CN106353284A - 基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，包括以下步骤：调整光纤探头的位置；当基于同轴送粉的金属直接沉积系统开始工作时，通过光纤探头采集制造过程中产生的光致等离子体光谱信号，并将上述光谱信号经光纤光谱仪送入计算机；实时观察不同波长的等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况，确定作为分析对象的特征谱线；对特征谱线相对辐射强度时域图进行滤波处理；结合所选特征谱线的时域图及滤波处理图像，判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度是否存在急剧波动或者变化；是则说明存在制造缺陷；否则说明不存在制造缺陷。上述诊断方法可快速准确地判断激光增材制造过程缺陷的产生、出现时刻及缺陷类型。

Description

基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法

技术领域

本发明涉及激光增材制造领域，特别涉及一种基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法。

背景技术

随着激光增材制造技术的不断更新和发展，其在家电、轻工、汽车等领域的产品研发中都得以广泛应用，但对激光增材制造制件性能的研究发现，制件性能尽管在个别指标能够达到同质材料的相应标准和规范，但总体上还是存在着一定的差距和很多不可避免的成型缺陷，其主要原因在于增材制造技术成形时“瞬态熔凝过程”所导致的制件内部的微观缺陷（如裂纹、气孔、夹渣、下塌等），以及增材制造工艺参数或设备等原因导致的缺陷（如孔洞、焊瘤、严重氧化等）。甚至由于工艺原因，容易导致结合层间的结合强度不够，性能不一致等问题，使成形结构性能达不到要求，进而限制了该技术的应用。因此，在保证激光增材制造过程成型效率的同时，进一步实现缺陷的在线诊断以至避免缺陷，对激光增材制造的发展尤为重要。

我国的王宇宁等通过建立比色红外测温系统，对激光快速成形过程的温度进行测量，研究了各工艺条件对激光快速成形温度的影响规律及对成形组织性能的影响；张保森等基于当量法缺陷评价理论，结合激光熔覆层组织引起的超声波衰减理论分析，对激光熔覆层中缺陷进行了无损评价；罗开玉等采用超声无损检测法对熔覆层的质量进行检测和分析，对激光熔覆参数对熔覆质量的影响机制进行理论分析，结合激光熔覆质量的超声波回波特征分析，确定熔覆层中缺陷的存在类型，并给出工艺参数的修改方向；闫晓玲等建立了激光熔覆再制造零件中超声传播及缺陷检测数学模型，模拟了激光熔覆再制造零件中横通孔、裂纹缺陷的回波信号，比较了数值模拟与实验测量结果的一致性；杨柳杉等利用电荷耦合器件CCD摄像机、图像采集卡和计算机等设备建立了一套激光熔覆熔池视觉检测系统，通过VC++平台结合图像处理算法，对CCD采集到的熔池图像进行阈值分割处理和伪彩色等处理，自主开发了一套用于熔池图像处理的专用软件，并建立了熔覆表面缺陷与熔池图像特征之间的关系模型；洪蕾等分析了激光熔覆熔凝中等离子体蓝紫光信号强度与熔覆层质量间的关系，结果表明检测到的信号波动较小时，熔覆层表面质量较好。进而表明，光谱诊断在质量检测上的应用，可以主要表现为对于光谱信号波动情况的研究，将信号的波动情况与实际成形相对应，进而实现由信号波动推断成型质量的研究。

Smurov等人使用辐射高温计测量加工区域熔池的温度分布，测量熔池形状与面积，并借助熔池面积与熔池深度的关联，间接计算熔覆层的高度；M.L. Griffith等人通过使用比色成像分析系统，获取熔池及周边热场的温度分布情况，进而利用温度场信息作为激光快速成形系统的反馈信息，实现质量控制；KobrynPA等采用高频（45MHz）自动水浸超声技术对金属粉末材料的密度、裂纹和未熔合的探测与表征等进行了研究测试，表明了超声检测在增材制品内部质量检测中的可行性；RometschPA等使用多色X射线技术，对选择性激光熔融的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金制品进行了射线检测灵敏度试验研究，结果表明，射线检测的分辨率不仅与材料的厚度有关，还与缺陷的位置有很大的关系，且对于2mm厚的该类制品，射线检测的分辨率为0.2mm，对于10mm的厚度，分辨率则不到2mm；JyotiMazumder等在增材制造过程中对铬的含量等情况进行光谱分析的实时监测。在熔覆成形过程中，实时测得Cr原子百分含量为20.96%，实时测得H13合金粉末中，Cr原子百分含量为5.27%。由此，实现了在增材制造过程中等离子体及熔池成分的分析、标定。

