CN108608118A - 基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其解决了现有激光增材制造缺陷诊断方法只能诊断零件在高度或宽度方向上的缺陷的技术问题；步骤1，利用CCD相机拍摄熔池图像；步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号导入计算机；步骤3，根据比色测温原理处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；步骤4，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；步骤5，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。本发明广泛应用于激光增材制造技术领域。

Description

基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法

技术领域

本发明涉及一种激光增材制造缺陷诊断方法，特别是涉及一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法。

背景技术

激光增材制造技术是一种制造三维实体的数字化新技术，它能制造任意复杂结构的零件，也能制造梯度功能材料，且中间加工环节少，具有制造周期短和成本低等特点，目前已经应用在航空航天、汽车和医疗等领域。但是，通过研究由激光增材制造技术制造的零件结构和性能，发现零件的部分性能有时较难达到理想的效果，而且有些零件的外形也难以达到理论设计的宏观形貌，导致这些差异产生的主要原因便是在激光增材制造的过程中存在各种形式的内部缺陷，主要包括气孔、裂纹、夹渣和表面不平等，同时由于激光增材制造过程存在干扰等原因也会导致零件在高度和宽度方向上的不一致性，进而产生零件宏观形貌上的明显差异。由于制造过程存在着各种缺陷，激光增材制造零件也随之产生质量问题，这成为制约激光增材制造技术进一步发展的重要原因。因此，激光增材制造过程的质量控制成为该领域研究的一个重要方向，而质量控制的前提则是在激光增材制造过程中能诊断缺陷的产生，所以探究缺陷诊断方法对激光增材制造技术的发展尤为重要。

目前，国内外对激光增材制造缺陷诊断方法的研究大多数是关于零件的宏观形貌缺陷，而且仅限于诊断零件在高度方向或宽度方向上的一种宏观形貌缺陷。例如，杨柳杉在“基于CCD的激光熔覆熔池宽度的在线检测研究”论文中指出，使用CCD相机实时采集熔池图像，并通过自主开发的图像处理软件对熔池图像进行一系列的处理，可以实时获得熔池宽度，从而能在线检测熔覆层的宽度变化。这种关于零件宏观形貌的缺陷诊断方法存在着不足之处，由于激光增材制造过程中激光熔覆头移动形成单道熔覆层，零件则是由单道熔覆层逐层累计形成，因此单道熔覆层的高度和宽度直接影响了零件最终的高度和宽度，然而由此种方法只能诊断单道熔覆层在宽度方向上存在着宏观形貌缺陷，而不能诊断出单道熔覆层在高度方向上存在着宏观形貌缺陷，以至于将此种方法作为基础的质量控制应用在激光增材制造过程中，最终得到的零件在高度方向上依然存在着宏观形貌缺陷。

在激光增材制造过程中，基板表面由于高能激光的作用而变热形成熔池，熔池包含许多能反映零件成型质量的重要信息，如熔池的宽度和面积都可以反映出零件最终的宽度，熔池温度是零件成型质量的一个重要参考等。例如，雷剑波在“数字图像处理在激光再造熔池温度场检测中的应用”论文中指出，采用非接触式测温方法，将CCD相机拍摄到的熔池图像经过数字图像处理技术处理后，根据普朗克辐射定律可以计算得到激光熔池的温度场。又比如，姜淑娟在“金属粉末激光成形过程中的熔池温度场检测与控制研究”论文中指出，利用黑白CCD相机和两个不同波长的滤光片来采集激光熔池图像，采用比色测温法来计算熔池温度，再经PID-模糊复合控制熔池温度场，可以得到质量较好的零件。以上论文主要探究了激光增材制造过程中熔池温度场的检测方法，但是都没有对同时利用CCD相机测量熔池温度和尺寸来诊断激光增材制造过程产生的宏观形貌缺陷进行有关研究。

发明内容

本发明针对现有激光增材制造缺陷诊断方法只能诊断零件在高度或宽度方向上的缺陷的技术问题，提供一种能诊断零件在高度和宽度方向上的缺陷的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法。

