CN108802165B - 具光谱超声复合在线检测功能的增材加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具光谱超声复合在线检测功能的增材加工系统及方法，本发明增材加工过程中，利用脉冲激光辐照已形成的沉积层表面金属，气化和电离沉积材料，形成金属蒸汽和等离子体的混合物；同时，在沉积层内部产生超声波。光谱仪采集等离子体的光谱信号，来检测金属成分及含量。激光超声探测仪采集超声波信号，来检测沉积层的缺陷和晶体结构。本发明可实现沉积层的金属成分及含量、以及缺陷、晶体结构等多维度信息的同步高精度在线检测，是一种具有革命性的增材加工在线质量检测方法。本发明还将检测数据反馈给控制单元，控制单元根据检测数据控制加工过程，从而为增材加工过程中质量和缺陷的控制提供技术支撑。

Description

具光谱超声复合在线检测功能的增材加工系统及方法

技术领域

本发明涉及金属材料的增材制造领域，具体地涉及一种具光谱超声复合在线检测功能的增材加工系统及方法。

背景技术

增材制造技术是根据三维实体模型，利用离散堆积原理来实现快速成形的技术，可以直接制造各种材料的复杂结构零部件，具有广泛的应用前景。但是，金属增材制造过程涉及复杂的金属熔化凝固等冶金过程，对加工材料纯度要求极高，合金成分控制不当极易产生元素偏析、裂纹、晶粒取向集中、晶粒尺寸粗大等缺陷，有机物和气体的侵入还可能导致气孔、氧化、氮化等缺陷。元素成分、缺陷和晶粒组织结构也是金属构件显微组织与力学性能的决定性因素。因此，增材制造构件中元素成分、缺陷和晶粒组织结构的实时检测对质量控制而言，显得尤为重要。实时检测应涉及合金元素、气孔、裂纹、晶粒尺寸、取向等，检测对象复杂、种类各异，现有单一检测技术手段很难有如此宽泛的检测范围，如冶金领域常用的激光诱导等离子体发射光谱检测技术，只能检测金属元素，有可能探测缺陷，但无法探测到晶粒取向。超声可以用来精确检测缺陷与晶粒组织结构，但不能检测元素成分。

发明内容

本发明将激光诱导等离子体发射光谱检测技术与激光超声检测相结合，提供了一种具光谱超声复合在线检测功能的增材加工系统及方法。

本发明基本思路为：

激光诱导等离子体发射光谱检测技术中，采用脉冲激光器作用于沉积层表面，可使沉积材料气化并电离成等离子体与金属蒸汽的混合物。光谱仪根据等离子体的光谱信号即可检测沉积层的金属成分及含量。激光超声检测则是利用脉冲激光激发超声波，超声波在金属材料内部传播，激光超声探测仪可以探测该超声波，由此检测沉积层的缺陷和晶粒结构。激光诱导等离子体发射光谱检测技术与激光超声检测技术大多使用纳秒波段的脉冲激光器，采用一部脉冲激光器即可提供两种检测，且能覆盖金属成分及含量、缺陷与晶粒结构的检测。

本发明提供的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工系统，包括增材加工子系统和光谱超声复合在线检测子系统；

所述增材加工子系统用来进行金属增材加工，增材加工子系统包括用来进行金属增材加工过程控制的控制单元；

所述光谱超声复合在线检测子系统包括脉冲激光器、激光光路单元、激光头、光谱仪、光谱仪光路单元、光谱采集头、激光超声探测仪、超声信号传输线缆、超声采集头和采集头运动控制机构；脉冲激光器、光谱仪、激光超声探测仪、采集头运动控制机构均连接控制单元；激光头、光谱采集头和超声采集头均固定于一固定支架上，采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动该固定支架在沉积层上方扫描；

脉冲激光器通过激光光路单元连接激光头，脉冲激光器用来产生激光束，激光光路单元用来将产生的激光束传输至激光头，激光头将激光束作用于形成的沉积层上；

光谱仪通过光谱仪光路单元连接光谱采集头，光谱采集头用来采集沉积层上方的光谱信号，并将采集的光谱信号通过光谱仪光路单元传输至光谱仪，光谱仪根据光谱信号检测沉积层的金属成分及含量，并将检测结果反馈至控制单元；