上述研究采用各种方法对焊接过程、熔覆过程以及增材制造过程进行了光谱诊断及检测，然而没有文献或方法对激光增材制造过程中的增材制造缺陷进行研究。

在激光增材制造过程中，激光束作为一种高能密度热源，当其辐射到金属材料上时会产生大量的金属蒸汽和高温高密度等离子体，从而辐射出对应的光信号。不同元素的等离子辐射光都对应特殊的波长，同时，在不同情况下其对应不同的辐射强度，而某种元素固定波长下辐射强度的波动或变化，则同样对应了不同的实验或生产情况，进而对应不同的成型效果。根据以上原理，本发明提出一种基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，本发明针对激光增材制造过程中的多种增材制造缺陷进行光谱诊断，利用增材制造过程中光致等离子体的特征元素谱线实时监测该过程，从而实现增材中增材制造缺陷的在线诊断。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，其中在线诊断装置包括光纤光谱仪，所述光纤光谱仪经数据线与计算机相连接，所述光纤光谱仪还经光纤与光纤探头相连接，所述光纤探头由机械万向杆进行固定，所述方法包括以下步骤： 步骤一、调整光纤探头的位置； 步骤二、当基于同轴送粉的金属直接沉积系统开始工作时，通过所述光纤探头采集激光增材制造过程中产生的光致等离子体光谱信号，并将上述光谱信号经光纤光谱仪送入计算机； 步骤三、从所述计算机的显示界面上实时观察不同波长的等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况，并确定作为分析对象的特征谱线； 步骤四、对所述特征谱线相对辐射强度时域图进行滤波处理； 步骤五、结合所选特征谱线的相对辐射强度随时间波动的时域图及相应的滤波处理图像，判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度是否存在急剧波动或者变化； 步骤六、如果存在，则说明在激光增材制造过程中存在制造缺陷； 步骤七、如果不存在，则说明在激光增材制造过程中不存在制造缺陷。

优选的是，在所述步骤一中，将所述光纤探头设置在距所述基于同轴送粉的金属直接沉积系统中的激光束的入射位置40~100mm、并且高出该系统中的基板上表面5~20mm的位置，同时还要确保所述光纤探头的采集位置与激光引导光在所述基板上表面的位置重合。

优选的是，所述光纤探头配以COL-UV/VIS 准直透镜。

优选的是，所述光纤光谱仪采样频率不小于10Hz，光谱分辨率不低于0.11nm。

优选的是，所述步骤四中，滤波处理方式采用均值滤波处理或者中值滤波处理。

优选的是，在所述步骤六中，还包括以下步骤： 步骤六一、判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度的图线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化； 步骤六二、如果是，则说明在激光增材制造过程中存在凹陷的缺陷； 步骤六三、如果否，判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度的图线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化；步骤六四、如果是，判断上述变化过程中的图线是否相对稳定； 步骤六五、如果是，则说明存在凸起缺陷； 步骤六六、如果否，则说明存在严重氧化缺陷。

本发明的该方案的有益效果在于上述基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，可以获得十分准确的光致等离子体光谱信息，并快速准确地判断激光增材制造过程缺陷的产生、出现时刻以及缺陷类型，以用于实际生产中激光增材制造的缺陷在线监测，并为下一步实现激光增材制造过程的在线质量控制打下了基础。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的光谱采集系统的原理示意图以及基于同轴送粉的金属直接沉积系统的简图。

