一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置及方法

1.本发明涉及金属增材制造技术领域，特别涉及一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量方法。


背景技术：

2.激光选区熔化(selective laser melting,slm)技术是激光金属增材制造领域的主流技术之一，该技术基于离散材料、逐层堆积的原理，首先设计出零件的三维模型，然后根据成形工艺对模型进行切片分层后，将所得切片数据导入slm成形设备中，并设定具体的扫描路线，成形时根据设定的扫描路线逐道逐层熔化通过送粉装置均匀铺展的金属粉末，直至零件成形。
3.多材料零件是由分布在零件内部的多种材料组成，可将多种材料的结构和功能整合在一起，在零件指定位置实现特定的性能(局部耐磨、耐高温、高导热等)。近年来，多材料slm技术为直接成形复杂多材料零件提供了创新途径。多材料零件的整体力学性能很大程度上取决于界面结合质量。然而，界面处不同材料的热膨胀系数、应力不匹配会产生残余应力，并进一步引起界面开裂和构件变形，甚至发生零件翘曲而导致成形失败。此外，还会降低材料界面的抗腐蚀性能。因此对多材料结构界面的残余应力进行测量与评估并探索优化工艺，对于多材料结构的激光增材成形具有重要意义。
4.目前，slm成形零件的应力通常采用离线测量方法进行表征。然而，该种方法只能获得零件成形后的整体应力值，且零件从基板切割下来后的应力会部分释放。因此，无法准确评估零件在成形过程的应力演变过程。最近，用于slm成形过程的应力原位测量方法有电阻应变计测量法、位移传感器检测法等。然而，电阻应变计测量法需暂停成形过程，并打开舱门进行人工安装检测仪器，效率低；位移传感器检测法通常仅能测量垂直于基板方向上的变形，无法满足多材料零件界面应力测量的需求。
5.因此，亟需一种自动化实现slm多材料界面应力的原位、精确测量方法。


技术实现要素：

6.本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，能够在成形过程中便可实现多材料结构界面应力应变的原位监测。
7.本发明实施例还提供一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量方法。
8.根据本发明第一方面的实施例，提供一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，包括激光选区熔化成形系统，所述激光选区熔化成形系统包括成形腔、位于所述成形腔上方的光路组件、位于所述成形腔下方的成形缸、用于存放材料a的第一粉料缸、用于存放材料b的第二粉料仓以及位于所述第一粉料缸和所述第二粉料仓之间的铺粉车，所述第二粉料仓安装在所述铺粉车上，所述铺粉车位于所述第一粉料缸上方，所述铺粉车设置有粉末清扫装置，以将可将所述第一粉料缸和所述第二粉料仓的粉末分别铺展到所述成形
缸上，从而使多材料结构成形；应力应变测量器件，所述应力应变测量器件埋入到所述多材料结构中，以形成温度补偿测量系统，所述应力应变测量器件通过解调仪连接计算机，所述计算机用于处理所述应力应变测量器件输入的测量数据，以显示要测量的应力应变，所述应力应变测量器件连接有温度显示器，并反馈温度数据至所述计算机；埋入系统，用于将所述应力应变测量器件埋入到所述多材料结构中，所述埋入系统包括设置在所述成形腔内的供料架、设置在所述成形腔内的三轴运动组件以及安装在所述三轴运动组件的取放组件，所述供料架设置有供所述应力应变测量器件进行放置的卡位并设定有对应的编号，相应所述卡位的x方向和z方向的坐标信息和编号所对应的所述应力应变测量器件的信息存储在计算机中，所述取放组件通过所述三轴运动组件驱动，以将所述供料架上的所述应力应变测量器件埋入到多材料结构中，所述三轴运动组件还连接有粉末吸嘴，以将多材料结构的待埋入位置的粉末去除；以及定位系统，所述定位系统包括控制组件以及多个磁感应开关，各所述磁感应开关分别用于对三轴运动组件和所述供料架进行位置感应，所述控制组件接收所述磁感应开关的电信号，以对所述埋入系统进行控制。
