一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法技术方案

本发明专利技术属于金属增材制造领域，并具体公开了一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法，其包括成形装置、检测装置、调控装置和基板，成形装置、检测装置和调控装置均位于基板上方，检测装置和调控装置相连，调控装置包括电磁冲击调控单元和电磁搅拌调控单元；工作时，成形装置在基板上逐层成形工件，检测装置对已成形区域微观组织进行实时检测，并将检测结果传输给调控装置，进而根据检测结果采用电磁冲击调控单元对刚成形的熔凝微区进行电磁冲击，或采用电磁搅拌调控单元对熔池进行电磁搅拌以调控工件微观组织。本发明专利技术能够在成形过程中控制晶粒尺寸并减少气孔、未熔合等缺陷，并具有调控闭环、稳定、针对性强的优点。

An electromagnetic assisted on-line microstructure detection and control system and method

【技术实现步骤摘要】
一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法
本专利技术属于金属增材制造领域，更具体地，涉及一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法。
技术介绍
近年来，金属增材制造因为其柔性高、无模具、周期短、不受零件结构及材料限制等一系列优点，在军工、汽车、船舶、模具、电子、医疗等行业得到了广泛应用。但是，金属增材制造过程中，在固体金属基底“无界面热阻”快速导热、高温度梯度超高、冷却速度超快条件下，如何有效控制熔化-凝固的冶金过程，进而调控成形构件的凝固组织，消除锁孔，微裂纹等缺陷，调控晶粒生长，最终实现构件性能的优化，是金属增材制造走向更广泛应用的障碍。一方面，高温熔池的快速凝固及逐层堆积过程中熔池金属的冶金动力学行为及其晶体形核和长大过程直接影响最终增材成形构件的冶金组织(如晶粒尺寸、晶粒形态、晶体取向、晶界结构及化学成分均匀性等)和力学性能，单一增材工艺易导致成形件微观组织粗大、不均匀和各向异性，对于微观组织的调控不足将导致成形件的性能不足和不可靠。另一方面，由于成形件骤冷骤热，温度梯度过高将导致产生不可控变形及较大的残余应力，过大的残余应力会降低成形件的力学性能甚至导致微裂纹的产生，复杂的热循环将导致残余应力分布复杂，进而致使成形件变形、开裂。这些问题降低了金属增材制造成形件的力学性能和可靠性，从而制约了金属增材制造技术的推广和应用。目前，金属增材制造研究领域中微观组织和性能调控主要通过工艺参数优化和引入受迫加工的方法，常规的工艺参数优化需要大量的工艺试验，而且具有一定的局限性，已不能满足消除缺陷，提高质量和性能的要求，而受迫加工对降低残余应力和细化晶粒有一定的效果，但难以抑制缺陷产生且没有与检测手段联合起来，具有组织调控的不可控性和盲目性。因此，亟需找到一种有效可控方法解决目前金属增材制造所面临的主要问题，以获得晶粒细小、性能优良的金属增材成形构件。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统及方法，其目的在于，在工件成形过程中，对微观组织进行实时检测，进而通过电磁冲击和电磁搅拌对微观组织进行调控，从而控制晶粒尺寸并减少气孔、未熔合等缺陷，实现对微观组织的在线检测和调控，整个过程具有调控闭环、稳定、针对性强的优点。为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提出了一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，包括成形装置、检测装置、调控装置和基板，其中：所述成形装置、检测装置和调控装置均位于所述基板上方，所述检测装置和调控装置相连，所述调控装置包括电磁冲击调控单元和电磁搅拌调控单元；工作时，成形装置在基板上逐层成形工件，检测装置和调控装置跟随成形装置同步移动，检测装置对已成形区域微观组织进行实时检测，并将检测结果传输给调控装置，进而根据检测结果采用电磁冲击调控单元对刚成形的熔凝微区进行电磁冲击，或采用电磁搅拌调控单元对熔池进行电磁搅拌以调控工件微观组织，完成微观组织检测及调控。作为进一步优选的，所述检测装置为电磁涡流检测装置。作为进一步优选的，所述检测装置的轴线与所述基板垂直。作为进一步优选的，所述电磁冲击调控单元和电磁搅拌调控单元均包括励磁线圈和导磁铁芯，所述励磁线圈缠绕在导磁铁芯上，所述导磁铁芯通过可调节支架安装在所述成形装置上。作为进一步优选的，所述导磁铁芯上设置有水冷流道。作为进一步优选的，所述成形装置为电弧成形装置、激光成形装置或电子束成形装置。按照本专利技术的另一方面，提供了一种电磁辅助在线微观组织检测及调控方法，其采用上述系统实现，包括如下步骤：S1成形装置按预设成形轨迹在基板上逐层成形工件，检测装置和调控装置跟随成形装置同步移动，检测装置对工件已成形区域微观组织进行实时检测；S2若检测结果正常，则重复S1；若检测出微观组织异常，则将检测结果传输给调控装置，调控装置根据检测结果，采用电磁冲击调控单元对刚成形的熔凝微区进行电磁冲击，以使熔凝微区产生塑性延展变形，或采用电磁搅拌调控单元对熔池进行电磁搅拌，以使熔池温度均匀化并产生对流，从而进行微观组织调控；S3重复S1和S2，直至完成工件成形，实现工件成形过程中的在线微观组织检测及调控。作为进一步优选的，所述检测装置对工件已成形区域进行电磁涡流无损检测，进而根据检测到的电磁信号以及预设的电磁信号与微观组织关系数据库，实现对已成形区域微观组织检测。作为进一步优选的，所述检测装置、电磁冲击调控单元和电磁搅拌调控单元施加的磁场是稳横磁场、交变磁场和脉冲磁场中的任意一种或几种。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术在增材制造过程中，通过检测装置检测凝固区域微观组织，为进一步熔池或熔池后高温凝固区的电磁微观组织调控提供依据，实现增材制造金属构件微观组织在线闭环检测和调控，本专利技术通过检测装置和调控装置协调运行，相比于传统增材成形后再进行检测—调整参数的方法或增材成形过程中全过程单一微观组织调控参数，其实时检测-实时调控的循环调控手段具有调控闭环、稳定、针对性强等优点。2.本专利技术采用非接触式检测，避免对成形过程造成影响，同时采用同一套电磁发生辅助系统，集成电磁涡流微观组织无损检测、电磁辅助熔池控制、电磁冲击晶粒细化等多种功能，降低检测控制设备复杂性，实现单一辅助设备多功能集成。3.本专利技术中通过可调节夹具来调整调控装置与能量源的相对位置，根据检测装置结果进行调控装置的空间变动，调控装置的外部施加磁场方向为竖直、水平方向中任意一种方向，形成面向成形质量监控、多种控制熔池流动方向、多种控制强度、多种控制形式的磁场辅助手段。4.本专利技术既能够制备形状、性能单一的简单构件，也可以制备形状、性能复杂的功能性构件，并且对于如梯度材料等不同区域的微观组织要求不同的构件，也可以通过预先设计，在成形过程中实时进行微观组织调控，达到预期目标。附图说明图1为本专利技术实施例电磁辅助在线微观组织检测及调控系统结构示意图；图2为本专利技术实施例电磁辅助在线微观组织检测及调控方法流程图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-检测装置，2-熔凝微区，3-电磁冲击调控单元，4-成形装置，5-电磁搅拌调控单元，6-熔池，7-已成形区域。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术实施例提供的一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，如图1所示，包括成形装置4、检测装置1、调控装置和基板，其中：所述成形装置4、检测装置1和调控装置均位于所述基板上方，具体的，所述成形装置4为电弧成形装置、激光成形装置或电子束成形装置；所述检测装置1与所述调控装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，其特征在于，包括成形装置(4)、检测装置(1)、调控装置和基板，其中：所述成形装置(4)、检测装置(1)和调控装置均位于所述基板上方，所述检测装置(1)和调控装置相连，所述调控装置包括电磁冲击调控单元(3)和电磁搅拌调控单元(5)；/n工作时，成形装置(4)在基板上逐层成形工件，检测装置(1)和调控装置跟随成形装置(4)同步移动，检测装置(1)对已成形区域(7)微观组织进行实时检测，并将检测结果传输给调控装置，进而根据检测结果采用电磁冲击调控单元(3)对刚成形的熔凝微区(2)进行电磁冲击，或采用电磁搅拌调控单元(5)对熔池(6)进行电磁搅拌以调控工件微观组织，完成微观组织检测及调控。/n

