关键词： 结构光视觉   电弧增材制造   表面检测   深度学习  

摘要： 金属电弧增材制造技术具有研制周期短,沉积效率高,设备成本、运行成本低以及材料利用率高等特点,被广泛应用于不同行业中。但在生产过程中,存在诸多不稳定因素会使得工件表面产生缺陷,影响了工件的层间质量和最终成型精度。表面缺陷检测成为衡量电弧增材制造工件质量的关键步骤。为了实现对表面缺陷的快速定性检出和准确定量测量,本文基于结构光视觉传感器搭建了电弧增材制造表面检测系统,提出了一种基于深度学习模型的双阶段表面检测算法,对缺陷定性检出和定量测量的关键技术展开研究。 首先,确定了电弧增材制造表面缺陷检测系统的性能要求,搭建了检测系统硬件平台;完成了系统标定并进行了标定的误差分析,测试宽度和高度误差平均值分别为0.13 mm和0.01 mm。 然后,提出了用于结构光条纹图像缺陷检测的YOLOv5-LVS模型。为了提高检测的实时性,使用轻量化特征提取网络Mobile Netv3替换了原有的特征提取网络;针对模型预测框的准确度低的问题,CIo U损失函数被替换为MPDIo U损失函数。在测试中,YOLOv5-LVS模型在缺陷条纹图像数据集上以每秒112帧的速度下获得了97.9%的平均精度,满足了表面检测中缺陷定性检出的要求。 其次,为了实现对缺陷的定量测量,对缺陷条纹图像进行了图像处理,去除干扰信息的同时保留了条纹图像有效信息;提出了多列灰度重心法提取条纹中心线,并且进行了中心线断点处的小范围拟合连接。通过缺陷检测模型的输出信息对缺陷区域进行了定位,借助数据分流对点云进行了优化处理,提高了检测系统的实时性,并且使用改进的点云切片法完成了对缺陷的体积计算。 最后,对含有凸起、凹槽、焊偏凸起以及焊偏凹槽缺陷的试样进行了质量检测与评估实。结果表明,缺陷的检出率为100%,缺陷帧检出的完整度在90.6%以上。与此同时,缺陷的几何体积被有效地测量出,缺陷的几何宽度测量误差在0.18 mm以内,满足实际检测的需求。

关键词： Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金   数值模拟   电弧增材   组织演变   力学性能  

摘要： 近年来,随着我国航空航天及军工等领域飞跃式发展,装备轻量化问题迫在眉睫。镁合金作为目前工程应用中最轻的金属结构材料拥有巨大的发展潜力。高性能稀土镁合金（Mg-RE）具有密度低、良好的室温、高温机械性能和抗腐蚀性能等优点,可应用于航空航天大型壳体、支架等复杂关键部件。然而,铸造、挤压或锻造等传统工艺很难制造大尺寸复杂稀土镁合金构件,严重限制了Mg-RE合金在工业中应用。CMT电弧增材制造技术以金属丝材为原材料、电弧为热源将丝材熔化逐层沉积,可直接成形大型复杂毛坯制件,具有成形效率高、设备成本低等优势。本文针对CMT电弧增材成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金难以满足航空航天及军工等领域热变形及高温性能的要求,对其电弧增材成形过程的宏观温度场及微观相场进行仿真,研究温度梯度及焊接速度对晶粒生长的影响;通过变形过程中等效应力应变及组织演化规律,系统研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金室温及高温压缩变形机理及不同温度、应变速率对位错、再结晶、织构及孪晶的影响规律。主要研究结果如下: （1）研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金CMT电弧增材制造过程宏观温度场及微观晶粒的生长过程。熔池尺寸随着温度的升高不断增大,随增材层数的增加,高温区域不断扩大,先沉积的区域对后续沉积层产生热积累效应;距离熔池匙孔中心越远,温度梯度变小,推进速度变大,晶粒生长速度变快;SEM及EBSD分析表明CMT电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr沉积件晶粒竞争生长以α-Mg为基体,β-Mg24（Gd,Y）5第二相均匀分布在晶界处,进而抑制晶粒生长。 （2）研究了CMT电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金横截面及纵截面常温压缩变形断裂机制。横截面力学性能优于纵截面,这归因于横截面分布均匀的等轴晶及β-Mg24（Gd,Y）5所起到的细晶强化和沉淀强化效果优于分布不规则的纵截面。应力应变集中点在试样剪切部位的聚集是导致合金断裂的直接原因。断口存在明显的“解理台阶”及“舌状花样”,证明沉积件具有一定的脆性,且断裂类型为穿晶断裂。 （3）研究了CMT电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在400℃、（?）=0.1s-1及变形50%条件高温组织演化机理。建立了阿伦尼乌斯型本构模型,得到了直观的等效应力应变分布,数值模拟测得峰值应力与是实验值相近。峰值应力随着温度的升高或应变速率的变小而降低。变形后的组织出现孪晶,且周围分布大量高密度位错及层错。Schimid因子表明,随着压缩的进行,滑移主要沿着{10-10}<11-20>方向发生。 （4）研究了不同变形条件下(温度623-723K、应变速率0.01-1 s-1)电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金高温压缩组织演化机理。随着应变速率的升高（温度的降低）,合金位错密度增加,晶粒内部再结晶机制由DDRX转变为CDRX。随着应变速率增加,{10-10}面上织构分布更加集中,织构强度从6.79降为2.24。变形后组织存在压缩孪晶{10-11},含量随温度的降低（应变速率的升高）而增加。