图2示出了本发明所涉及的在线诊断方法的流程图。

图3示出了本发明实施例中增材成型实物示意图与光致等离子体光谱信息空域图、特征谱线相对辐射强度时域图的关联图。

图4示出了图3中的特征谱线相对辐射强度时域图的均值滤波图像。

图5示出了图3中的特征谱线相对辐射强度时域图的中值滤波图像。

图6示出了本发明实例中产生凹陷时宏观成型实物示意图与特征谱线相对辐射强度时域图的关联图。

图7示出了本发明实例中产生凸起（焊瘤）时宏观成型实物示意图与特征谱线相对辐射强度时域图的关联图。

附图标记：1-光纤光谱仪，2-计算机，3-光纤探头，4-机械万向杆，5-工作台，6-基板，7-激光束，8-粉末，9-Ar保护气，10-成型层，11-光致等离子体，A-第一区域，B-第二区域，C-第三区域，D-第四区域，E-第五区域，F-第六区域，G-第七区域，H-第八区域，I-第九区域，J-第十区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明所涉及的光谱采集系统包括光纤光谱仪1，所述光纤光谱仪1经数据线与计算机2相连接，所述光纤光谱仪1还经光纤与光纤探头3相连接，所述光纤探头3可由机械万向杆4进行固定，以便根据实际情况任意调节光纤探头3的位置以及角度，其中所述机械万向杆4可采用汉顿53653万向杆结构。

激光增材制造过程是基于同轴送粉的金属直接沉积系统进行的，基于同轴送粉的金属直接沉积系统属于现有技术，本实施例中只给出简图，如图1所示，基于同轴送粉的金属直接沉积系统包括由工控机配合三轴联动机械行走机构控制的工作台5，基板6放置于所述工作台5上，激光束7垂直照射在工件表面，聚焦位置在材料表面，同时按一定速率进行同轴送粉，进行激光增材制造，在增材制造过程中，将保护气以一定的流量进行输送，以防止成型层10的表面氧化。上述制造过程属于现有技术，在此不做详尽的说明。

在本实施例中，所述基板6采用316L不锈钢板材，所述基板6的加工规格均为120×60×5mm。增材粉末8采用316L粉末，所述粉末8的粒度范围为44~150μm。送粉器采用具有高精度和重复精度的GTVPF 2/2 型送粉器，送粉速率为13.4g/min。所述保护气采用Ar保护气9，流量为10L/min。所述激光束7由德国IPGPhotonics公司生产的YLS-6000型掺镱光纤激光器产生，该激光器的最大输出功率6000W，产生激光的波长范围在1060-1070 nm，光束质量BPP≥4.0，在本实施例中，将激光器的输出功率设定在1000W。所述光纤光谱仪1采用AvaSpec-ULS2048-8-USB2多通道型光纤光谱仪，可在接收外触发信号仅延迟1.3 µs后开始采样（时间抖动±21ns），最大采样频率可达900幅光谱/秒，采集波长范围为200~1100nm（光谱分辨率为0.11±0.001nm），在本实施例中，所述光纤光谱仪1的采样频率不小于10Hz，光谱分辨率不低于0.11nm。所述光纤探头3配以COL-UV/VIS 准直透镜。在具体制造过程中，可以将激光器的输出功率、扫描速度、送粉速率和保护气四个参数作为可控变量，分别分析其在产生较小波动或较大变化时，导致产生增材制造缺陷的情况，其中扫描速度是指所述工作台5由工控机配合三轴联动机械行走机构控制下的行走速度。

具体的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法的流程图如图2所示，所述方法包括以下步骤：

1）调整所述光纤探头3的位置：将所述光纤探头3设置在距所述激光束7的入射位置40~100mm、并且高出所述基板6上表面5~20mm的位置，同时还要确保所述光纤探头3的采集位置与激光引导光在基板6上表面的位置重合；如图2中步骤S201所示。

2）当基于同轴送粉的金属直接沉积系统开始工作时，也就是开始激光增材制造时，通过所述光纤探头3采集激光增材制造过程中产生的光致等离子体光谱信号，并将上述光谱信号经所述光纤光谱仪1送入所述计算机2，如图2中步骤S202所示。

3）从所述计算机2的显示界面上实时观察不同波长的等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况，并确定作为分析对象的特征谱线，如图2中步骤S203所示，具体的所述特征谱线要包括以下几个要素：强度适中、轮廓性好、特征明显、相对独立。

