CN107937910B - 一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测装置及检测和修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测装置及检测和修复方法，通过感应线圈控制成型件表面除熔池外温度保持一致，红外单色温度计通过可旋转的夹具固定在喷头上，通过喷头的运动带动红外单色高温计的变化。通过实验，红外单色高温计经过有缺陷的方法产生温度产生较大波动，对这些波动曲线进行主成分分析，得到影响缺陷主要因素，对主要因素进行聚类分析，得到相应的缺陷类型。知道缺陷类型后，根据扫描路径中喷头之间距离差找到缺陷定位坐标。之后，通过打磨或者从新熔化，达到消除缺陷目的。
Description
技术领域
本发明属于激光金属增材制造领域，涉及一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测装置及检测和修复方法。
背景技术
激光金属熔覆快速成型又叫激光直接成型。自20世纪90年代初期出现以来，因无污染且制备出的涂层与基材呈冶金组合等优点已成为当代材料表面改性的研究热点，已经在汽车工业、生物医疗、航空航天等多种工业领域具有很好应用前景。金属熔覆过程中，熔池与基板之间形成超高温度梯度，在超强温的冷却速度下，熔池瞬间凝固，周围的保护气体迅速冷却，熔池平面出现了较大的温度差。这种较大温度差引起较大的热应力。于此同时，这种较大温度差影响了熔覆层微观组织。偏离了延Z轴方向外延生长，延着R方向无序生长，这种无序性，产生较大组织应力。热应力和组织应力无法抵消，出现了裂纹、气泡、层间孔隙、球化等微小材质缺陷。这些非穿透性缺陷产生厚壁零件中，深度无法测量，其他修复技术无法发挥作用。一旦这些缺陷导致金属零件疲劳断裂，将产生灾难性后果。针对这种缺陷，目前还没有有效的在线检测、在线修复的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测装置及检测和修复方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测装置，包括用于安放成型件的基板，以及位于基板上方的喷头，夹具安装在喷头上，且能够旋转，夹具上安装有红外单色高温计；成型件的外侧套设有与其轮廓形状相适应的感应线圈。
本发明进一步的改进在于：
喷头由激光器、送粉器以及冷却水装置构成。
感应线圈的截面形状和尺寸根据成型件的形状确定。
感应线圈的截面形状为圆形或者方形。
感应线圈采用铜管制成，铜管外径3mm-10mm，制成线圈后内表面离成型件侧面2mm-20mm，线圈圈数为2-6圈。
一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测和修复方法，包括以下步骤：
1)根据基板上成型件的形状确定感应线圈的轮廓形状，并将其安装成型件上，使其上表面和成型件上表面位于同一水平面；
2)开始制作；调整喷头的高度，调节红外单色高温计聚焦点，使得红外单色高温计的聚焦点和喷头激光聚焦点的距离保持在2±0.5mm；喷头带动红外单色高温计运动
3)喷头带动红外单色高温计同步扫描，喷头在红外单色高温计的正前方，第一层扫描结束后，感应线圈、喷头和红外单色高温计上升一个成形层高度；若红外单色高温计得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤4)开始下一层的制作；
4)夹具顺时针旋转90°，喷头垂直于上一层方向扫描，此时喷头在红外单色高温计的正前方，扫描结束，感应线圈、喷头和红外单色高温计上升一个成形层高度；若红外单色高温计得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤5)开始下一层的制作；
5)夹具顺时针旋转90°，使喷头在红外单色高温计正后方，垂直于上一层方向扫描，扫描结束，感应线圈、喷头和红外单色高温计上升一个成形层高度；若红外单色高温计得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤6)开始下一层的制作；
6)喷头垂直于上一层方向扫描，夹具顺时针旋转90°，此时喷头在红外单色高温计的正前方，扫描结束，感应线圈、喷头和红外单色高温计上升一个成形层高度；若红外单色高温计得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤7)开始下一层的制作；
