CN109269439B - 金属熔池内部轮廓在线测量设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一种金属熔池内部轮廓在线测量设备及方法，它包括激励组件、接受组件以及数据分析以及控制的计算机，所述激励组件包括激光器、用于将激光器发射出的光束分成多束的分光镜，多组用于分别接受多束光束的阵列光纤，所述计算机具有对光束进行动态调制的动态调制模块。基于激光超声相控阵检测技术可以实现熔池内部轮廓的在线测量；通过检测结果调整打印工艺可以实现零件制造质量。
Description
技术领域
本发明属于增材制造在线监测技术领域，特别涉及一种金属熔池内部轮廓在线测量设备及方法。
背景技术
直接能量沉积(Direct Energy Deposition, DED)技术是金属增材制造的主流方法，通过激光、等离子、电子束等热源，在沉积区域产生熔池并高速移动，熔化同步送进的材料粉末或丝，逐层沉积从而实现任意复杂形状零件的净近成形。然而，由于制造工艺设计不合理、设备长期运行稳定性以及外界环境等因素，金属增材制件不可避免的存在工艺缺陷，制约金属增材制造技术的发展和应用。
国内外一直致力于增材制造在线监测技术的研究，期望实现制造过程的闭环控制，从而避免工艺缺陷的产生。如采用在线超声检测模块监测打印层孔隙率、采用超声表面波在线检测冶金缺陷等、采用光学摄像头和红外热像技术观察熔池表面形貌、温度场分布等。然而，熔池内部质量的监测才是实现高质量打印的关键，典型缺陷如气孔、裂纹和未熔等大多在熔化和凝固过程产生；熔池内部流动状态以及熔化和凝固过程的液固界面推移与打印参数密切相关。所以，在线监测熔池内部状态对实现增材制造在线监测和闭环控制的至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以实现金属增材制造过程中熔池内部轮廓在线测量，从而调整打印工艺减小缺陷出现几率，提高工件的打印质量的金属增材制造过程中熔池内部轮廓在线测量的设备。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种金属熔池内部轮廓在线测量设备，它包括激励组件、接受组件以及数据分析以及控制的计算机，所述激励组件包括激励激光器、用于将激励激光器发射出的光束分成多束的分光镜，多组用于分别接受多束光束的阵列光纤，所述计算机具有对光束进行动态调制的动态调制模块。
优化的，所述接收组件包括激光接收器、接受光纤组以及驱动所述接受光纤组移动的运动机构或其包括激光接收器和振镜系统。
本发明还提供了一种利用上述金属熔池内部轮廓在线测量设备进行测量的方法，其包括以下步骤：
（1）设定角度偏转范围，以沉积区域的上端面为起始面，其角度为0°，激励激光器产生的超声束入射的起始角度为θs、终止角度为θe、角度步进为δ，计算可得所有角度对应的列光纤延迟法则；
（2） 以起始角度θs对应的延迟法则激励激光器，实现θs角度的超声束入射；同时接受组件在第一个光纤点接收超声信号，并保存；
（3）将受组件移动到第二个光纤点接收超声信号，并保存；
（4） 以此类推，直到接收到起始角度入射时，所有N个光纤点的信号；
（5） 更换延迟法则，以θs+δ的延迟法则激励激光器，实现θs+δ角度的超声束入射，重复上述步骤，获得θs+δ入射时，所有N个光纤点的信号；
（6）重复上述步骤，最终获得所有角度，以及对应的所有N个光纤接收点的信号；
（7）信号处理，对θs角度入射时接收到的N个信号，先以延迟法则进行平移，在进行加权平均，得到高信噪比信号；
（8）重复上述处理步骤，获得所有角度的高信噪比信号；
（9）按照对应角度对，对信号数组进行相应角度的偏转，获得图像；
（10）对图像进行腐蚀和填充处理，获得平滑图像；
（11）依据阵列激光入射点位置与增材熔池中心线，选定进行熔池形貌分析的矩形图像区域及其数据矩阵R；
（12）利用搜索算法获取图像矩阵R每一行的最大值以及对应的列号；
（13）构建以熔池表面和熔池中心为坐标轴的坐标系，利用矩阵R每一行最大值对应行号和列号，计算该最大值所对应的坐标点位置，即为熔池液固过度区域与超声波相互作用的衍射源位置；
（14）依次绘制最大值坐标点，连接成曲线，即为熔池轮廓；
（15）取熔池轮廓曲线与中心线的交点纵坐标值，即为熔池深度。
优化的，0°<θs<θe≤180°，0°<δ。
本发明的有益效果在于：提出的激光超声相控阵技术可以实现超声声束在二维平面内的任意入射角度的偏转和聚焦，从而完成不同深度区域的检测；基于激光超声相控阵检测技术可以实现熔池内部轮廓的在线测量；通过检测结果调整打印工艺可以实现零件制造质量。
附图说明
图1本发明的熔池内部轮廓的测量原理图；
图2为熔池形貌分析的矩形图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：