为此，本发明的技术方案是，其使用的装置设有CCD相机，CCD相机前端连接有相机镜头，CCD相机后端通过视频连接线连接有计算机；其特征是，包括以下步骤：

步骤1，利用CCD相机实时拍摄熔池图像；

步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号导入计算机内保存；

步骤3，根据比色测温原理实时处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；

步骤4，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；

步骤5，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。

优选地，CCD相机保持与激光束同轴安装在激光熔覆头上，CCD相机与激光熔覆头保持相对静止。

优选地，CCD相机为彩色相机，最低照度小于或等于0.1Lux，帧率大于或等于12fps。

优选地，步骤3的具体步骤是：

1)读取熔池图像信息；

2)裁剪熔池图像并使熔池处于图像的中央位置；

3)滤波处理裁剪后的熔池图像以消除图像噪声；

4)将滤波后的熔池图像进行灰度变换转化为灰度图像；

5)阈值分割处理灰度图像以获得熔池的二值图像；

6)利用开运算处理熔池的二值图像；

7)计算开运算后的二值图像上白色像素点的个数从而得到熔池面积的大小；

8)读取开运算后的二值图像上白色像素点所对应的坐标；

9)获取开运算后的二值图像上白色像素点在滤波后的熔池图像上所对应的RGB值；

10)根据RGB值计算熔池温度的大小。

优选地，步骤10)具体指，

选取RGB值中的G值和B值，其中G值为绿色像素值，B值为蓝色像素值，将熔池上每个点所对应的G值和B值代入维恩辐射定律公式，从而求得熔池上每个点的温度值，再对熔池上每个点的温度值进行求和，并除以白色像素点的个数得到熔池上每个点的平均温度，将平均温度作为这个时刻对应的熔池温度。

优选地，步骤4中，还包括判断激光增材制造过程在高度方向上产生缺陷的类型，步骤是：

根据熔池温度的时域图，判断熔池温度所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；如果是，则表明零件产生缺陷的类型为凸起；如果不是，则表明零件产生缺陷的类型为凹陷。

优选地，步骤5中，还包括判断激光增材制造过程在宽度方向上产生缺陷的类型，步骤是：

根据熔池面积的时域图，判断熔池面积所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；如果是，则表明零件产生缺陷的类型为宽度变宽；如果不是，则表明零件产生缺陷的类型为宽度变窄。

本发明的有益效果是：本发明利用彩色CCD相机实时拍摄熔池图像，通过对熔池图像进行图像处理以得到熔池温度和熔池面积的时域图，根据熔池温度的时域图，可以判断激光增材制造过程在高度方向上是否产生缺陷，以及缺陷产生的时刻和类型；根据熔池面积的时域图，可以判断激光增材制造过程在宽度方向上是否产生缺陷，以及缺陷产生的时刻和类型。在实际生产中能快速、准确和全面地诊断零件产生的宏观形貌缺陷，从而为进一步的激光增材制造过程的质量控制提供了必要的基础。

附图说明

图1为激光增材制造过程缺陷诊断系统连接示意图；

图2为基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断流程图；

图3为本实施例处理熔池数字图像信号流程图；

图4为判断激光增材制造过程在高度方向上缺陷类型流程图；

图5为判断激光增材制造过程在宽度方向上缺陷类型流程图；

图6为激光增材制造过程零件产生宏观形貌缺陷的示意图；

图7为激光增材制造过程中第六层熔覆层熔池温度的时域图；

图8为激光增材制造过程中第六层熔覆层熔池面积的时域图。

图中符号说明

1.计算机；2.视频连接线；3.CCD相机；4.激光束；5.激光熔覆头；6.反光镜；7.金属粉末；8.工作台；9.基板；10.熔覆层；11.相机镜头；A.第一段；B.第二段；C.第三段。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

如图1所示，在激光增材制造过程中，基板9放置在工作台8上，激光束4从激光熔覆头5中射出，垂直照射在基板9上，基板9表面由于吸收激光束4的高能量受热而形成熔池，金属粉末7在送粉器的作用下进入熔池而熔化，当激光熔覆头5向前移动时，熔池失去了热量来源，和熔化的金属粉末7一起迅速冷却凝固，从而形成了熔覆层10，在沉积熔覆层10的过程中，将保护气体以一定的流量进行输送，防止熔覆层10的表面氧化。通过控制激光熔覆头5的移动轨迹，熔覆层10便能实现逐层累积完成三维实体的制造。由于激光增材制造技术属于现有技术，所以此处不再详细地说明。

本实施例使用的装置包括CCD相机3、相机镜头11、视频连接线2和计算机1，相机镜头11安装在激光熔覆头5上，CCD相机3前端连接相机镜头11，后端通过视频连接线2与计算机1连接。CCD相机3为彩色相机，最低照度小于或等于0.1Lux，帧率大于或等于12fps，保持与激光束4同轴安装在激光熔覆头5上，激光增材制造过程中与激光熔覆头5保持相对静止。CCD相机3选择日本Watec生产的型号为WAT-250D2的彩色相机，其最低照度为0.02Lux，自动增益控制、白平衡调节和背光补偿功能可以关闭。

