电弧熔积增材制造过程中在线检测的研究与实现

摘要

电弧熔积增材制造融合了电弧焊接技术和增材制造技术，能完成对金属快速自由成形制造的新技术。因其成形效率高、成本低、致密度高、无需模具、所用材料广泛等优点，在金属增材制造领域具有广泛的应用前景。然而，电弧焊接工艺的本质导致电弧熔积增材制造工件精度较低、表面质量较差、应力残留、焊接变形以及存在裂纹、气孔、夹渣等焊接缺陷。因此，加强质量控制，及时发现缺陷，避免完工检测出现废品是当前电弧熔积增材制造迫切需要解决的问题。本文针对增材制造工艺的特殊性，提出一种基于分层检测思想的解决方案，为增材制造过程引入合适的在线检测方法。
　　本文提出的分层检测思想是以增材制造离散化原理为核心，将传统加工完毕后的整体检测，转变为加工过程中以阶段性加工部位为检测对象的分散检测。本研究以课题组承担的高铁辙叉增材制造项目为基础，通过对检测对象与加工过程进行分析研究，梳理出检测要求和检测系统的设计指标。在对超声波检测、射线检测、涡流检测、红外探伤检测、金属磁记忆检测、漏磁检测、永磁扰动检测等检测方法进行充分研究的基础上，通过多指标综合评价选择永磁扰动检测为实现电弧熔积增材制造过程在线检测的最优方法。永磁扰动检测是利用磁扰动效应，通过捕获由待检区域缺陷在永磁体上产生的磁扰动，从而获得缺陷存在与否的评判依据。结合电弧熔积增材制造实际加工特点，设计永磁扰动在线检测系统，并将系统置于实际加工环境，对实验试样进行一系列测试，获取大量的实验数据。通过对检测数据进行整理分析，验证了检测系统可成功检测到宽度0.3mm的开放式裂纹缺陷、直径0.8mm的内部气孔缺陷以及埋藏深度3mm直径1.0mm的内部缺陷，达到了系统设计指标的相关要求。
　　永磁扰动检测系统通过分层检测思想实现了对电弧熔积增材制造过程的在线检测，并与增材制造加工系统相匹配，实现加工检测一体化、自动化和智能化。检测系统的引入，大大增强了加工过程的质量控制，避免废品出现，降低了生产成本。

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1 绪论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究概况

1.3 论文的主要研究内容

2 电弧熔积增材制造检测的方法探索

2.1 检测对象

2.2 检测要求

2.3 检测方法的评价选择

2.4 检测思想

2.5 本章小结

3 永磁扰动检测的原理和方法

3.1 磁扰动效应

3.2 永磁扰动检测方法

3.3 永磁扰动检测特性

3.4 本章小结

4 永磁扰动检测在电弧熔积增材制造应用的仿真分析

4.1 仿真环境

4.2 ANSYS仿真模拟

4.3 ANSYS仿真结果

4.4 本章小结

5 永磁扰动检测系统的设计和应用

5.1 系统总体设计方案

5.2 检测系统三大模块设计

5.3 实验验证

5.4 实验数据分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献

附录 攻读学位期间取得成果