激光超声探测仪通过超声信号传输线缆连接超声采集头，超声采集头用来采集沉积层上方的超声波信号，并将采集的超声波信号通过超声信号传输线缆传输至激光超声探测仪，激光超声探测仪根据超声波信号检测沉积层的缺陷与晶粒结构特征，并将检测结果反馈至控制单元。

进一步的，所述增材加工子系统采用激光选区熔化成形装置、激光净近成形装置、电子束选区熔化成形装置、电子束直接成形装置或电弧成形装置。

进一步的，所述增材加工子系统进一步包括控制单元、高能束发生单元、高能束传输单元、加工头运动控制机构、加工头和载物台；

高能束发生单元和加工头运动控制机构均连接控制单元；

高能束发生单元用来产生能量束，高能束传输单元用来将能量束传输至加工头，加工头用来使用能量束熔化金属原料并在载物台上形成熔池；

加工头运动控制机构用来带动加工头按预设的路径运动。

进一步的，所述光谱仪波段覆盖200纳米～1000纳米的光谱谱线波段。

进一步的，所述激光超声探测仪采用压电传感器类、光学非干涉类、光学衍射类或光学干涉类激光超声探测仪。

进一步的，所述采集头运动控制机构和所述加工头运动控制机构为机械臂或多自由度运动平台。

作为优选，所述超声采集头和所述光谱采集头在固定支架上的位置和姿态可独立调节。

本发明提供的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，采用上述增材加工系统，包括步骤：

(1)控制单元控制增材加工子系统在载物台上形成沉积层；

(2)控制单元控制脉冲激光器发射激光，所发射的激光通过激光头作用于沉积层的待检测区域，形成等离子体和超声波；

(3)与(2)同步的，控制单元控制采集头运动控制机构，采集头运动控制机构带动光谱采集头和超声采集头在沉积层待检测区域上方扫描；光谱采集头收集光谱信号，并通过光谱仪光路单元传输到光谱仪；超声采集头收集超声波信号，并通过超声信号传输线缆传输到激光超声探测仪；

(4)光谱仪根据光谱信号检测沉积层中金属元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元；

(5)激光超声探测仪根据超声波信号检测沉积层中缺陷和晶粒结构的分布，并提取与缺陷尺寸相关的缺陷特征值、以及与晶粒尺寸及尺寸分布相关的晶粒特征值，将缺陷特征值和晶粒特征值发送给控制单元；

(6)控制单元根据接收的检测数据、缺陷特征值以及晶粒特征值，判断沉积层中元素偏析、缺陷、晶粒结构是否超标，一旦有元素偏析、缺陷、晶粒结构之一超标，控制单元发出警报，并停机；待工作人员排除超标原因后，再继续进行增材加工；

(7)重复步骤(1)～(6)，直至完成增材加工。

进一步的，对于细长型缺陷，其缺陷特征值为缺陷的长度；对于非细长型缺陷，其缺陷特征值为缺陷的投影面积。

进一步的，所述晶粒特征值为晶粒粒径；所述粒径为平均粒径、最大粒径、最小粒径、粒径分布中的一种或多种。

和现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

本发明增材加工系统具有光谱超声复合在线检测功能，在增材加工过程中，利用脉冲激光辐照已形成的沉积层表面金属，气化和电离沉积材料，形成金属蒸汽和等离子体的混合物；同时，在沉积层内部产生超声波。光谱仪采集等离子体的光谱信号，来检测金属成分及含量。激光超声探测仪采集超声波信号，来检测沉积层的缺陷和晶体结构。本发明可实现沉积层的金属成分及含量、以及缺陷、晶体结构等多维度信息的同步高精度在线检测，是一种具有革命性的增材加工在线质量检测方法。