图1中的虚线表示光信号的传播路径，反光镜6与水平面呈45°放置，安装在激光熔覆头5上的相机镜头11中还存在另一个平行的反射镜，这样便实现CCD相机3与激光熔覆头5在工作过程中保持相对静止。

如图2所示，一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，在激光增材制造装置工作过程中，基板9表面受热形成的熔池会反射光信号，光信号进入激光熔覆头5中，经由相机镜头11传到CCD相机3的芯片上，从而形成了熔池图像，实现利用CCD相机3实时拍摄熔池图像；

步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号，经过视频连接线2传到计算机1内保存；

步骤3，计算机1有已完成安装的图像处理软件，当熔池数字图像信号保存到计算机1中时，根据比色测温原理实时处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；

步骤4，当计算机1完成对熔池数字图像信号的处理时，在显示界面上会呈现处理后的熔池温度的时域图，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；

步骤5，当计算机1完成对熔池数字图像信号的处理时，在显示界面上会呈现处理后的熔池面积的时域图，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。

如图3所示，步骤3中，实时处理熔池数字图像信号的过程，包括以下步骤：

1)读取熔池图像信息；

2)裁剪熔池图像并使熔池处于图像的中央位置；

3)滤波处理裁剪后的熔池图像以消除图像噪声；

4)将滤波后的熔池图像进行灰度变换转化为灰度图像；

5)阈值分割处理灰度图像以获得熔池的二值图像；

6)利用开运算处理熔池的二值图像；

7)计算开运算后的二值图像上白色像素点的个数从而得到熔池面积的大小；

8)读取开运算后的二值图像上白色像素点所对应的坐标；

9)获取开运算后的二值图像上白色像素点在滤波后的熔池图像上所对应的RGB值；

10)根据RGB值计算熔池温度的大小：选取RGB值中的G值和B值，其中G值为绿色像素值，B值为蓝色像素值，将熔池上每个点所对应的G值和B值代入维恩辐射定律公式，从而求得熔池上每个点的温度值，再对熔池上每个点的温度值进行求和，并除以白色像素点的个数得到熔池上每个点的平均温度，将平均温度作为这个时刻对应的熔池温度。

如图4所示，步骤4中，判断激光增材制造过程在高度方向上产生缺陷的类型，具体步骤如下：

1)根据熔池温度的时域图，判断熔池温度所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；

2)如果是突然升高的变化，表明在激光增材制造过程中零件产生缺陷的类型为凸起；

3)如果不是突然升高的变化，则说明熔池温度所发生的急剧变化为突然降低的变化，表明在激光增材制造过程中零件产生缺陷的类型为凹陷。

如图5所示，步骤5中，判断激光增材制造过程在宽度方向上产生缺陷的类型，具体步骤如下：

1)根据熔池面积的时域图，判断熔池面积所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；

2)如果是突然升高的变化，表明在激光增材制造过程中零件产生缺陷的类型为宽度变宽；

3)如果不是突然升高的变化，则说明熔池面积所发生的急剧变化为突然降低的变化，表明在激光增材制造过程中零件产生缺陷的类型为宽度变窄。

本实施例的其它装置选型为：基板9采用的是Al2024板材，其加工规格为100×60×5mm；金属粉末7采用的是AlSi12粉末；送粉器采用的是具有高精度和重复精度的GTVPF2/2型送粉器；保护气体采用的是Ar保护气体；激光束4由激光器产生，激光器采用的是德国IPGPhotonics公司生产的型号为YLS-6000掺镱光纤激光器，其最大输出的激光功率为6000W，产生的激光波长在1060-1070nm范围内，光束质量BPP≥4.0；激光熔覆头5采用的是型号为YC52的激光熔覆头，其内部光路可以实现CCD相机3与激光束4的同轴安装，且与相机镜头11为一体制造；视频连接线2采用的是普通的视频连接线，其能将CCD相机3输出的视频信号传给计算机1中；工作台8采用的是由工控机配合三轴联动机械行走机构控制的工作台。

在激光增材制造过程中，一般情况下影响零件成型质量的工艺参数有激光功率、扫描速度、送粉速率和保护气体流量，因此可以通过控制这几个工艺参数来人为地实现激光增材制造零件产生在高度方向和宽度方向上的宏观形貌缺陷。

如图6所示，本实施例选择激光功率作为此次的唯一控制变量进行缺陷诊断分析。利用上述的激光增材制造技术沉积一个长为90mm的熔覆层10，熔覆层10一共有六层，前五层的激光功率为1800W，第六层熔覆层一共分为三段：第一段A长25mm，激光功率为1800W；第二段B长40mm，激光功率为1200W；第三段C长25mm，激光功率为1800W。其它的工艺参数选取的是：扫描速度为800mm/min，送粉速率为0.5L/min，保护气体流量为8L/min，激光焦距为6mm。