关键词： 电弧增材制造   神经网络模型   工艺参数   成形尺寸  

摘要： 随着国内外工业制造对产品材料、性能及制造效率等要求的日益提高,电弧增材制造技术得到了快速发展,国内外学者及科研机构纷纷涌入到电弧增材制造技术创新发展的大潮中,其能够生产的零件复杂度及精度越来越高。脉冲电流模式时热输入小、成形质量好,更适合进行增材制造,因此本文将基于脉冲电流模式建立成形工艺参数与焊道成形尺寸间的预测模型,为实现成形工艺参数选择及实时优化、提高零件的尺寸精度奠定基础。 首先,基于成形电流、成形速度、脉冲频率、占空比四个成形工艺参数,采用二次回归通用旋转组合设计了31组实验参数进行单层单道成形实验,并测量其相应的焊道成形尺寸,为后续搭建神经网络模型提供了可靠的样本数据。此外,对成形过程中焊道搭接率、层间冷却时间展开研究,为后续零件成形验证实验提供依据。结果表明,焊道搭接率为30%时焊道搭接成形效果最佳;多层多道层间冷却时间使层间温度控制在100～150℃时成形件表面形貌较好。 为了实现对焊道成形尺寸的预测,基于31组样本数据建立BP神经网络模型,但模型预测精度难以满足需求,故而利用粒子群算法通过对模型初始参数的优化搭建了正向PSO-BP神经网络模型。结果表明,相较于BP神经网络模型,PSO-BP神经网络模型对焊道熔宽及焊道余高预测的平均相对误差分别减小了3.568%和0.372%,预测精度更高、结果更加稳定,应用到电弧增材制造中可以大大提高零件的成形精度。 考虑到在实际的生产制造中,通常需要根据目标结构件所需的焊道成形尺寸,利用模型预测出所需的成形工艺参数。为了实现对成形工艺参数的预测,基于全因子实验设计所得625组样本数据建立逆向PSO-BP神经网络模型,但预测效果欠佳。故基于正向、逆向PSO-BP神经网络模型建立了交互预测模型,结合各成形工艺参数对焊道成形尺寸的影响规律及影响程度,通过交互预测模型对成形工艺参数进行调整,提高模型的有效性。结果表明,在对4组相对误差>10%的焊道成形尺寸进行成形工艺参数的调整后,目标焊道熔宽预测的相对误差均得到了不同程度的减小,焊道余高预测的误差除第11组增大了0.2%外,其他组同样得到了减小,实现了对目标焊道成形尺寸所需成形工艺参数的有效优化。 在零件成形验证实验中,基于交互预测模型设计了软件,根据目标零件模型求出成形层数及相对应的单层成形道数,并根据每层的目标焊道成形尺寸确定出每层的成形工艺参数,对目标零件进行了增材制造实验。结果表明,零件层间结合紧密,逐层成形质量高,零件单层平均层高及平均层宽的相对误差均不超过±7%,满足增材制造的需求。