本发明还将检测数据反馈给控制单元，控制单元根据检测数据控制加工过程，从而为增材加工过程中质量和缺陷的控制提供技术支撑。

附图说明

图1是实施例中本发明增材加工系统的结构示意图。

图中，1-控制单元，2-高能束发生单元，3-加工头运动控制机构，4-高能束传输单元，5-加工头，6-激光头，7-激光光路单元，8-光谱仪光路单元，9-脉冲激光器，10-光谱仪，11-激光超声探测仪，12-超声信号传输线缆，13-采集头运动控制机构，14-超声采集头，15-沉积层，16-载物台，17-超声波，18-等离子体，19-熔池，20-光谱采集头。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

本发明增材加工系统具光谱超声复合多维度质量在线检测功能，在增材加工过程中，利用光谱仪和激光超声探测仪对形成的沉积层的金属成分及含量、以及缺陷、晶粒结构进行实时检测，以判断元素偏析、缺陷、晶粒结构是否超标。一旦发现元素偏析、缺陷、晶粒结构之一超标，则停机调整。本发明增材加工系统可实现增材加工过程中质量和缺陷的控制。

参见图1，所示为本实施例中增材加工系统的结构示意图，所述增材加工系统主要包括增材加工子系统和光谱超声复合在线检测子系统。所述增材加工子系统可以采用激光选区熔化成形装置、激光净近成形装置、电子束选区熔化成形装置、电子束直接成形装置、电弧成形装置等全部类型的增材加工系统。本实施例中，所采用的增材加工子系统进一步包括控制单元1、高能束发生单元2、高能束传输单元4、加工头运动控制机构3、加工头5和载物台16。高能束发生单元2和加工头运动控制机构3均连接控制单元1，控制单元1用来控制高能束发生单元2和加工头运动控制机构3。高能束发生单元2用来产生熔化金属原料的能量束，高能束传输单元4用来将能量束传输至加工头5，加工头5用来使用高能束传输单元4传输过来的能量束熔化金属原料，并在载物台16形成熔池18。加工头运动控制机构3用来带动加工头5按控制单元1预设的路径运动。

本具体实施方式中，当高能束发生单元2产生的高能束为激光束时，高能束传输单元4则可采用用来传输激光的光纤或反射镜；当高能束发生单元2产生的高能束为电弧、等离子体、电子束等时，高能束传输单元4则可采用用来传输电能的电缆。

所述光谱超声复合在线检测子系统包括脉冲激光器9、激光光路单元7、激光头6、光谱仪10、光谱仪光路单元8、光谱采集头20、激光超声探测仪11、超声信号传输线缆12、超声采集头14和采集头运动控制机构13，激光头6、超声采集头14和光谱采集头20均固定于一固定支架上，采集头运动控制机构13用来带动该固定支架在沉积层15上方进行扫描。其中，超声采集头14和光谱采集头20构成本发明系统的集成采集头。本具体实施方式中，采集头运动控制机构13可采用机械臂或多自由度运动平台等；超声采集头14和光谱采集头20在固定支架上的位置和姿态可独立可调，以适应不同的检测工艺；光谱仪10波段应覆盖金属发射光谱谱线波段，即应覆盖200～1000纳米的光谱谱线波段；激光超声探测仪11可采用适用于激光超声检测的所有种类的系统技术，例如压电传感器类、光学非干涉类、光学衍射类、光学干涉类等激光超声探测技术。

脉冲激光器9、光谱仪10、激光超声探测仪11、采集头运动控制机构13均连接控制单元1，均在控制单元1的控制下工作。脉冲激光器9通过激光光路单元7连接激光头6，脉冲激光器9用来产生激光束，激光光路单元7用来将产生的激光束传输至激光头6，激光头6将激光束作用于形成的沉积层15上。光谱仪10通过光谱仪光路单元8连接光谱采集头20，光谱采集头20用来采集增材加工过程中等离子体的光谱信号，并将采集的光谱信号通过光谱仪光路单元8传输至光谱仪10，光谱仪10用来根据光谱信号检测金属成分。激光超声探测仪11通过超声信号传输线缆12连接超声采集头14，超声采集头14用来采集增材加工过程中的超声波信号，并将采集的超声波信号通过超声信号传输线缆12传输至激光超声探测仪11，激光超声探测仪11根据超声波信号检测沉积层的缺陷与晶粒结构特征。采集头运动控制机构13用来带动激光头6、超声采集头14、光谱采集头20运动。