9.上述激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，至少具有以下有益效果：上述技术方案中，突破了传统通过停机、人工放入测量元器件的方式，而是采用定位系统和基于xyz三轴平台的埋入系统结合，实现了应力应变测量器件在成形过程中的精确、自动埋入，提高了效率和测量精度。因此，本发明在保证测量信号的传输稳定性和测量数据的准确性同时，实现了零件结构的集成化，对于推动增材制造技术的进步具有重大作用。其中，应力应变测量器件包括光纤布拉格光栅和热电，本发明先使用单一材料成形预留有埋入光纤布拉格光栅和热电偶位置的结构；再使用定位系统获取埋入光纤布拉格光栅和热电偶的位置信息；然后根据位置信息通过三轴运动组件抓取光纤布拉格光栅和热电偶并放入待埋入位置；接下来便可成形多材料结构，使多材料界面位于光纤布拉格光栅的正上方，在成形过程中便可实现多材料结构界面应力应变的原位监测。
10.根据本发明第一方面的实施例，所述三轴运动组件包括设置在所述成形腔内的x轴运动组件、安装在所述x轴运动组件的y轴运动组件以及安装在y轴运动组件的z轴运动组件，所述x轴运动组件、所述y轴运动组件以及所述z轴运动组件分别安装所述磁感应开关，所述取放组件包括安装在所述z轴运动组件的旋转架以及设置在所述旋转架的多个电磁铁，所述粉末吸嘴安装在所述z轴运动组件的下端，所述旋转架在所述z轴运动组件上的安装高度位置高于所述粉末吸嘴，所述电磁铁通过卡具组件对所述应力应变测量器件进行抓取和埋入。
11.根据本发明第一方面的实施例，所述卡具组件包括相互匹配的上卡具和下卡具，所述应力应变测量器件与所述上卡具进行绑定，所述取放组件通过所述电磁铁对所述上卡具进行磁吸连接，所述下卡具在多材料结构进行成形，所述电磁铁通过抓取所述上卡具后将其与所述下卡具进行配合，从而将所述应力应变测量器件埋入到多材料结构中。
12.根据本发明第一方面的实施例，所述电磁铁设置有凸起，所述上卡具设置有与所述凸起配合的凹槽。
13.根据本发明第一方面的实施例，所述上卡具设置有机械锁止结构，所述下卡具成形有倒锥形结构，以引导所述上卡具的机械锁止结构插入。
14.根据本发明第一方面的实施例，所述应力应变测量器件包括光纤布拉格光栅和热
电偶。
15.根据本发明第一方面的实施例，所述光纤布拉格光栅包括由内到外依次包裹的纤芯、包层、涂覆层以及护套，所述护套为隔热材料，所述护套加工成半圆形，以便于所述光纤布拉格光栅安全可靠低埋入到多材料结构中，所述光纤布拉格光栅的应力应变测量结果由应力和温度共同引起。所述热电偶埋入到所述光纤布拉格光栅一侧并间隔分布，用于测量温度，以补偿所述光纤布拉格光栅由温度引起的测量结果。
16.根据本发明第一方面的实施例，所述应力应变测量器件满足：
17.δλb＝λb(1-pe)δε+λb(α-ξ)δt，其中，
18.δλb是反射波长的变化；δε为应变的变化；δt为温度的变化；pe为有效弹光系数；α为光纤的线性膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数；pe、α、ξ为标准系数；δλb由所述光纤布拉格光栅测得，通过解调仪处理在计算机上显示所求量δε；δt由所述热电偶测得。
19.根据本发明第一方面的实施例，所述激光选区熔化成形系统还包括粉末回收缸，用于回收成形过程中的多余粉末，所述粉末回收缸与所述第一粉料缸分别位于所述成形缸的两侧。
20.根据本发明第二方面的实施例，提供一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量方法，使用根据本发明第一方面实施例所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，包括以下步骤：
21.步骤s1，准备阶段；
22.激光选区熔化成形系统准备,使用三维建模软件建立多材料结构的模型和下卡具的模型，在需要埋入应力应变测量器件的位置，预留与应力应变测量器件尺寸一致的预留空间，将多材料结构和下卡具的模型数据进行切片，导入到slm设备中；添加粉末材料和成形基板到激光选区熔化成形系统中，将成形基板调平，完成激光选区熔化成形系统准备工作；