7)夹具顺时针旋转90°，喷头在红外单色高温计正前方，垂直于上一层方向扫描，扫描结束，感应线圈、喷头和红外单色高温计上升一个成形层高度；若红外单色高温计得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤9)；
8)通过温度曲线峰值变化，确定缺陷类型和位置；缺陷类型包括凸缺陷和凹缺陷；若缺陷为凸缺陷，则通过研磨给予消除，然后返回步骤2)；若缺陷为凹缺陷，则通过激光再次熔融给予补偿消除，然后返回步骤2)；
9)旋转夹具使其恢复到步骤3)的状态，重复步骤3)-步骤7)，制作过程中红外单色高温计反馈数据没有超过规定阈值，则认为成型件制作合格，制作完成。
进一步的，成形层的高度为0.5mm。
进一步的，步骤8)中，通过温度曲线峰值变化，确定缺陷类型和位置的具体方法如下：
把缺陷处曲线波动的数据记录为EVENTS集合，对EVENTS集合进行特征特取，通过主成分分析法对特征数据分析，得到主要影响因素，对主要影响因素进行聚类分析，通过聚类分析得到缺陷的类型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用了红外高温计检测金属熔覆试件表面缺陷的方法，一方面通过四层扫描达到扫描的全覆盖，制作过程不影响制作效率；另一方面可以迅速发现缺陷，并且精确定位；同时通过该发明这种方法在大面积熔覆过程中，通过熔覆层，实时检测熔覆层的缺陷情况，一方面可以优化工艺方法和参数尽可能减少熔覆层开裂，另一方面对金属熔覆粉末的研制有很好的参考价值。最后，本发明简单、方便、可靠，是特别有效的无损检测方法。
附图说明
图1为本发明检测装置的整体结构示意图；
图2为本发明喷头的扫描路径规划图；其中，a为喷头纵向扫描(延喷头运动方向，喷头在前，单色温度计在后)；b为喷头横向扫描(延喷头运动方向，喷头在前，单色温度计在后)；c为喷头经过纵向、横向两次扫描后未扫描到的部分；
图3为本发明喷头的扫描路径规划图；其中，a为喷头纵向扫描(延喷头运动方向，喷头在后，单色温度计在前)；b为喷头横向扫描(延喷头运动方向，喷头在后，单色温度计在前)；c为喷头经过纵向、横向两次扫描后未扫描到的部分；
图4为本发明的聚类分析图；
图5为本发明缺陷检测与修复的原理图；
图6为红外单色温度计采集温度数据；
图7为峰值顶点的横坐标。
其中：1-基板；2-成型件；3-感应线圈；4-喷头；5-红外单色高温计；6-夹具。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-7，本发明激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测装置，包括用于安放成型件2的基板1，以及位于基板1上方的喷头4，夹具6安装在喷头4上，且能够旋转，夹具6上安装有红外单色高温计5；成型件2的外侧套设有与其轮廓形状相适应的感应线圈3。喷头4由激光器、送粉器以及冷却水装置构成。感应线圈3的截面形状和尺寸根据成型件2的形状确定。感应线圈3的截面形状为圆形或者方形。感应线圈3采用铜管制成，铜管外径3mm-10mm，制成线圈后内表面离基体侧面2mm-20mm，线圈圈数为2-6圈。
本发明公开了一种感应加热控制激光金属熔覆快速成型过程中缺陷检测和修复方法，使得整个成型件上表面处于一个相对温差变化小的温度场，包括以下步骤：
1)根据基板1上成型件2的形状确定感应线圈3的轮廓形状，感应线圈3的形状和成型件2外轮廓形状成相似图形；感应线圈的截面形状和尺寸根据成型件2的形状确定，可以根据铜管弯曲成圆形或者方形，铜管外径3mm-10mm，线圈内表面离基体侧面2mm-20mm，线圈圈数为2-6圈；
2)红外单色高温计(LumaSense：IGA 320/23-LO,德国)5通过可以旋转的夹具6安装在喷头4上，喷头由激光器，送粉器，冷却水装置构成；
3)感应线圈3安装到合适位置，使感应线圈3上表面和成型件2上表面保持同一水平面；
4)打开电源，激光金属成型系统开始工作，调整喷头4的高度，调节红外单色高温计5聚焦点，使得红外单色高温计5的聚焦点和喷头4激光聚焦点圆心距保持5mm左右。喷头4带动红外单色高温计5随着控制系统水平运动；
5)喷头4带动红外单色高温计5，扫描制作的成型件2表面扫描，喷头4在红外单色高温计5的正前方，感应线圈3和激光器喷头4、红外单色高温计5上升一个成形层高度0.5mm，开始下一层的制作；