金属熔池内部轮廓在线测量设备，它包括激励组件、接受组件以及数据分析以及控制的计算机，所述激励组件包括激励激光器、用于将激励激光器发射出的光束分成多束的分光镜，多组用于分别接受多束光束的阵列光纤，所述计算机具有对光束进行动态调制的动态调制模块。所述接收组件包括激光接收器、接受光纤组以及驱动所述接受光纤组移动的运动机构或其包括激光接收器和振镜系统。
如图1所示，金属熔池内部轮廓在线测量方法，其包括以下步骤：
（1）设定角度偏转范围，以沉积区域的上端面为起始面，其角度为0°，在本实施例中，激励激光器产生的超声束入射的起始角度θs=30°、终止角度θe=60°、角度步进δ=1°，计算可得所有角度对应的列光纤延迟法则；但起始角度θs不限定于30°，终止角度θe不限定于60°，角度步进δ不限定于1°，三者取值范围如下：0°<θs<θe≤180°，0°<δ。
（2） 以起始角度θs对应的延迟法则激励激光器，实现θs角度的超声束入射；同时接受组件在第一个光纤点接收超声信号，并保存；
（3）将受组件移动到第二个光纤点接收超声信号，并保存；
（4） 以此类推，直到接收到起始角度入射时，所有N个光纤点的信号；
（5） 更换延迟法则，以θs+δ的延迟法则激励激光器，实现θs+δ角度的超声束入射，重复上述步骤，获得θs+δ入射时，所有N个光纤点的信号；
（6）重复上述步骤，最终获得所有角度，以及对应的所有N个光纤接收点的信号；
（7）信号处理，对θs角度入射时接收到的N个信号，先以延迟法则进行平移，在进行加权平均，得到高信噪比信号；
（8）重复上述处理步骤，获得所有角度的高信噪比信号；
（9）按照对应角度对，对信号数组进行相应角度的偏转，获得图像；
（10）对图像进行腐蚀和填充处理，获得平滑图像；
（11）依据阵列激光入射点位置与增材熔池中心线，选定进行熔池形貌分析的矩形图像区域及其数据矩阵R，如图2所示；
（12）利用搜索算法获取图像矩阵R每一行的最大值以及对应的列号；
（13）构建以熔池表面和熔池中心为坐标轴的坐标系，利用矩阵R每一行最大值对应行号和列号，计算该最大值所对应的坐标点位置，即为熔池液固过度区域与超声波相互作用的衍射源位置；
（14）依次绘制最大值坐标点，连接成曲线，即为熔池轮廓；
（15）取熔池轮廓曲线与中心线的交点纵坐标值，即为熔池深度d。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于金属熔池内部轮廓在线测量设备进行测量的方法，所述金属熔池内部轮廓在线测量设备包括激励组件和接收 组件，所述激励组件包括激励激光器，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）设定角度偏转范围，以沉积区域的上端面为起始面，其角度为0°，激励激光器产生的超声束入射的起始角度为θs、终止角度为θe、角度步进为δ，计算可得所有角度对应的列光纤延迟法则；
（2）以起始角度θs对应的延迟法则激励激光器，实现θs角度的超声束入射；同时接收组件在第一个光纤点接收超声信号，并保存；
（3）将接收 组件移动到第二个光纤点接收超声信号，并保存；
（4）以此类推，直到接收到起始角度入射时，所有N个光纤点的信号；
（5）更换延迟法则，以θs+δ的延迟法则激励激光器，实现θs+δ角度的超声束入射，重复上述步骤，获得θs+δ入射时，所有N个光纤点的信号；
（6）重复上述步骤，最终获得所有角度，以及对应的所有N个光纤接收点的信号；
（7）信号处理，对θs角度入射时接收到的N个信号，先以延迟法则进行平移，在进行加权平均，得到高信噪比信号；
（8）重复上述处理步骤，获得所有角度的高信噪比信号；
（9）按照对应角度，对信号数组进行相应角度的偏转，获得图像数据矩阵；
（10）对图像数据矩阵进行腐蚀和填充处理，获得平滑图像；
（11）依据阵列激光入射点位置与增材熔池中心线，选定进行熔池形貌分析的矩形图像区域及其数据矩阵R；
（12）利用搜索算法获取图像矩阵R每一行的最大值以及对应的列号；
（13）构建以熔池表面和熔池中心为坐标轴的坐标系，利用矩阵R每一行最大值对应行号和列号，计算该最大值所对应的坐标点位置，即为熔池液固过度区域与超声波相互作用的衍射源位置；
（14）依次绘制最大值坐标点，连接成曲线，即为熔池轮廓；
（15）取熔池轮廓曲线与中心线的交点纵坐标值，即为熔池深度。
2.根据权利要求1所述的基于金属熔池内部轮廓在线测量设备进行测量的方法，其特征在于：0°<θs<θe≤180°，0°<δ。
3.根据权利要求1所述的基于金属熔池内部轮廓在线测量设备进行测量的方法，其特征在于：所述金属熔池内部轮廓在线测量设备还包括数据分析以及控制的计算机，所述激励组件还包括用于将激励激光器所发出的光束分为多束的分光部件、用于分别接受分光部件发出的多束光束并将其延时发出的阵列光纤，所述计算机具有对光束进行动态调制的动态调制模块。
4.根据权利要求1所述的基于金属熔池内部轮廓在线测量设备进行测量的方法，其特征在于：所述接收组件包括激光接收器、接受光纤组以及驱动所述接受光纤组移动的运动机构或其包括激光接收器和振镜系统。
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