23.埋入系统准备，将应力应变测量器件与上卡具绑定后置于供料架的卡位上，通过控制组件对供料架不同卡位进行编号，用于确定卡位上放置的应力应变测量器件的种类，待埋入系统取用，使取放组件的旋转架垂直于z轴运动组件，完成埋入系统准备工作；
24.定位系统准备，将三轴运动组件各坐标轴归零，先z轴归零，然后使z轴运动组件回到安全位置,再进行x、y轴归零，然后再将三轴运动组件移动到安全位置，完成定位系统准备工作；
25.应力应变测量器件准备，连接好应力应变测量器件之间的线路；
26.步骤s2，成形阶段；
27.激光选区熔化成形系统工作，激光选区熔化成形系统使用材料a成形出预留有应力应变测量器件埋入位置的a材料实体，暂停成形，铺粉车回到第一粉料缸一侧；
28.埋入系统和定位系统工作，埋入系统先越过铺粉车，到达成形缸区域，然后从计算机读取待埋入位置和下卡具的位置信息，并将相关动作指令传输到埋入系统，埋入系统移动粉末吸嘴到相应位置，将待埋入位置粉末去除；随后从计算机系统中读取供料架上应力应变测量器件卡位的坐标信息和编号信息，并将相关动作指令传输到埋入系统，使取放组件运动到存放应力应变测量器件的卡位，电磁铁通电将与应力应变测量器件绑定的上卡具吸附，埋入系统吸取应力应变测量器件移动到待埋入位置并在移动过程中使旋转架向下旋
转90
°
，使上卡具和下卡具配合，电磁铁断电，取消与上卡具的吸附，应力应变测量器件便被放入预留的埋入位置；
29.埋入系统退回到安全位置，激光选区熔化成形系统继续使用材料a成形，使得应力应变测量器件被完全埋入；
30.步骤s3，测量阶段；
31.激光选区熔化成形系统在已成形的a材料实体的上方成形包含材料a区域和材料b区域的多材料结构，多材料结构的多材料界面位于应力应变测量器件的正上方；
32.在成形过程中，多材料界面的应力应变可以在计算机上实时的显示。
33.上述激光选区熔化多材料界面的应力原位测量方法，至少具有以下有益效果：在激光选区熔化过程中，使用材料a成形到应力应变测量器件待埋入位置时，暂停成形；通过定位系统，首先使用粉末吸嘴根据待埋入位置的坐标信息将待埋入位置的粉末吸除，然后将通过电磁铁吸取应力应变测量器件并放入到待埋入位置；继续成形，将应力应变测量器件埋入；然后便可成形多材料结构，在多材料结构成形过程中，实现多材料界面的应力应变原位测量。本发明在激光选区熔化成形多材料零件过程中，借助定位系统与埋入系统，在靠近材料界面处埋入可测量应力应变数据的光纤布拉格光栅和可测量温度的热电偶作为温度补偿，使光纤布拉格光栅可采集材料界面处的应力应变信号，最终实现在成形过程中实时、原位监测多材料零件界面的应力演变行为。
附图说明
34.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
35.图1是本发明实施例激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置的结构示意图；
36.图2是本发明实施例中埋入系统的结构示意图；
37.图3是本发明实施例中粉末吸嘴吸走待埋入位置粉末的结构示意图；
38.图4是本发明实施例中埋入系统将应力应变测量器件放入待埋入位置的结构示意图；
39.图5是本发明实施例中完成多材料界面应力应变测量后的多材料结构的结构示意图；
40.图6是本发明实施例中卡具组件的结构示意图；
41.图7是本发明激光选区熔化多材料界面的应力应变原位测量方法的流程示意图。
42.附图标记：激光选区熔化成形系统10，成形腔11，光路组件12，第二粉料仓13，第一粉料缸14，铺粉车15，粉末清扫装置16，成形缸17，粉末回收缸18；
43.埋入系统20，供料架21，三轴运动组件22，x轴运动组件221，y轴运动组件222，z轴运动组件223,取放组件23,旋转架231,电磁铁232,粉末吸嘴241，粉末吸嘴气管242，卡具组件25，上卡具251，下卡具252，机械锁止结构253，倒锥形结构254；
44.多材料结构31，材料a区域311，材料b区域312，多材料界面313，预留半圆型凹槽314，预留u型凹槽315，待埋入位置粉末316，光纤布拉格光栅32，热电偶33，温度显示器34，解调仪35，计算机36；