6)下一层制作前，喷头垂直于上一层扫描方向扫描，夹具6顺时针旋转90°，此时喷头4在红外单色高温计5的正前方，扫描结束，感应线圈3和喷头4、红外单色高温计5上升一个成形层高度0.5mm，开始下一层的制作；
7)夹具6旋转继续顺时针旋转90°，此时喷头4在红外单色高温计5正后方，垂直于上一层扫描方向扫描，扫描结束，感应线圈3和喷头4、红外单色高温计5上升一个成形层高度0.5mm，开始下一层的制作；
8)喷头4垂直于上一层扫描方向扫描，夹具6顺时针旋转90°，此时喷头4在红外单色高温计5的正前方，扫描结束，感应线圈3和喷头4、红外单色高温计5上升一个成形层高度0.5mm，开始下一层的制作；
9)夹具6旋转继续顺时针旋转90°，喷头4在红外单色高温计5正前方，垂直于上一层扫描方向扫描，扫描结束，感应线圈3和喷头4、红外单色高温计5上升一个成形层高度0.5mm，开始下一层的制作；
10)夹具6通过旋转恢复到(5)的状态，循环(5)-(9)，制作过程中红外单色高温计(5)反馈数据没有大的波动，默认成型件2制作合格，直到成型件2制作完成；
11)若通过数据分析系统分析到有巨大温差变化，此处可能为缺陷位置。
12)通过温度曲线峰值变化，确定缺陷类型，确定缺陷位置。
13)如果凸缺陷通过研磨给予消除，如果凹缺陷通过激光再次熔融给予补偿方式消除；
14)缺陷消除后，重复4)步骤，直到成型件2的完成。
本发明的原理：
本发明提供了缺陷检测和修复方法，采用线圈加热使得成型平面除熔池以外，温度变化较小，便于红外单色高温计检测温度变化情况。
本发明在成型过程中，喷头通过可以旋转的夹具带动红外单色高温计进行扫描。开始第一层喷头在红外单色高温计正后方，此时图2(a)中阴影部分未扫描。第二层喷头延垂直于上一层扫描方向扫描，夹具顺时针旋转90°，此时喷头仍然在红外单色高温计正后方，图2(b)阴影部分未扫描。通过两层扫描，可以看到图2(c)左下角的一个小正方形处红外高温计未曾扫描过。第三层制作过程中，喷头回到起初第一层开始的位置，夹具通过继续旋转90°使得红外高温计在喷头的正前方，第三层制作完成，可以看到，左下角小正方形已经完全覆盖。第三层扫描中，图3(a)阴影处红外单色高温计未扫描到。夹具继续瞬时间旋转90°，第四层制作，红外单色高温计仍然在喷头的正前方，延着垂直于上一层扫描方向扫描，图3(b)阴影部分红外高温计没有扫描到，通过第三，第四层制作，可以看到左上角阴影处小正方形图3(c)未曾扫描。夹具继续顺时针旋转90°，可以看到此时喷头回到了第一层制作时的起始状态，红外单色高温计在喷头的正后方。重复第一、第二、第三、第四层扫描方法，得到红外单色高温计的全覆盖。
如图6所示，成型件2制作过程中，通过红外单色高温计得到信号温度波动曲线中信号温度波动较大，超过了规定设定阈值，系统默认为缺陷处，停止制作。把此处曲线波动较大的数据记录为EVENTS集合。对EVENTS集合进行特征特取，例如对峰值，持续时间、极差，峰度等特征数据进行提取。通过主成分分析法对特征数据分析，得到具体前三个主要影响因素。对具体特征三个因素进行聚类分析，通过聚类分析具体的缺陷类型。图4给出缺陷处分成两类，一类为凸缺陷，另一类为凹缺陷。由于喷头和红外单色高温计之间距离是固定值，根据扫描路径容易找到缺陷处位置，根据聚类分析结果进行靶向修复。若缺陷为凸缺陷，通过铣床打磨除去，若为凹缺陷，根据坐标定位在该点处从新补偿熔融，达到修复目的。每做完四层后重复以上步骤，直到成型件2制作结束。图5为检测缺陷修复缺陷原理图。
为了说明高温计温度变化图像中曲线峰值变化处就是缺陷，做了以下实验：
通过316L金属粉末3D打印制作出一个为尺寸50mm×10mm×7mm(长×宽×高)的试件。通过激光制作1,2,3和4道裂纹，|AB|,|BC|,|CD|为相邻槽之间距离，通过尺子量得|AB|＝|BC|＝|CD|＝1(表1)，图6为红外单色高温计采集的温度曲线数据，可以看到4个明显的波峰。如图7所示，在波峰的顶点处取坐标值的横坐标，X1、X2、X3、X4。表2可以看到|X2-X1|≈1、|X3-X2|≈1、|X4-X3|≈1，即|X2-X1|＝|AB|、|X3-X2|＝|BC|、|X4-X3|＝|CD|,这就是说，红外单色高温计温度曲线变化的峰值处就是试件中缺陷的位置。
表1：相邻裂纹之间距离
表2：图像中曲线之间峰值之间水平距离