4）对所述特征谱线相对辐射强度时域图进行滤波处理，如图2中步骤S204所示，具体的滤波处理方式可采用均值滤波处理或者中值滤波处理。

5）结合所选特征谱线的相对辐射强度随时间波动的时域图及相应的滤波处理图像，判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度是否存在急剧波动或者变化，如图2中步骤S205所示。

6）如果存在，则说明在激光增材制造过程中存在制造缺陷，如图2中步骤S206所示。

7）如果不存在，则说明在激光增材制造过程中不存在制造缺陷，如图2中步骤S207所示。

对于步骤6中存在制造缺陷的情况下，可以通过以下步骤进一步判断是何种缺点：

1）判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度的图线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化。

2）如果是，则说明在激光增材制造过程中存在凹陷的缺陷。

3）如果否，判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度的图线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化。

4）如果是，判断上述变化过程中的图线是否相对稳定。

5）如果是，则说明存在凸起（焊瘤）缺陷。

6）如果否，则说明存在严重氧化缺陷。

实施例1

本实例中，激光增材制造形成的增材成型实物示意图如图3（a）所示，所述成型层10分为第一区域A、第二区域B以及第三区域C，所述第一区域A和第三区域C的成型层10在制造过程中有Ar保护气9进行保护，而所述第二区域B的成型层10在制造过程中没有Ar保护气9进行保护，这种情况就是模拟在生产过程中保护气产生较大变化时的情况。

在激光增材的制造过程中，通过所述光纤探头3采集激光增材制造过程中波长范围为200~1100nm的光致等离子体光谱信息，并将上述光谱信息经光纤光谱仪1送至计算机2中，通过对比确定对314~419nm波段进一步分析。采集过程中，基于采集到的光谱信息确定特征谱线相应的相对辐射强度，进而建立与增材制造过程相对应的空域图（波长、时间和强度间的关系），如图3（b）所示，实时观察不同波长的等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况，从中将强度适中、轮廓性好、特征明显、相对独立的FeI379.1nm和FeI384.0nm确定为特征谱线。

基于特征谱线FeI379.1nm的相对辐射强度，建立与增材制造过程相对应的时域图，如图3（c）所示，并对其进行合理的均值或者中值滤波处理，如图4-5所示，以对去除噪声因素干扰的图线的波动和变化情况进行研究。结合图3（a）中的增材成型实物示意图、图3（c）所示的特征谱线相对辐射强度时域图以及图4-5所示的滤波后的图像进行分析，通过分析相对辐射强度随时间的波动或变化情况，在线实时判断出增材制造缺陷是否出现及出现的时刻，以达到对增材制造过程缺陷监测的目的。

在本实施例中，可以看出所述第一区域A和第三区域C的成型层10在制造过程中有Ar保护气9进行保护，而所述第二区域B的成型层10在制造过程中没有Ar保护气9进行保护，结合图3（c）可以看出当保护气状态发生变化时，对应的光谱强度也会发生较明显变化，其变化与成形缺陷严格对应。即，有氩气保护时，增材成形较为良好，谱线相对辐射强度较低，波动性较小；而没有氩气保护时，增材成形很差，氧化严重，相对辐射强度相对较高，波动性较大。同时，通过对时域图的进一步进行均值滤波处理（如图4所示）或者进行中值滤波处理（如图5所示）可以更加科学、清楚地发现光谱相对辐射强度与缺陷的对应关系。

实施例2

本实施例中，激光增材制造形成的增材成型实物示意图如图6（a）所示，所述成型层10分为第四区域D，第五区域E，第六区域F以及第七区域G，所述第四区域D和第六区域F的成型层10在制造过程中激光器的输出功率为1200W，而所述第五区域E和第七区域G的成型层10在制造过程中激光器的输出功率为700W，这种情况就是模拟在生产过程中激光器的输出功率产生较大变化时的情况。

基于特征谱线FeI384.0nm的相对辐射强度，建立与增材制造过程相对应的时域图，如图6（b）所示，从图中可以看出当图线的状态由所述第四区域D和第六区域F的相对稳定状态出现陡降波动或者变化时（所述第五区域E和第七区域G），说明增材制造过程中存在凹陷缺陷。