45.磁感应开关41。
具体实施方式
46.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
47.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
48.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
49.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
50.参照图1至图6，出示了一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，包括激光选区熔化成形系统10、应力应变测量器件、埋入系统20以及定位系统。
51.具体的，如图1所示，激光选区熔化成形系统10包括成形腔11、位于成形腔11上方的光路组件12、位于成形腔11下方的成形缸17、用于存放材料a的第一粉料缸14、用于存放材料b的第二粉料仓13以及位于第一粉料缸14和第二粉料仓13之间的铺粉车15，第二粉料仓13安装在铺粉车15上，铺粉车位于第一粉料缸14上方，铺粉车15设置有粉末清扫装置16，以将可将第一粉料缸14和第二粉料仓13的粉末分别铺展到成形缸17上，从而使多材料结构31成形。材料a和材料b均以粉末的形式进行存放，铺粉车6在电机的的驱动下可将第一粉料缸14或第二粉料仓13的粉末铺展到成形缸10上。
52.其中，光路组件12包括激光器、扩束镜或者准直镜、扫描振镜以及聚焦镜(f-θ镜)，光路组件12的具体结构，本领域技术人员可以知晓，此不再赘述。
53.另外，激光选区熔化成形系统10还包括粉末回收缸18，用于回收成形过程中的多余粉末，粉末回收缸18与第一粉料缸14分别位于成形缸17的两侧。
54.本实施例中，应力应变测量器件埋入到多材料结构31中，以形成温度补偿测量系统。具体的，结合图3和图4，应力应变测量器件包括光纤布拉格光栅32和热电偶33。进一步的，光纤布拉格光栅32包括由内到外依次包裹的纤芯、包层、涂覆层以及护套。为适应激光选区熔化的成形条件，护套加工成半圆形，护套为隔热材料，以便于光纤布拉格光栅32安全可靠低埋入到多材料结构31中。在多材料结构31需要埋入应力应变测量器件的位置设有供光纤布拉格光栅32埋入的预留半圆型凹槽314以及供热电偶33埋入的预留u型凹槽315。
55.光纤布拉格光栅32的应力应变测量结果由应力和温度共同引起。热电偶33埋入到光纤布拉格光栅32一侧并间隔分布，用于测量温度，以补偿光纤布拉格光栅32由温度引起的测量结果。应力应变测量器件通过解调仪35连接计算机36，计算机36用于处理应力应变测量器件输入的测量数据，以显示要测量的应力应变，应力应变测量器件连接有温度显示器34，并反馈温度数据至计算机36。
56.应力应变测量器件满足：δλb＝λb(1-peδε+λb(α-ξ)δt。
57.δλb＝λb(1-pe)δε+λb(α-ξ)δt。
58.其中，pe为有效弹光系数，α为光纤的线性膨胀系数，ξ为光纤材料的热光系数；pe、α、ξ为标准系数，可通过查阅相关标准获得。δλb是反射波长的变化；δε为应变的变化；δt为温度的变化；δλb由光纤布拉格光栅测得，通过解调仪处理在计算机上显示所求量δε；δt由热电偶测得。
59.结合图2至图5，埋入系统20是用于将应力应变测量器件埋入到多材料结构31中，埋入系统20包括设置在成形腔11内的供料架21、设置在成形腔11内的三轴运动组件22以及安装在三轴运动组件22的取放组件23，供料架21设置有供应力应变测量器件进行放置的卡位并设定有对应的编号，相应卡位的x方向和z方向的坐标信息和编号所对应的应力应变测量器件的信息存储在计算机中，取放组件23通过三轴运动组件22驱动，以将供料架21上的应力应变测量器件埋入到多材料结构31中，三轴运动组件22还连接有粉末吸嘴241，以将多材料结构31的待埋入位置的粉末去除。
