清華大學(xué)增材頂刊：基于DIC的電弧增材制造構(gòu)件全場變形原位測量技術(shù)

來源：材料科學(xué)與工程

電弧定向能量沉積（Arc-based Directed Energy Deposition）技術(shù),，又稱電弧增材制造（Wire + arc additive manufacturing, WAAM），具有沉積效率高,、制造成本低,、制造周期短及材料利用率高等諸多優(yōu)勢，特別適合大尺寸構(gòu)件快速成型以及修復(fù)再制造,，在航空航天,、軌道交通、核電等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景,。

變形測量和控制是金屬增材制造中最重要的問題之一,。金屬增材制造在高溫梯度和大約束條件下發(fā)生沉積和凝固,，并伴隨著復(fù)雜的冶金現(xiàn)象和應(yīng)力演化,。應(yīng)力超過材料屈服強度可能導(dǎo)致構(gòu)件變形，超過強度極限導(dǎo)致裂紋缺陷甚至斷裂,。而由于WAAM熱輸入大,，變形和開裂問題更為突出。因此,，有必要對WAAM過程中的變形進行監(jiān)測,。

增材制造變形的研究主要通過數(shù)值模擬和實驗方法。數(shù)值模擬主要通過宏觀尺度（＞10-3 m）下的順序耦合熱彈塑性有限元計算來實現(xiàn),，然而數(shù)值模擬和實驗測量之間的一致性存在一定誤差,。實驗測量，包括坐標測量和位移傳感器,。坐標測量（如激光3D掃描）主要用于測量沉積后的零件變形,，不能實時測量。而位移傳感器（激光位移傳感器或DVRT傳感器）僅能記錄某一點或幾個點的變形信息,，在全場變形測量方面存在一定局限性,。數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）是一種基于光學(xué)的測量技術(shù),，其基本原理是跟蹤變形前后圖像中相同子區(qū)特征點的位移,，從而得到全場變形。

近日,，清華大學(xué)機械系趙玥副研究員團隊采用DIC技術(shù)實現(xiàn)了電弧增材制造構(gòu)件全場變形的原位測量,。團隊自主設(shè)計并搭建了WAAM和三維DIC測量系統(tǒng)，研究了DIC系統(tǒng)測量精度,、弧光干擾及屏蔽技術(shù),、散斑質(zhì)量對測量精度的影響，并通過DIC測量與數(shù)值模擬方法研究了單臂墻及圓筒型WAAM構(gòu)件的變形演變規(guī)律。相關(guān)研究成果以“In situ measurement of full-field deformation for arc-based directed energy deposition via digital image correlation technology”為題,，發(fā)表于國際增材制造領(lǐng)域頂級期刊《Additive Manufacturing》,。論文第一作者為清華大學(xué)博士后王強（現(xiàn)為上海交通大學(xué)助理研究員），通訊作者為清華大學(xué)趙玥副研究員,。本研究獲得國家自然科學(xué)基金支持,，未來團隊將持續(xù)開展DIC應(yīng)力變形測量技術(shù)研究，力爭實現(xiàn)電弧增材制造過程構(gòu)件變形的實時全場測量及在線調(diào)控,。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103635

DIC測量系統(tǒng)具有較高的精度,，測量誤差可控制在微米級，2D-DIC系統(tǒng)靜態(tài)誤差為±4μm,，3D-DIC系統(tǒng)靜態(tài)誤差為±6μm,。在10mm變形范圍內(nèi)，系統(tǒng)測量誤差為0.012mm,，0.12%,。同時采用2D-DIC與3D-DIC測量相同構(gòu)件增材過程變形，測量結(jié)果保持一致,。

圖1 DIC系統(tǒng)測量誤差評估：（a）測試平臺,；（b）圖像質(zhì)量；（c）位移測量分量,。

圖2 2D-DIC與3D-DIC測量結(jié)果對比：（a）試驗平臺,；（b）特征點；（c）縱向位移對比,；（d）垂向位移對比,。

WAAM過程中強烈的弧光會嚴重影響DIC圖像質(zhì)量，電弧覆蓋區(qū)域圖像曝光嚴重,，無法拍攝到散斑,，必須采取弧光屏蔽措施。為此設(shè)計了平面型弧光擋板及L型弧光擋板,。由于擋板不能緊密貼合增材構(gòu)件,，擋板底部仍會泄漏弧光。改為L型擋板并添加石棉布,，使擋板與增材構(gòu)件軟接觸,，能夠有效屏蔽弧光，得到高質(zhì)量DIC圖像,。

圖3 弧光影響及屏蔽措施：（a）無弧光,；（b）有弧光無屏蔽；（c）有弧光,，平板屏蔽,；（d）有弧光,，L型擋板屏蔽；（e）平板屏蔽裝置,；（f）L型擋板屏蔽裝置,。

DIC散斑作為記錄變形信息的載體，通常有自然散斑和人工散斑兩種形式,，在2D-DIC應(yīng)用中,，上述兩種散斑形式均可得到高質(zhì)量圖像用于DIC變形計算。但在3D-DIC應(yīng)用中,，僅可采用人工散斑,。原因是采用構(gòu)件表面自然紋理作為散斑，當(dāng)不同角度拍攝照片時,，相同位置的反光角度不同,，造成圖像灰度差異，從而導(dǎo)致相關(guān)關(guān)系計算失效,。

圖4 自然散斑與人工散斑對比：（a）無電弧,，自然散斑；（b）有點糊,，自然散斑,；（c）無電弧，人工散斑,；（d）有電弧，人工散斑,。

圖5 基于2D-DIC系統(tǒng)同時測量自然散斑與人工散斑試樣變形：（a）實驗裝置,；（b）特征點位置；（c）縱向位移對比,；（d）垂向位移對比,。

分別通過DIC、激光3D掃描,、數(shù)值模擬方式獲取WAAM圓筒構(gòu)件外表面輪廓,，外輪廓直徑沿高度方向的變化趨勢保持一直。DIC測量構(gòu)件上特征點的位移變化與數(shù)值模擬變形演變規(guī)律相近,。DIC技術(shù)是WAAM構(gòu)件全場變形原位測量的有效途徑,，實現(xiàn)DIC在線實時變形測量與控制對金屬增材制造成形控制具有重要意義。

圖6 WAAM圓筒構(gòu)件變形結(jié)果及變形演變結(jié)果：（a）DIC全場變形,；（b）激光3D掃描,；（c）數(shù)值模擬；（d）外輪廓直徑沿高度變化規(guī)律,；（e）DIC測量特征點位移演變,；（f）數(shù)值模擬變形演變。

研究結(jié)果表明：DIC技術(shù)可實現(xiàn)電弧增材制造構(gòu)件全場變形原位測量，且具有較高的測量精度,。對于2D-DIC系統(tǒng),，自然散斑和人工散斑均可用于高精度測量；但是對于3D-DIC,，必須采用人工散斑,。WAAM過程中強烈的弧光會影響DIC圖像質(zhì)量，必須采取有效的屏蔽措施,。使用DIC技術(shù)測量的WAAM構(gòu)件變形與數(shù)值模擬,、三維激光掃描測量結(jié)果具有高度一致性。通過DIC技術(shù),，有望實現(xiàn)電弧增材制造過程全場變形的實時測量及調(diào)控,。