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测和修复方法，所述方法采用一种激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测装置，所述装置包括用于安放成型件(2)的基板(1)，以及位于基板(1)上方的喷头(4)，夹具(6)安装在喷头(4)上，且能够旋转，夹具(6)上安装有红外单色高温计(5)；成型件(2)的外侧套设有与其轮廓形状相适应的感应线圈(3)；喷头(4)由激光器、送粉器以及冷却水装置构成；感应线圈(3)的截面形状和尺寸根据成型件(2)的形状确定；感应线圈(3)的截面形状为圆形或者方形；感应线圈(3)采用铜管制成，铜管外径3mm-10mm，制成线圈后内表面离成型件(2)侧面2mm-20mm，线圈圈数为2-6圈；其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：根据基板(1)上成型件(2)的形状确定感应线圈(3)的轮廓形状，并将其安装成型件(2)上，使其上表面和成型件(2)上表面位于同一水平面；
步骤2：开始制作；调整喷头(4)的高度，调节红外单色高温计(5)聚焦点，使得红外单色高温计(5)的聚焦点和喷头(4)激光聚焦点的距离保持在2±0.5mm；喷头(4)带动红外单色高温计(5)运动
步骤3：喷头(4)带动红外单色高温计(5)同步扫描，喷头(4)在红外单色高温计(5)的正前方，第一层扫描结束后，感应线圈(3)、喷头(4)和红外单色高温计(5)上升一个成形层高度；若红外单色高温计(5)得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤4)开始下一层的制作；
步骤4：夹具(6)顺时针旋转90°，喷头(4)垂直于上一层方向扫描，此时喷头(4)在红外单色高温计(5)的正前方，扫描结束，感应线圈(3)、喷头(4)和红外单色高温计(5)上升一个成形层高度；若红外单色高温计(5)得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤5)开始下一层的制作；
步骤5：夹具(6)顺时针旋转90°，使喷头(4)在红外单色高温计(5)正后方，垂直上一层扫描方向扫描，扫描结束，感应线圈(3)、喷头(4)和红外单色高温计(5)上升一个成形层高度；若红外单色高温计(5)得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤6)开始下一层的制作；
步骤6：喷头(4)垂直于上一层扫描方向扫描，夹具(6)顺时针旋转90°，此时喷头(4)在红外单色高温计(5)的正前方，扫描结束，感应线圈(3)、喷头(4)和红外单色高温计(5)上升一个成形层高度；若红外单色高温计(5)得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤7)开始下一层的制作；
步骤7：夹具(6)顺时针旋转90°，喷头(4)在红外单色高温计(5)正前方，垂直于上一层扫描方向扫描，扫描结束，感应线圈(3)、喷头(4)和红外单色高温计(5)上升一个成形层高度；若红外单色高温计(5)得到信号温度波动曲线中信号温度波动超过固定阈值，则此处为缺陷处，停止制作，执行步骤8)；否则执行步骤9)；
步骤8：通过温度曲线峰值变化，确定缺陷类型和位置；缺陷类型包括凸缺陷和凹缺陷；若缺陷为凸缺陷，则通过研磨给予消除，然后返回步骤2)；若缺陷为凹缺陷，则通过激光再次熔融给予补偿消除，然后返回步骤2)；
步骤9：旋转夹具(6)使其恢复到步骤3)的状态，重复步骤3)-步骤7)，制作过程中红外单色高温计(5)反馈数据没有超过规定阈值，则认为成型件(2)制作合格，制作完成。
2.根据权利要求1所述的激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测和修复方法，其特征在于，成形层的高度为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的激光金属熔覆快速成型过程中的缺陷检测和修复方法，其特征在于，步骤8中，通过温度曲线峰值变化，确定缺陷类型和位置的具体方法如下：
把缺陷处曲线波动的数据记录为EVENTS集合，对EVENTS集合进行特征特取，通过主成分分析法对特征数据分析，得到主要影响因素，对主要影响因素进行聚类分析，通过聚类分析得到缺陷的类型。
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