60.参照图2，具体而言，三轴运动组件22包括设置在成形腔11内的x轴运动组件221、安装在x轴运动组件221的y轴运动组件222以及安装在y轴运动组件222的z轴运动组件223。本实施例中，x轴运动组件统包括单轴驱动器和直线运动导轨，安装在成形腔11的前后两个侧壁；y轴运动组件为一个单轴驱动器，安装在x轴运动组件上；z轴运动组件为一个电动伸缩缸，安装在y轴运动组件上；具体的连接位置关系，本领域技术人员可以参照图2进行设计。
61.取放组件23包括安装在z轴运动组件223的旋转架231以及设置在旋转架231的多个电磁铁232，取放组件23和粉末吸嘴241安装在电动伸缩缸的伸缩杆下端，旋转架231在z轴运动组件223上的安装高度位置高于粉末吸嘴241，具体高20mm。电磁铁232通过卡具组件25对应力应变测量器件进行抓取和埋入。
62.卡具组件25包括相互匹配的上卡具251和下卡具252，应力应变测量器件与上卡具251进行绑定，取放组件23通过电磁铁232对上卡具251进行磁吸连接，下卡具252在多材料结构31进行成形，电磁铁232通过抓取上卡具251后将其与下卡具252进行配合，从而将应力应变测量器件埋入到多材料结构31中。
63.应力应变测量器件与上卡具251绑定在一起，并置于供料架21上，光纤布拉格光栅32的两端分别绑定一个上卡具251，且两个上卡具的距离与取放组件23的两个电磁铁20之间的距离相同；热电偶33在一端绑定有一个上卡具。在应力应变测量器件被置于待埋入位置后，各卡具组件25可以固定应力应变测量器件，防止在后续slm成形过程中应力应变测量器件偏移埋入位置。
64.具体的，电磁铁232设置有凸起，上卡具251设置有与凸起配合的凹槽。如图6，上卡具251设置有机械锁止结构253，下卡具252成形有倒锥形结构254，以引导上卡具251的机械锁止结构插入。
65.定位系统包括控制组件以及多个磁感应开关41，各磁感应开关41分别用于对三轴运动组件22和供料架21进行位置感应，控制组件接收磁感应开关41的电信号，以对埋入系统20进行控制。本实施例中，磁感应开关41共设置五个，x轴运动组件221、y轴运动组件222以及z轴运动组件223分别一个安装磁感应开关41，供料架21安装两个磁感应开关41。
66.定位系统可以使埋入系统在x和y方向上归零时，z轴运动组件223的投影中心位于成形缸17的中心；使z轴运动系统归零时，粉末吸嘴241与成形腔17底面相距0.2mm；供料架21的两个磁感应开关41，其中一个位于光纤布拉格光栅32绑定的上卡具251的中心正上方，另一个位于热电偶33绑定的上卡具的中心正上方，供料架21的两个磁感应开关41在竖直方向上共线，且位于靠近操作者的一侧。
67.在其它一些实施例中，多材料结构的埋入物，即应力应变测量器件，不限于光纤布拉格光栅(fiber bragg gratings,fbg)和热电偶，还可以是其它铁磁性器件或者是可以与铁磁性材料绑定而不影响其功能的器件。埋入系统可以从计算机中读取应力应变测量器件埋入位置的准确位置信息以及供料架21上的卡位x方向和z方向的坐标以及元器件类型信息，并进行应力应变测量器件的待埋入位置粉末去除、埋入应力应变测量器件一系列操作。
68.本发明实施例还出示了一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量方法，使用上述激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，参照图7，包括以下步骤：
69.步骤s1，准备阶段。
70.s1.1，激光选区熔化成形系统10准备,使用三维建模软件建立多材料结构31的模型和下卡具252的模型，在需要埋入应力应变测量器件的位置，预留与应力应变测量器件尺寸一致的预留空间，光纤布拉格光栅32需要预留半圆型凹槽314，热电偶33需要预留u型凹槽315。同时，根据slm设备的精度，合理的设置公差，方便应力应变测量器件与预留位置、下卡具252与上卡具251的机械锁止结构253配合。将模型数据进行切片，导入到slm设备中；添加粉末材料和成形基板到激光选区熔化成形系统中，将基板调平，完成激光选区熔化成形系统准备工作。