在使用图1所示系统的增材制造方法中，控制单元1根据规划的扫描路径控制加工头运动控制机构3带动加工头5运动，形成特定形状的沉积层15；同时，超声采集头14和光谱采集头20同步工作，对沉积层进行在线监测。

在使用图1所示系统的增材加工方法中，控制单元1根据规划的扫描路径控制加工头运动控制机构3带动加工头5运动，形成特定形状的沉积层15；同时，超声采集头14和光谱采集头20同步在沉积层15上方扫描，对沉积层15进行在线监测。

本发明增材加工方法的具体步骤如下：

(1)控制单元1控制高能束发生单元2产生能量束，所产生的能量束通过高能束传输单元4传输到加工头5，加工头5使用高能束传输单元4传输过来的能量束熔化金属原料，并在载物台16形成熔池18。同步的，在载物台16上形成沉积层15。

(2)控制单元1控制脉冲激光器9发射激光束，所发射的激光束通过激光头6作用于沉积层15的待检测区域，沉积材料吸收激光能量后气化和电离，气化材料通过逆韧致吸收等效应吸收能量，最终产生等离子体18；同时，电离过程中等离子体快速膨胀形成冲击波，作用于沉积材料后在沉积材料内部产生超声波17。

(3)与(2)同步的，控制单元1控制采集头运动控制机构13，采集头运动控制机构13带动集成采集头在沉积层15待检测区域上方扫描；光谱采集头20吸收等离子体的光谱信号，并通过光谱仪光路单元8将光谱信号传输到光谱仪10；超声采集头14收集超声波信号，并通过超声信号传输线缆12将超声波信号传输到激光超声探测仪11。

(4)光谱仪10利用自带的光谱信号分析软件，根据光谱信号检测沉积层15中金属元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元1。

(5)激光超声探测仪11利用自带的超声分析软件，根据超声波信号检测沉积层15中缺陷和晶粒结构分布，并获得和缺陷尺寸相关的缺陷特征值、以及和晶粒尺寸及尺寸分布相关的晶粒特征值，将缺陷特征值和晶粒特征值发送给控制单元1。

对于不同类型缺陷，其缺陷特征值含义可能不同。对于细长型缺陷，例如裂缝，将其长度作为缺陷特征值；对于非细长型缺陷，例如气孔、未熔合缺陷，将其投影面积作为缺陷特征值。晶粒特征值可以选择晶粒的平均粒径、最大粒径、最小粒径、粒径分布中的一种或多种。

(6)控制单元1根据接收的检测数据、缺陷特征值以及晶粒特征值，判断沉积层15中元素偏析、缺陷、晶粒结构是否超标，一旦有元素偏析、缺陷、晶粒结构之一超标，控制单元1发出警报，并停机；待工作人员排除超标原因后，再继续进行增材加工。

本发明中，通过将光谱仪10检测出的金属元素含量和对应的含量阈值比较，来判断是否有元素偏析超标；通过将缺陷特征值和对应的缺陷特征阈值比较，来判断缺陷是否超标；通过将晶粒特征和对应的晶粒特征阈值比较，来判断晶粒结构是否超标。更具体的，对细长型缺陷，将其长度和长度阈值进行比较，当大于长度阈值，则判断存在缺陷超标；对非细长型缺陷，将其投影面积和面积阈值进行比较，当大于面积阈值，则判断存在缺陷超标。对晶粒结构，若选择晶粒的平均粒径作为晶粒特征值，则将平均粒径和平均粒径阈值范围进行比较，当平均粒径不位于平均粒径阈值范围内时，则判断存在晶粒结构超标。晶粒特征值根据实际需要进行选择。超标中所涉及所有阈值均为经验值，通过大量试验调整获得。

(6)重复步骤(1)～(6)步骤，直至完成增材加工。

上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (8)

