清华大学增材顶刊：基于DIC的电弧增材制造构件全场变形原位测量技术

文章来源：材料科学与工程

电弧定向能量沉积（Arc-based Directed Energy Deposition）技术，又称电弧增材制造（Wire + arc additive manufacturing, WAAM），具有沉积效率高、制造成本低、制造周期短及材料利用率高等诸多优势，特别适合大尺寸构件快速成型以及修复再制造，在航空航天、轨道交通、核电等领域具有广泛应用前景。

变形测量和控制是金属增材制造中最重要的问题之一。金属增材制造在高温梯度和大约束条件下发生沉积和凝固，并伴随着复杂的冶金现象和应力演化。应力超过材料屈服强度可能导致构件变形，超过强度极限导致裂纹缺陷甚至断裂。而由于WAAM热输入大，变形和开裂问题更为突出。因此，有必要对WAAM过程中的变形进行监测。

增材制造变形的研究主要通过数值模拟和实验方法。数值模拟主要通过宏观尺度（＞10-3 m）下的顺序耦合热弹塑性有限元计算来实现，然而数值模拟和实验测量之间的一致性存在一定误差。实验测量，包括坐标测量和位移传感器。坐标测量（如激光3D扫描）主要用于测量沉积后的零件变形，不能实时测量。而位移传感器（激光位移传感器或DVRT传感器）仅能记录某一点或几个点的变形信息，在全场变形测量方面存在一定局限性。数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）是一种基于光学的测量技术，其基本原理是跟踪变形前后图像中相同子区特征点的位移，从而得到全场变形。

近日，清华大学机械系赵玥副研究员团队采用DIC技术实现了电弧增材制造构件全场变形的原位测量。团队自主设计并搭建了WAAM和三维DIC测量系统，研究了DIC系统测量精度、弧光干扰及屏蔽技术、散斑质量对测量精度的影响，并通过DIC测量与数值模拟方法研究了单臂墙及圆筒型WAAM构件的变形演变规律。相关研究成果以“In situ measurement of full-field deformation for arc-based directed energy deposition via digital image correlation technology”为题，发表于国际增材制造领域顶级期刊《Additive Manufacturing》。论文第一作者为清华大学博士后王强（现为上海交通大学助理研究员），通讯作者为清华大学赵玥副研究员。本研究获得国家自然科学基金支持，未来团队将持续开展DIC应力变形测量技术研究，力争实现电弧增材制造过程构件变形的实时全场测量及在线调控。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103635

DIC测量系统具有较高的精度，测量误差可控制在微米级，2D-DIC系统静态误差为±4μm，3D-DIC系统静态误差为±6μm。在10mm变形范围内，系统测量误差为0.012mm，0.12%。同时采用2D-DIC与3D-DIC测量相同构件增材过程变形，测量结果保持一致。

图1 DIC系统测量误差评估：（a）测试平台；（b）图像质量；（c）位移测量分量。

图2 2D-DIC与3D-DIC测量结果对比：（a）试验平台；（b）特征点；（c）纵向位移对比；（d）垂向位移对比。

WAAM过程中强烈的弧光会严重影响DIC图像质量，电弧覆盖区域图像曝光严重，无法拍摄到散斑，必须采取弧光屏蔽措施。为此设计了平面型弧光挡板及L型弧光挡板。由于挡板不能紧密贴合增材构件，挡板底部仍会泄漏弧光。改为L型挡板并添加石棉布，使挡板与增材构件软接触，能够有效屏蔽弧光，得到高质量DIC图像。

图3 弧光影响及屏蔽措施：（a）无弧光；（b）有弧光无屏蔽；（c）有弧光，平板屏蔽；（d）有弧光，L型挡板屏蔽；（e）平板屏蔽装置；（f）L型挡板屏蔽装置。

DIC散斑作为记录变形信息的载体，通常有自然散斑和人工散斑两种形式，在2D-DIC应用中，上述两种散斑形式均可得到高质量图像用于DIC变形计算。但在3D-DIC应用中，仅可采用人工散斑。原因是采用构件表面自然纹理作为散斑，当不同角度拍摄照片时，相同位置的反光角度不同，造成图像灰度差异，从而导致相关关系计算失效。

图4 自然散斑与人工散斑对比：（a）无电弧，自然散斑；（b）有点糊，自然散斑；（c）无电弧，人工散斑；（d）有电弧，人工散斑。

图5 基于2D-DIC系统同时测量自然散斑与人工散斑试样变形：（a）实验装置；（b）特征点位置；（c）纵向位移对比；（d）垂向位移对比。

分别通过DIC、激光3D扫描、数值模拟方式获取WAAM圆筒构件外表面轮廓，外轮廓直径沿高度方向的变化趋势保持一直。DIC测量构件上特征点的位移变化与数值模拟变形演变规律相近。DIC技术是WAAM构件全场变形原位测量的有效途径，实现DIC在线实时变形测量与控制对金属增材制造成形控制具有重要意义。

图6 WAAM圆筒构件变形结果及变形演变结果：（a）DIC全场变形；（b）激光3D扫描；（c）数值模拟；（d）外轮廓直径沿高度变化规律；（e）DIC测量特征点位移演变；（f）数值模拟变形演变。

研究结果表明：DIC技术可实现电弧增材制造构件全场变形原位测量，且具有较高的测量精度。对于2D-DIC系统，自然散斑和人工散斑均可用于高精度测量；但是对于3D-DIC，必须采用人工散斑。WAAM过程中强烈的弧光会影响DIC图像质量，必须采取有效的屏蔽措施。使用DIC技术测量的WAAM构件变形与数值模拟、三维激光扫描测量结果具有高度一致性。通过DIC技术，有望实现电弧增材制造过程全场变形的实时测量及调控。