71.s1.2，埋入系统20准备，将应力应变测量器件与上卡具251绑定后置于供料架21的卡位上，通过控制组件对供料架21不同卡位进行编号，用于确定卡位上放置的应力应变测量器件的种类，待埋入系统取用，使取放组件23的旋转架231垂直于z轴运动组件223，完成埋入系统准备工作。
72.s1.3，定位系统准备，将三轴运动组件22各坐标轴归零，先z轴归零，然后使z轴运动组件223的动伸缩缸回到安全位置,再进行x、y轴归零，然后再将三轴运动组件22移动到安全位置，完成定位系统准备工作。
73.s1.4，应力应变测量器件准备，连接好应力应变测量器件之间的线路。
74.步骤s2，成形阶段。
75.s2.1，激光选区熔化成形系统10工作，激光选区熔化成形系统10使用材料a成形出预留有应力应变测量器件埋入位置的a材料实体，暂停成形，铺粉车15回到第一粉料缸14一侧。
76.s2.2，埋入系统和定位系统工作，埋入系统先越过铺粉车15，到达成形缸17区域，然后从计算机读取待埋入位置和下卡具252的位置信息，并将相关动作指令传输到埋入系统，埋入系统移动粉末吸嘴241到相应位置，粉末吸嘴241连接有粉末吸嘴气管242，通过粉末吸嘴气管242吸气将待埋入位置粉末316去除。随后从计算机系统中读取供料架21上光纤布拉格光栅32卡位的坐标信息和编号信息，并将相关动作指令传输到埋入系统20，使取放组件运动到存放光纤布拉格光栅32的卡位，电磁铁232通电将与光纤布拉格光栅32绑定的上卡具251吸附，埋入系统吸取光纤布拉格光栅32移动到待埋入位置并在移动过程中使旋
转架231向下旋转90
°
，使上卡具251和下卡具252配合，电磁铁232断电，取消与上卡具251的吸附，光纤布拉格光栅32便被放入预留的埋入位置。
77.s2.3，再从计算机系统中读取供料架21上热电偶33卡位的坐标信息和编号信息，并将相关动作指令传输到埋入系统20，使取放组件运动到存放热电偶33的卡位，电磁铁232通电将与热电偶33绑定的上卡具251吸附，埋入系统吸取热电偶33移动到待埋入位置并在移动过程中使旋转架231向下旋转90
°
，使上卡具251和下卡具252配合，电磁铁232断电，取消与上卡具251的吸附，热电偶33便被放入预留的埋入位置。
78.s2.4，埋入系统20退回到安全位置，激光选区熔化成形系统10继续使用材料a成形，使得应力应变测量器件被完全埋入。
79.步骤s3，测量阶段。
80.s3.1，激光选区熔化成形系统10在已成形的a材料实体的上方成形包含材料a区域311和材料b区域312的多材料结构31，多材料结构31的多材料界面313位于应力应变测量器件的正上方；
81.s3.2，在成形过程中，多材料界面313的应力应变可以在计算机36上实时的显示。
82.本实施例中，参照图1和图2，出示了xyz坐标系，其中原点位于成形缸上的中心位置。由于相应卡位y方向的坐标信息未知，埋入系统20先要运动到y轴负方向的极限值，然后根据计算机中存储的相应卡位x方向和z方向的坐标运动到x、z的相应位置，随后，埋入系统再向y轴正方向运动，当靠近相应卡位上的磁感应开关41时，埋入系统20停止运动，此时电磁铁232中心与上卡具251中心重合。
83.可以理解的是，本发明在激光选区熔化过程中，使用材料a成形到应力应变测量器件待埋入位置时，暂停成形。通过定位系统，首先使用粉末吸嘴根据待埋入位置的坐标信息将待埋入位置的粉末吸除，然后将通过电磁铁吸取应力应变测量器件并放入到待埋入位置。继续成形，将应力应变测量器件埋入。然后便可成形多材料结构，在多材料结构成形过程中，实现多材料界面的应力应变原位测量。另外，本发明突破了传统通过停机、人工放入测量元器件的方式，而是采用定位系统和基于xyz三轴平台的埋入系统结合，实现了应力应变测量器件在成形过程中的精确、自动埋入，提高了效率和测量精度。因此，本发明在保证测量信号的传输稳定性和测量数据的准确性同时，实现了零件结构的集成化，对于推动增材制造技术的进步具有重大作用。
