[发明专利]一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法

说明书

本发明涉及一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，属于电子束成形制造监控技术领域。本发明监控方法通过分时复用的方式，实现了在进行电子束熔丝沉积过程同时，对工件进行预热和随行热处理。同时实时采集预热区域、熔池区域和随行热处理区域的背散射电子信号，分别将生成的预热区域图像用于沉积过程的路径规划，熔池区域图像用于熔池热输入的闭环控制，随行热处理区域图像用于成形件的缺陷检测。本发明提出了三种电子束束流控制模式，可以根据需要，方便的调整预热、加工和热处理的功率大小。本发明的监控方法基于背散射电子成像原理，可以适应大束流高金属蒸气的环境。同时可实时成像，无需离线进行单独的成像扫描，提高了生产效率。

技术领域

本发明涉及一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，属于电子束成形制造监控技术领域。

背景技术

工艺可重复性和质量一致性是衡量该生产制造技术的关键，这在航空航天、医疗领域尤为重要。然而电子束成形制造过程中环境参数多变，例如设备参数的不稳定、成形过程中的热积累、金属材料成分的变化等。这使得仅依靠传统的技术无法实现成形过程的连续稳定。近年来越来越多的电子束成形制造生产商将过程监控技术增加到设备中去，其中最多的就是视觉监控技术。然而在电子束成形制造加工环境中存在很强的金属蒸气污染，这是由于局部的高温使得大量金属原子蒸发，观察窗的光学玻璃很快被蒸镀上一层金属膜而无法观察。

与传统的光学监控系统相比，利用电子束轰击工件表面产生的背散射电子和二次电子也可对工件进行清晰有效的监控。例如中国专利CN106180718A，公开了一种具备在线检测功能的电子束快速成型设备及其运行方法，其工作原理是对成形后的工件表面进行小束流电子束扫描，二次电子收集器接受电子束微束扫描过程产生的二次电子信息，中央控制单元采集返回的二次电子信息进行成像，以此检测制造层是否存在缺陷。其缺点是二次电子由于自身能量较低，自工件运动至传感器的飞行时间较长，成像时间较长，只能在加工完一层后，在成形间歇期进行在线成像，而不能在成形期间进行实时成像，这降低了整个成型过程的生产效率。

发明内容

本发明的目的是提出一种电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，在进行电子束熔丝沉积增材制造成形过程中，通过分时复用的方式，将电子束快速偏转依次扫描预热区域、加工区域和热处理区域，在进行电子束熔丝沉积过程中的预热、熔丝加工和随行热处理。以实现沉积前的路径规划和沉积后的缺陷检测，同时可保证熔池区域大小稳定，进而保证成形过程和产品质量的一致性。

本发明提出的电子束熔丝沉积增材制造实时监控方法，包括以下步骤：

(1)向待沉积增材的工件上发射一束高能电子束，高能电子束的能量为10KeV-150KeV；

(2)沉积开始时，设待沉积增材工件的当前沉积中心横坐标为X_c，使步骤(1)的高能电子束偏转，依次扫描待沉积增材的工件上的预热区域D₁、加工区域D₂和热处理区域D₃，并对预热区域D₁、加工区域D₂和热处理区域D₃的高能电子束流根据如下公式，进行调整：

使预热区域D₁的高能电子束流I₁为：

其中，P₁为初始设定的层积预热功率，V为电子束加速电压，T₁为电子束在预热区域D₁的停留时间，T₂为电子束在加工区域D₂的停留时间，T₃为电子束在热处理区域D₃的停留时间；

使加工区域D₂的高能电子束流I₂为：