CN109269985A - 金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法 - Google Patents

金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法，其为沿着熔池中心线设置不同深度的N个聚焦点，依据聚焦点与入射点的关系，得到超声波束的发射角度θs进而得到所有角度聚焦点对应的N组阵列光纤延迟法则；以第一个聚焦点F1对应的延迟法则激励激光器，实现在N1点聚焦的超声束入射，采样；更换延迟法则，以下一个聚焦点F2所对应的延迟法则激励激光器；重复上述步骤，最终获得所有聚焦点Fi的信号；当喷头移动到下一位置点，重复上述步骤的数据采集和存储步骤；最后开始对该直线上所采集的M个位置点的数据进行分析；利用二维矩阵进行绘图分析，图像评定范围发现存在一个或者多个月牙形超声信号，即为夹渣和气孔的衍射信号。

Description

金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法
技术领域
本发明属于增材制造在线监测技术领域，特别涉及一种金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法。
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。
非接触式超声波检测技术，包括激光超声、电磁超声和空气耦合超声等是实现增材制造过程内部质量检验的潜在手段，特别是激光超声可以实现高空间分辨率的检测。但是应用到增材制造在线监测还需要考虑到如何激励激光以获得到指定角度、频率和波型的超声波、如何对熔池内部的超声信号进行分析以及检测系统如何与增材制造系统融合等问题。
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气孔和夹渣的在线检测，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移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:一种金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法，利用相控阵激光超声检测系统对3D打印机的熔池内部缺陷进行检测，所述相控阵激光超声检测系统包括连续激光器、超声相控阵发射系统、接收系统以及控制系统，超声相控阵发射系统包括线阵光纤组件或面阵光纤组件，线阵光纤组件或面阵光纤组件激励产生的超声波束角度可调且焦距可变，所述控制系统包括数据采集卡以及与数据采集卡电路连接的计算机，所述连续激光器与所述打印机的喷头同步运动，在线监测方法包括以下步骤：
(1)设定超声波束聚焦点，以垂直沉积区域上端面向下的方向为起始方向，超声波束与起始方向的夹角为发射角度，沿着熔池中心线设置不同深度的N个聚焦点，依据聚焦点与入射点的相对位置关系，得到超声波束的发射角度θs (s＝1…N)，并计算可以所有角度聚焦点对应的N组阵列光纤延迟法则；
(2)以第一个聚焦点F1对应的延迟法则激励连续激光器，实现在N1点聚焦的超声束入射；接收系统位于与入射点沿熔池中心线对称位置接收超声信号，并通过控制系统进行采样处理，采样数据长度为K，并保存；
(3)更换延迟法则，以下一个聚焦点F2所对应的延迟法则激励连续激光器，实现在N2位置聚焦的超声束入射，接收系统以及控制系统接收超声信号，并保存；
(4)重复上述步骤，最终获得N组所有聚焦点Fi的信号；
(5)当激光发射和接收组件跟随打印机的喷头移动到下一个位置点时，再重复(1)-(4)步骤的数据采集和存储步骤；
(6)直到喷头完成一条直线的打印路径时，开始对该直线上所采集的M个位置点的数据进行分析；
(7)对以同一延迟法则激励和接收的超声数据进行二维矩阵重构，以打印位置点顺序，对长度为K的采样信号进行排列，从而形成了N个延迟法则对应的K*M的二维矩阵
(8)分别将N组二维矩阵进行绘图分析,图像垂直方向为熔池深度方向，图像水平方向为打印喷头行走方向；
(9)以设计熔池深度的2倍作为图像评定的深度范围，如果在图像评定范围发现存在一个或者多个月牙形超声信号，即为夹渣和气孔的衍射信号；
(10)利用公式计算夹渣和气孔缺陷的深度，其中c为超声波在被检对象中的传播速度，t为超声波在介质中的传播时间，S为激光入射点和接收点与熔池中心线的距离(11)重复上述步骤，依次对N幅图像进行分析，即可完成不同深度位置的缺陷检测。
优化的，所设置聚焦点均位于设计熔池深度范围之内，聚焦点数量根据检测精度和效率需求，综合确定。
优化的，所述超声相控阵发射系统包括连续激光器、用于将所述连续激光器发射出的光路转换为多束光路并延时发出的皮秒激光开关、将多束所述光路输出形成所需阵列的线阵光纤组件或面阵光纤组件、用于连接连续激光器和线阵光纤组件或面阵光纤组件的光纤耦合接头。
本发明的有益效果在于：本发明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夹渣和气孔的检验；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
附图1为本发明的熔池内部夹渣和气体检测原理图；
附图2为存在气孔或夹渣时生成的图像的示意图；
附图3为夹渣和气孔缺陷的深度计算原理图。
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：
如图1所示，金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法，利用相控阵激光超声检测系统对3D打印机的熔池内部缺陷进行检测，所述相控阵激光超声检测系统包括超声相控阵发射系统、接收系统以及控制系统，所述超声相控阵发射系统包括连续激光器、用于将所述连续激光器发射出的光路转换为多束光路并延时发出的皮秒激光开关、将多束所述光路输出形成所需阵列的线阵光纤组件或面阵光纤组件以及用于连接连续激光器和线阵光纤组件或面阵光纤组件的光纤耦合接头，线阵光纤组件或面阵光纤组件激励产生的超声波束角度可调且焦距可变，所述控制系统包括数据采集卡以及与数据采集卡电路连接的计算机，所述连续激光器与所述打印机的喷头同步运动，在本实施例中，两者相固定连接，在线监测方法包括以下步骤：
(1)设定超声波束聚焦点，以垂直沉积区域上端面向下的方向为起始方向，超声波束与起始方向的夹角为发射角度，沿着熔池中心线设置不同深度的N个聚焦点，依据聚焦点与入射点的相对位置关系，得到超声波束的发射角度θs (s＝1…N)，并计算可以所有角度聚焦点对应的N组阵列光纤延迟法则；
(2)以第一个聚焦点F1对应的延迟法则激励连续激光器，实现在N1点聚焦的超声束入射；接收系统位于与入射点沿熔池中心线对称位置接收超声信号，并通过控制系统进行采样处理，采样数据长度为K，并保存；
(3)更换延迟法则，以下一个聚焦点F2所对应的延迟法则激励连续激光器，实现在N2位置聚焦的超声束入射，接收系统以及控制系统接收超声信号，并保存；
(4)重复上述步骤，最终获得N组所有聚焦点Fi的信号；
(5)当激光发射和接收组件跟随打印机的喷头移动到下一个位置点时，再重复(1)-(4)步骤的数据采集和存储步骤；
(6)直到喷头完成一条直线的打印路径时，开始对该直线上所采集的M个位置点的数据进行分析；
(7)对以同一延迟法则激励和接收的超声数据进行二维矩阵重构，以打印位置点顺序，对长度为K的采样信号进行排列，从而形成了N个延迟法则对应的K*M的二维矩阵
(8)分别将N组二维矩阵进行绘图分析,图像垂直方向为熔池深度方向，图像水平方向为打印喷头行走方向；
(9)以设计熔池深度的2倍作为图像评定的深度范围，如果在图像评定范围发现存在一个或者多个月牙形超声信号，即为夹渣和气孔的衍射信号，如图2 所示；
(10)利用公式计算夹渣和气孔缺陷的深度，其中c其中 c为超声波在被检对象中的传播速度，t为超声波在介质中的传播时间，S为激光入射点和接收点与熔池中心线的距离；
(11)重复上述步骤，依次对N幅图像进行分析，即可完成不同深度位置的缺陷检测。
所设置聚焦点均位于设计熔池深度范围之内，聚焦点数量根据检测精度和效率需求，综合确定。
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 (3)