84.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于：包括激光选区熔化成形系统，所述激光选区熔化成形系统包括成形腔、位于所述成形腔上方的光路组件、位于所述成形腔下方的成形缸、用于存放材料a的第一粉料缸、用于存放材料b的第二粉料仓以及位于所述第一粉料缸和所述第二粉料仓之间的铺粉车，所述第二粉料仓安装在所述铺粉车上，所述铺粉车位于所述第一粉料缸上方，所述铺粉车设置有粉末清扫装置，以将可将所述第一粉料缸和所述第二粉料仓的粉末分别铺展到所述成形缸上，从而使多材料结构成形；应力应变测量器件，所述应力应变测量器件埋入到所述多材料结构中，以形成温度补偿测量系统，所述应力应变测量器件通过解调仪连接计算机，所述计算机用于处理所述应力应变测量器件输入的测量数据，以显示要测量的应力应变，所述应力应变测量器件连接有温度显示器，并反馈温度数据至所述计算机；埋入系统，用于将所述应力应变测量器件埋入到所述多材料结构中，所述埋入系统包括设置在所述成形腔内的供料架、设置在所述成形腔内的三轴运动组件以及安装在所述三轴运动组件的取放组件，所述供料架设置有供所述应力应变测量器件进行放置的卡位并设定有对应的编号，相应所述卡位的x方向和z方向的坐标信息和编号所对应的所述应力应变测量器件的信息存储在计算机中，所述取放组件通过所述三轴运动组件驱动，以将所述供料架上的所述应力应变测量器件埋入到多材料结构中，所述三轴运动组件还连接有粉末吸嘴，以将多材料结构的待埋入位置的粉末去除；以及定位系统，所述定位系统包括控制组件以及多个磁感应开关，各所述磁感应开关分别用于对三轴运动组件和所述供料架进行位置感应，所述控制组件接收所述磁感应开关的电信号，以对所述埋入系统进行控制。2.根据权利要求1所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于：所述三轴运动组件包括设置在所述成形腔内的x轴运动组件、安装在所述x轴运动组件的y轴运动组件以及安装在y轴运动组件的z轴运动组件，所述x轴运动组件、所述y轴运动组件以及所述z轴运动组件分别安装所述磁感应开关，所述取放组件包括安装在所述z轴运动组件的旋转架以及设置在所述旋转架的多个电磁铁，所述粉末吸嘴安装在所述z轴运动组件的下端，所述旋转架在所述z轴运动组件上的安装高度位置高于所述粉末吸嘴，所述电磁铁通过卡具组件对所述应力应变测量器件进行抓取和埋入。3.根据权利要求2所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于：所述卡具组件包括相互匹配的上卡具和下卡具，所述应力应变测量器件与所述上卡具进行绑定，所述取放组件通过所述电磁铁对所述上卡具进行磁吸连接，所述下卡具在多材料结构进行成形，所述电磁铁通过抓取所述上卡具后将其与所述下卡具进行配合，从而将所述应力应变测量器件埋入到多材料结构中。4.根据权利要求3所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于：所述电磁铁设置有凸起，所述上卡具设置有与所述凸起配合的凹槽。5.根据权利要求3所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于：所述上卡具设置有机械锁止结构，所述下卡具成形有倒锥形结构，以引导所述上卡具的机械锁止结构插入。6.根据权利要求3至5任意一项所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，
其特征在于：所述应力应变测量器件包括光纤布拉格光栅和热电偶。7.根据权利要求6所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于：所述光纤布拉格光栅包括由内到外依次包裹的纤芯、包层、涂覆层以及护套，所述护套为隔热材料，所述护套加工成半圆形，以便于所述光纤布拉格光栅安全可靠低埋入到多材料结构中，所述光纤布拉格光栅的应力应变测量结果由应力和温度共同引起。所述热电偶埋入到所述光纤布拉格光栅一侧并间隔分布，用于测量温度，以补偿所述光纤布拉格光栅由温度引起的测量结果。8.根据权利要求7所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于，所述应力应变测量器件满足：δλ
b
＝λ
b
(1-pe)δε+λ
b
(α-ξ)δt，其中，δλ
b