关键词： 7075铝基复合材料   电弧增材制造   TiB2颗粒增强   数值模拟   强化机理   热处理  

摘要： 7xxx系铝合金增材制造技术广泛应用于航空航天、船舶、高铁、汽车等工业领域,然而,目前电弧增材制备的以7075铝合金为代表的7xxx系高强铝合金,易出现组织晶粒大小难以控制,导致因粗晶造成增材合金强度偏低的难题,该现状严重制约了电弧增材制造技术在7xxx系高强铝合金制备领域的进一步推广。基于此,本文围绕7075铝合金TIG电弧增材制造涉及的相关增材工艺及组织性能调控机理开展相关研究,通过开展TiB2颗粒增强的7075铝基复合材料TIG电弧熔丝增材制造工艺、TIG增材制造的热过程和凝固过程沉积态组织的演变机制、沉积态TiB2/7075铝基复合材料的热处理工艺等研究,揭示电弧增材制造7075高强铝合金组织调控相关的物理冶金学机理,进而为其他7xxx系高强铝合金电弧增材制造的应用提供实验及理论参考。 （1）进行了TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材过程的温度场和应力场的数值模拟。结果显示,不同增材层间等效应力的分布呈现极不均匀的状态,电弧热源移动到增材层中间点位置时其等效应力最大。内应力主要集中在工件熔覆层及其与基板的相互连接处,控制层间温度,适当延长等待时间可以降低热积累,进而改善工件的残余应力和增材成形质量。通过拟定的工艺参数进行数值模拟,获得了较低等效应力峰值,为TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材工艺制定提供依据。 （2）开展了TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材成形工艺研究。通过对不同参数下单道单层和单道多层增材成形试验,发现在增材电流、送丝速度及行走速度三个因素中,对熔覆层高度影响最大的是送丝速度,影响最小的是行走速度;对熔覆层宽度影响最大的是行走速度,影响最小的是送丝速度。 （3）通过对不同增材参数下TIG电弧增材TiB2/7075铝基复合材料试件的组织和性能进行研究,确定了最佳增材工艺。最佳增材试件测试结果显示,增材层不同区域微观组织不同,顶部晶粒尺寸最为细小,显微组织为较细小的等轴晶,中部相比于顶部晶粒为更粗的柱状晶,底部的晶粒尺寸最为粗大,为粗大的柱状晶。在力学性能方面,与中部和底部区域相比,增材试件顶部区域组织的性能最优,平均抗拉强度、断后伸长率和显微硬度分别为（361.8±4.8）MPa、（8.3±0.9）%和（145±5）HV,与常规7075铝合金电弧增材试件抗拉强度（279.4±5.3）MPa相比提升了约29.5%。 （4）探讨了TiB2颗粒在TiB2/7075铝基复合材料TIG电弧增材制造凝固过程中对组织演变的影响规律,并对其强化机理进行了分析。结果表明,在增材过程中,TiB2颗粒处于热稳定状态,大部分分布在晶界处,少量分布于晶粒内部,TiB2颗粒的加入改变了增材组织演变进程,其作为异质形核质点能够为α-Al基体提供形核表面,晶界处的颗粒会阻碍晶界的移动,抑制晶粒长大,细化晶粒尺寸,起到细晶强化作用。 （5）研究了不同热处理工艺对沉积态TiB2/7075铝基复合材料组织和性能的影响。研究发现通过T6热处理（固溶处理470℃×2 h+时效处理120℃×24 h）能够有效改善沉积态TiB2/7075铝基复合材料的显微组织与力学性能。T6态增材试件的平均抗拉强度、显微硬度和伸长率分别达到（510.2±5.4）MPa、（190±4）HV和（10.2±0.8）%,较热处理前相比,分别提升了约41%、31%和22.9%。断口分析显示,断口面分布着较多的韧窝状组织,断裂形式由热处理前的脆性断裂转变为热处理后的韧性断裂。 （6）分析了TiB2颗粒对沉积态7075铝基复合材料热处理后析出行为的影响。经过热处理,改善了非平衡凝固过程中元素在晶界处的偏析,晶内和晶界的元素分布更加均匀。在固溶处理过程中,随着晶界面积的增大,空位浓度也随之增大,易于Zn、Mg、Cu溶质元素的扩散和传输,同时增加了时效处理过程中析出相的形核数量。经过时效处理后,其中的TiB2颗粒和MgZn2第二相会均匀弥散分布于基体中,组织中有大量MgZn2第二相析出,起到沉淀强化作用。