1.一种金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法，其特征在于，利用相控阵激光超声检测系统对3D打印机的熔池内部缺陷进行检测，所述相控阵激光超声检测系统包括超声相控阵发射系统、接收系统以及控制系统，超声相控阵发射系统包括连续激光器、线阵光纤组件或面阵光纤组件，线阵光纤组件或面阵光纤组件激励产生的超声波束角度可调且焦距可变，所述控制系统包括数据采集卡以及与数据采集卡电路连接的计算机，所述连续激光器与所述打印机的喷头同步运动，在线监测方法包括以下步骤：
(1)设定超声波束聚焦点，以垂直沉积区域上端面向下的方向为起始方向，超声波束与起始方向的夹角为发射角度，沿着熔池中心线设置不同深度的N个聚焦点，依据聚焦点与入射点的相对位置关系，得到超声波束的发射角度θs(s＝1…N)，并计算可以所有角度聚焦点对应的N组阵列光纤延迟法则；
(2)以第一个聚焦点F1对应的延迟法则激励连续激光器，实现在N1点聚焦的超声束入射；接收系统位于与入射点沿熔池中心线对称位置接收超声信号，并通过控制系统进行采样处理，采样数据长度为K，并保存；
(3)更换延迟法则，以下一个聚焦点F2所对应的延迟法则激励连续激光器，实现在N2位置聚焦的超声束入射，接收系统以及控制系统接收超声信号，并保存；
(4)重复上述步骤，最终获得N组所有聚焦点Fi的信号；
(5)当激光发射和接收组件跟随打印机的喷头移动到下一个位置点时，再重复(1)-(4)步骤的数据采集和存储步骤；
(6)直到喷头完成一条直线的打印路径时，开始对该直线上所采集的M个位置点的数据进行分析；
(7)对以同一延迟法则激励和接收的超声数据进行二维矩阵重构，以打印位置点顺序，对长度为K的采样信号进行排列，从而形成了N个延迟法则对应的K*M的二维矩阵
(8)分别将N组二维矩阵进行绘图分析,图像垂直方向为熔池深度方向，图像水平方向为打印喷头行走方向；
(9)以设计熔池深度的2倍作为图像评定的深度范围，如果在图像评定范围发现存在一个或者多个月牙形超声信号，即为夹渣和气孔的衍射信号；
(10)利用公式计算夹渣和气孔缺陷的深度，其中c为超声波在被检对象中的传播速度，t为超声波在介质中的传播时间，S为激光入射点和接收点与熔池中心线的距离；
(11)重复上述步骤，依次对N幅图像进行分析，即可完成不同深度位置的缺陷检测。
2.根据权利要求1所述的金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法，其特征在于：所设置聚焦点均位于设计熔池深度范围之内，聚焦点数量根据检测精度和效率需求，综合确定。
3.根据权利要求1所述的金属移动熔池内部缺陷的高频超声在线监测方法，其特征在于：所述超声相控阵发射系统还包括用于将所述连续激光器发射出的光路转换为多束光路并延时发出的皮秒激光开关以及用于连接连续激光器和线阵光纤组件或面阵光纤组件的光纤耦合接头。
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