在沉积长为90mm的熔覆层10过程中，利用上述的诊断方法，可以得到此次激光增材制造过程熔池温度和熔池面积的时域图。如图7所示，为本次实施例中激光增材制造过程中第六层熔覆层熔池温度的时域图，从熔池温度的时域图上可以看出，熔覆层10在激光功率改变的第二段B上熔池温度发生了急剧变化，表明第六层熔覆层在第二段B上产生高度方向上的缺陷，进一步地观察可知，第二段B上熔池温度所发生的急剧变化为突然降低的变化，表明在激光增材制造过程中零件产生缺陷的类型为凹陷。如图8所示，为本次实施例中激光增材制造过程中第六层熔覆层熔池面积的时域图，从熔池面积的时域图上可以看出，熔覆层10在激光功率改变的第二段B上熔池面积发生了急剧变化，表明第六层熔覆层在第二段B上产生宽度方向上的缺陷，进一步地观察可知，第二段B上熔池面积发生的急剧变化为突然降低的变化，表明在激光增材制造过程中零件产生缺陷的类型为宽度变窄。同时，通过熔池温度和熔池面积的时域图可以知道，高度方向和宽度方向上缺陷产生的时刻都为激光功率开始发生变化的时刻，也就是开始沉积第六层熔覆层第二段B的时刻。

本发明利用彩色CCD相机实时拍摄熔池图像，通过图像处理对熔池图像进行处理得到熔池温度和熔池面积的时域图。根据熔池温度的时域图，判断激光增材制造过程在高度方向上是否产生缺陷以及缺陷产生的时刻和类型；根据熔池面积的时域图，判断激光增材制造过程在宽度方向上是否产生缺陷以及缺陷产生的时刻和类型。从而克服了现有技术中诊断的缺陷类型较为单一的不足。本发明可以应用于实际生产中来快速、准确和全面地诊断零件产生的宏观形貌缺陷，从而为进一步的激光增材制造过程的质量控制提供了必要的基础。

惟以上者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (7)

1.一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其使用的装置设有CCD相机，所述CCD相机前端连接有相机镜头，所述CCD相机后端通过视频连接线连接有计算机；其特征是，包括以下步骤：

步骤1，利用CCD相机实时拍摄熔池图像；

步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号导入计算机内保存；

步骤3，根据比色测温原理实时处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；

步骤4，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；

步骤5，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。

2.根据权利要求1所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述CCD相机保持与激光束同轴安装在激光熔覆头上，所述CCD相机与激光熔覆头保持相对静止。

3.根据权利要求2所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述CCD相机为彩色相机，最低照度小于或等于0.1Lux，帧率大于或等于12fps。

4.根据权利要求1所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤是：

1)读取熔池图像信息；

2)裁剪熔池图像并使熔池处于图像的中央位置；

3)滤波处理裁剪后的熔池图像以消除图像噪声；

4)将滤波后的熔池图像进行灰度变换转化为灰度图像；

5)阈值分割处理灰度图像以获得熔池的二值图像；

6)利用开运算处理熔池的二值图像；

7)计算开运算后的二值图像上白色像素点的个数从而得到熔池面积的大小；

8)读取开运算后的二值图像上白色像素点所对应的坐标；

9)获取开运算后的二值图像上白色像素点在滤波后的熔池图像上所对应的RGB值；

10)根据RGB值计算熔池温度的大小。

5.根据权利要求4所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述步骤10)具体指，

选取RGB值中的G值和B值，其中G值为绿色像素值，B值为蓝色像素值，将熔池上每个点所对应的G值和B值代入维恩辐射定律公式，从而求得熔池上每个点的温度值，再对熔池上每个点的温度值进行求和，并除以白色像素点的个数得到熔池上每个点的平均温度，将平均温度作为这个时刻对应的熔池温度。

6.根据权利要求1所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述步骤4中，还包括判断激光增材制造过程在高度方向上产生缺陷的类型，步骤是：

根据熔池温度的时域图，判断熔池温度所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；如果是，则表明零件产生缺陷的类型为凸起；如果不是，则表明零件产生缺陷的类型为凹陷。

7.根据权利要求1所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述步骤5中，还包括判断激光增材制造过程在宽度方向上产生缺陷的类型，步骤是：

根据熔池面积的时域图，判断熔池面积所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；如果是，则表明零件产生缺陷的类型为宽度变宽；如果不是，则表明零件产生缺陷的类型为宽度变窄。