【技术特征摘要】
1.一种电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，其特征在于，包括成形装置(4)、检测装置(1)、调控装置和基板，其中：所述成形装置(4)、检测装置(1)和调控装置均位于所述基板上方，所述检测装置(1)和调控装置相连，所述调控装置包括电磁冲击调控单元(3)和电磁搅拌调控单元(5)；
工作时，成形装置(4)在基板上逐层成形工件，检测装置(1)和调控装置跟随成形装置(4)同步移动，检测装置(1)对已成形区域(7)微观组织进行实时检测，并将检测结果传输给调控装置，进而根据检测结果采用电磁冲击调控单元(3)对刚成形的熔凝微区(2)进行电磁冲击，或采用电磁搅拌调控单元(5)对熔池(6)进行电磁搅拌以调控工件微观组织，完成微观组织检测及调控。


2.如权利要求1所述的电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，其特征在于，所述检测装置(1)为电磁涡流检测装置。


3.如权利要求1所述的电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，其特征在于，所述检测装置(1)的轴线与所述基板垂直。


4.如权利要求1所述的电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，其特征在于，所述电磁冲击调控单元(3)和电磁搅拌调控单元(5)均包括励磁线圈和导磁铁芯，所述励磁线圈缠绕在导磁铁芯上，所述导磁铁芯通过可调节支架安装在所述成形装置(4)上。


5.如权利要求4所述的电磁辅助在线微观组织检测及调控系统，其特征在于，所述导磁铁芯上设置有水冷流道。


6.如权利要求1-...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海鸥，赵旭山，王桂兰，陈尧，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42