1.具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：

采用增材加工系统，所述增材加工系统包括增材加工子系统和光谱超声复合在线检测子系统；

所述增材加工子系统用来进行金属增材加工，增材加工子系统包括用来进行金属增材加工过程控制的控制单元；

所述增材加工子系统进一步包括控制单元、高能束发生单元、高能束传输单元、加工头运动控制机构、加工头和载物台；

高能束发生单元和加工头运动控制机构均连接控制单元；

高能束发生单元用来产生能量束，高能束传输单元用来将能量束传输至加工头，加工头用来使用能量束熔化金属原料并在载物台上形成熔池；

加工头运动控制机构用来带动加工头按预设的路径运动；

所述光谱超声复合在线检测子系统包括脉冲激光器、激光光路单元、激光头、光谱仪、光谱仪光路单元、光谱采集头、激光超声探测仪、超声信号传输线缆、超声采集头和采集头运动控制机构；脉冲激光器、光谱仪、激光超声探测仪、采集头运动控制机构均连接控制单元；激光头、光谱采集头和超声采集头均固定于一固定支架上，采集头运动控制机构用来在控制单元的控制下，带动该固定支架在沉积层上方扫描；

脉冲激光器通过激光光路单元连接激光头，脉冲激光器用来产生激光束，激光光路单元用来将产生的激光束传输至激光头，激光头将激光束作用于形成的沉积层上；

光谱仪通过光谱仪光路单元连接光谱采集头，光谱采集头用来采集沉积层上方的光谱信号，并将采集的光谱信号通过光谱仪光路单元传输至光谱仪，光谱仪根据光谱信号检测沉积层的金属成分及含量，并将检测结果反馈至控制单元；

激光超声探测仪通过超声信号传输线缆连接超声采集头，超声采集头用来采集沉积层上方的超声波信号，并将采集的超声波信号通过超声信号传输线缆传输至激光超声探测仪，激光超声探测仪根据超声波信号检测沉积层的缺陷与晶粒结构特征，并将检测结果反馈至控制单元；

所述增材加工方法包括步骤：

(1)控制单元控制增材加工子系统在载物台上形成沉积层；

(2)控制单元控制脉冲激光器发射激光，所发射的激光通过激光头作用于沉积层的待检测区域，形成等离子体和超声波；

(3)与(2)同步的，控制单元控制采集头运动控制机构，采集头运动控制机构带动光谱采集头和超声采集头在沉积层待检测区域上方扫描；光谱采集头收集光谱信号，并通过光谱仪光路单元传输到光谱仪；超声采集头收集超声波信号，并通过超声信号传输线缆传输到激光超声探测仪；

(4)光谱仪根据光谱信号检测沉积层中金属元素及含量分布，并将检测数据发送给控制单元；

(5)激光超声探测仪根据超声波信号检测沉积层中缺陷和晶粒结构的分布，并提取与缺陷尺寸相关的缺陷特征值、以及与晶粒尺寸及尺寸分布相关的晶粒特征值，将缺陷特征值和晶粒特征值发送给控制单元；

(6)控制单元根据接收的检测数据、缺陷特征值以及晶粒特征值，判断沉积层中元素偏析、缺陷、晶粒结构是否超标，一旦有元素偏析、缺陷、晶粒结构之一超标，控制单元发出警报，并停机；待工作人员排除超标原因后，再继续进行增材加工；

(7)重复步骤(1)～(6)，直至完成增材加工。

2.如权利要求1所述的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：

对于细长型缺陷，其缺陷特征值为缺陷的长度；

对于非细长型缺陷，其缺陷特征值为缺陷的投影面积。

3.如权利要求1所述的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：

所述晶粒特征值为晶粒粒径；所述粒径为平均粒径、最大粒径、最小粒径、粒径分布中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：

所述增材加工子系统采用激光选区熔化成形装置、激光净近成形装置、电子束选区熔化成形装置、电子束直接成形装置或电弧成形装置。

5.如权利要求1所述的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：所述光谱仪波段覆盖200纳米～1000纳米的光谱谱线波段。

6.如权利要求1所述的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：

所述激光超声探测仪采用压电传感器类、光学非干涉类、光学衍射类或光学干涉类激光超声探测仪。

7.如权利要求1所述的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：

所述采集头运动控制机构和所述加工头运动控制机构为机械臂或多自由度运动平台。

8.如权利要求1所述的具光谱超声复合在线检测功能的增材加工方法，其特征是：

所述超声采集头和所述光谱采集头在固定支架上的位置和姿态可独立调节。

Images