实施例3

本实施例中，激光增材制造形成的增材成型实物示意图如图7（a）所示，所述成型层10分为第八区域H，第九区域I以及第十区域J，所述第八区域H和第十区域J的成型层10在制造过程中的扫描速度为5mm/s，而所述第九区域I的成型层10在制造过程中的扫描速度低于5mm/s，这种情况就是模拟在生产过程中扫描速度产生较大变化时的情况。

基于特征谱线FeI384.0nm的相对辐射强度，建立与增材制造过程相对应的时域图，如图7（b）所示，从图中可以看出当图线的状态由所述第八区域H和第十区域J的相对稳定状态出现陡升波动或者变化时（所述第九区域I），并且该变化过程中图线相对稳定，说明增材制造过程中存在凸起（焊瘤）缺陷。

通过以上三个实施例可以得出以下结论：所述特征谱线对应的相对辐射强度时域图及其滤波图像，处于动态稳定状态时，无增材制造缺陷产生；当其急剧波动或变化时，产生增材制造缺陷，具体表现为：图线状态由相对稳定状态出现陡降波动或变化时，出现凹陷缺陷（如图6所示）；图线状态由相对稳定状态出现陡升波动或变化，但变化过程中图线相对稳定时，出现凸起（焊瘤）缺陷（如图7所示）；图线状态由相对稳定状态出现陡升波动或变化，且变化过程中图线仍处于较不稳定波动状态时，出现氧化严重缺陷（如图3所示）。

本发明所涉及的基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，可以获得十分准确的光致等离子体光谱信息，并快速准确地判断激光增材制造过程缺陷的产生、出现时刻以及缺陷类型，以用于实际生产中激光增材制造的缺陷在线监测，并为下一步实现激光增材制造过程的在线质量控制打下了基础。

Claims (6)

1.一种基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，其中在线诊断装置包括光纤光谱仪，所述光纤光谱仪经数据线与计算机相连接，所述光纤光谱仪还经光纤与光纤探头相连接，所述光纤探头由机械万向杆进行固定，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 步骤一、调整光纤探头的位置； 步骤二、当基于同轴送粉的金属直接沉积系统开始工作时，通过所述光纤探头采集激光增材制造过程中产生的光致等离子体光谱信号，并将上述光谱信号经光纤光谱仪送入计算机； 步骤三、从所述计算机的显示界面上实时观察不同波长的等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况，并确定作为分析对象的特征谱线； 步骤四、对所述特征谱线相对辐射强度时域图进行滤波处理； 步骤五、结合所选特征谱线的相对辐射强度随时间波动的时域图及相应的滤波处理图像，判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度是否存在急剧波动或者变化； 步骤六、如果存在，则说明在激光增材制造过程中存在制造缺陷； 步骤七、如果不存在，则说明在激光增材制造过程中不存在制造缺陷。

2.根据权利要求1所述的基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，其特征在于：在所述步骤一中，将所述光纤探头设置在距所述基于同轴送粉的金属直接沉积系统中的激光束的入射位置40~100mm、并且高出该系统中的基板上表面5~20mm的位置，同时还要确保所述光纤探头的采集位置与激光引导光在所述基板上表面的位置重合。

3. 根据权利要求2所述的基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，其特征在于：所述光纤探头配以COL-UV/VIS 准直透镜。

4.根据权利要求1所述的基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，其特征在于：所述光纤光谱仪采样频率不小于10Hz，光谱分辨率不低于0.11nm。

5.根据权利要求1所述的基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，其特征在于：所述步骤四中，滤波处理方式采用均值滤波处理或者中值滤波处理。

6. 根据权利要求1至5中任意一项所述的基于光谱诊断的激光增材制造过程中缺陷的在线诊断方法，其特征在于：在所述步骤六中，还包括以下步骤： 步骤六一、判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度的图线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化；步骤六二、如果是，则说明在激光增材制造过程中存在凹陷的缺陷； 步骤六三、如果否，判断激光增材制造过程中特征谱线的相对辐射强度的图线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化； 步骤六四、如果是，判断上述变化过程中的图线是否相对稳定； 步骤六五、如果是，则说明存在凸起缺陷； 步骤六六、如果否，则说明存在严重氧化缺陷。