤包括：第1步基板安装及调平：将喷砂后的基板固定于底面加热系统上，使基板上表面保持水平并保证基板上表面与工作台处于同一个水平面上；第2步建立保护气氛：通过气体不断置换使腔体内部的氧含量降低到1PPM以下；第3步根据待加工构件XOY平面投影图，开启底面加热系统，同步打开投影图对应底面加热子模块，将基板均匀升温至设定预热温度T1，开启红外相机对成型区域进行温度监控并转化为数字温度信号反馈给控制系统；根据待加工构件YOZ及XOZ平面投影图，开启第一、第二行侧面加热子系统对应的侧面加热子模块，使第一侧面加热子系统升温至设定预热温度T2，第二行侧面加热子系统升温至(0.4～0.8)T2；第4步将设计好的加工图形及加工参数导入计算机，在控制系统的控制下开始进行加工；第5步采用逐层扫描加工的方式，即每加工一层，基板便下降10～100μm；第6步当基板位置下降到第p行侧面加热子系统的位置时，保持第1行到第p-1行侧面加热子系统温度处于设定预热温度T2附近，使第p行侧面加热子系统升温至T2，使第p+1行侧面加热侧子系统升温至(0.4～0.8)T2；p表示侧面加热子系统的行数；第7步在加工过程中，通过红外相机实时或者间歇拍摄成形缸内温度场云图并反馈给控制系统，控制系统进行图像处理后根据a×b个底面加热子系统的摆放位置转化为a×b个温度数字信号后再对底部加热模块进行开启、停止、温度控制；通过测温热电偶对整个成形区域进行实时监控获取加工整个成形区域XOZ及YOZ平面的温度点阵分布图，绘制温度分布曲线，并通过四周分布的侧面加热系统进行实时调整，确保加工过程中整个加工区域的温度场恒定；第8步重复上述第1步至第7步，直至完成整个零件的加工成形。本发明也可以在零件成形过程中开启红外相机、侧面加热系统、测温热电偶和底面加热系统，对零件成形过程中腔体内温度进行实时测量及调控，将腔体内温度维持在去应力退火时的温度范围内(例如300～800℃，依据材料的物理属性及零件尺寸大小确定确定)，在零件成形过程中进行去应力处理，避免在成形过程中内应力释放出现变形、翘曲甚至开裂情况。本发明还可以在零件成形过程完成后，通过红外相机、侧面加热系统、测温热电偶、底面加热系统和控制系统，对零件成形过程中腔体内温度进行实时测量及调控，利用成形过程中现有的保护气氛及热量进行去应力退火及其他相关热处理，缩短成形-热处理周期，节约能源，减少成形设备占用时间。本发明系统集温度场监控系统、加热系统、温度控制系统为一体。在加工过程中温度控制实现PID参数自动调节，当局部温度偏离设计温度时能通过调整相应加热模块的开启、关闭、功率调节实现温度的自动调节。本发明的主要原理为，在构件的加工过程中，利用红外相机及成形缸四周的测温热电偶(可同时开启或单独开启)对加工过程进行实时监控并获得整个系统内的温度场信息。将获得的温度场信息反馈给控制系统，将该信息进行量化处理并通过控制系统对各个独立的加热模块(成形缸底面a×b个加热模块及成形缸四周4c×d个加热模块共计(a×b+4c×d)个加热模块构成)进行温度场的调节(相应加热模块的开启、关闭、功率调节)，从而实现在加工过程中整个加工区域的温度场恒定。在加工完成以后再根据是否需要进行后续热处理选择不同的处理机制。因此与传统的温度场控制系统相比，该发明主要具有如下优点：1.利用温度场监控系统，对加工过程中整个加工区域进行实时立体监控，有效获得各个区域温度信息，并量化处理；2.利用各个独立加热模块，根据1所获得的温度场信息进行温度场控制，增强了针对不同加工参数、不同构件尺寸、形状的温度控制灵活性；3.在成形过程中直接去除应力，避免在成形过程中出现变形、翘曲甚至开裂等情况；4.成形-热处理一体化，减少中间环节，既增加了加工效率又减少了保护气体、热能的浪费，缩短了成形设备占用时间；5.利用成形区域外围的循环冷却水，使成形区域与机床区域分离，保证了机床温度不受加热影响，确保了成形过程中的安全性及稳定性。附图说明图1为本发明的立体式、分区式梯度温度场主动调控系统的结构示意图；图2为本发明的侧面加热系统的分布示意图(俯视图)；图3为本发明的单个侧面加热子系统的结构示意图；图4为本发明的底面加热系统分布示意图；图5为本发明的独立的加热子模块的结构示意图；图6为本发明的循环冷却系统示意图，其中，6A为主视图，6B为俯视图。图7为本发明具体实施过程中的加工及温度控制流程图；图8为本发明仅使用红外相机时的结构示意图；图9为本发明仅使用侧面测温热电偶时的结构示意图。图1－9中，1表示腔体，2表示红外相机，3表示气体出口，4表示工作台，5表示冷却层，6表示侧面加热系统，7表示测温热电偶，8表示成形缸，9表示气体入口，10表示控制系统，11表示零件已成形部分，12表示基板，13表示底面加热系统，14表示升降活塞，15表示冷却水出口，16表示水冷机，17表示冷却水入口，18表示侧面加热子模块，19、19’表示陶瓷板，20表示加热元件，21表示石棉布，22表示底面加热子模块、23表示冷却管。具体实施方式为了尽可能的降低在成形过程中因温度不均匀造成的不利影响，本发明设计了一套由温度场监控系统、加热系统和控制系统构成的梯度温度场主动调控系统。通过测量成形区域XOY平面及四周的温度场信息，将获得的温度...