是反射波长的变化；δε为应变的变化；δt为温度的变化；pe为有效弹光系数；α为光纤的线性膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数；pe、α、ξ为标准系数；δλ
b
由所述光纤布拉格光栅测得，通过解调仪处理在计算机上显示所求量δε；δt由所述热电偶测得。9.根据权利要求3至5任意一项所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，其特征在于：所述激光选区熔化成形系统还包括粉末回收缸，用于回收成形过程中的多余粉末，所述粉末回收缸与所述第一粉料缸分别位于所述成形缸的两侧。10.一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量方法，其特征在于，使用权利要求3至9任意一项所述的激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，包括以下步骤：步骤s1，准备阶段；激光选区熔化成形系统准备,使用三维建模软件建立多材料结构的模型和下卡具的模型，在需要埋入应力应变测量器件的位置，预留与应力应变测量器件尺寸一致的预留空间，将多材料结构和下卡具的模型数据进行切片，导入到slm设备中；添加粉末材料和成形基板到激光选区熔化成形系统中，将成形基板调平，完成激光选区熔化成形系统准备工作；埋入系统准备，将应力应变测量器件与上卡具绑定后置于供料架的卡位上，通过控制组件对供料架不同卡位进行编号，用于确定卡位上放置的应力应变测量器件的种类，待埋入系统取用，使取放组件的旋转架垂直于z轴运动组件，完成埋入系统准备工作；定位系统准备，将三轴运动组件各坐标轴归零，先z轴归零，然后使z轴运动组件回到安全位置,再进行x、y轴归零，然后再将三轴运动组件移动到安全位置，完成定位系统准备工作；应力应变测量器件准备，连接好应力应变测量器件之间的线路；步骤s2，成形阶段；激光选区熔化成形系统工作，激光选区熔化成形系统使用材料a成形出预留有应力应变测量器件埋入位置的a材料实体，暂停成形，铺粉车回到第一粉料缸一侧；埋入系统和定位系统工作，埋入系统先越过铺粉车，到达成形缸区域，然后从计算机读取待埋入位置和下卡具的位置信息，并将相关动作指令传输到埋入系统，埋入系统移动粉末吸嘴到相应位置，将待埋入位置粉末去除；随后从计算机系统中读取供料架上应力应变测量器件卡位的坐标信息和编号信息，并将相关动作指令传输到埋入系统，使取放组件运动到存放应力应变测量器件的卡位，电磁铁通电将与应力应变测量器件绑定的上卡具吸附，埋入系统吸取应力应变测量器件移动到待埋入位置并在移动过程中使旋转架向下旋转
90
°
，使上卡具和下卡具配合，电磁铁断电，取消与上卡具的吸附，应力应变测量器件便被放入预留的埋入位置；埋入系统退回到安全位置，激光选区熔化成形系统继续使用材料a成形，使得应力应变测量器件被完全埋入；步骤s3，测量阶段；激光选区熔化成形系统在已成形的a材料实体的上方成形包含材料a区域和材料b区域的多材料结构，多材料结构的多材料界面位于应力应变测量器件的正上方；在成形过程中，多材料界面的应力应变可以在计算机上实时的显示。

技术总结
本发明公开了一种激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置及方法，涉及金属增材制造技术领域，其中，激光选区熔化多材料界面的应力原位测量装置，包括激光选区熔化成形系统、应力应变测量器件、埋入系统以及定位系统。在激光选区熔化过程中，使用材料A成形到应力应变测量器件待埋入位置时，暂停成形；通过定位系统，首先使用粉末吸嘴根据待埋入位置的坐标信息将待埋入位置的粉末吸除，然后将通过电磁铁吸取应力应变测量器件并放入到待埋入位置；继续成形，将应力应变测量器件埋入；然后便可成形多材料结构，在多材料结构成形过程中，实现多材料界面的应力应变原位测量。实现多材料界面的应力应变原位测量。实现多材料界面的应力应变原位测量。


技术研发人员：王迪 李扬 刘林青 唐锦荣 谭华 袁攀 王天宇
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.06.09
技术公布日：2023/10/19