CN109482874B - 基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统 - Google Patents

基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统，该方法步骤包括：S1.在激光增材过程中实时采集熔池的图像，输出采集到的熔池图像；S2.对采集到的熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数；S3.根据提取得到的熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态；S4.若预测凝固组织形态不满足要求，调整激光增材过程的加工参数以调整熔池的动态特征参数至所需状态；该系统包括熔池图像采集模块、熔池图像处理模块、组织形态预测模块以及组织形态控制模块。本发明能够实现激光增材中凝固组织形态的在线监测及预测控制，且具有实现方法简单、成本低、控制效率及可靠性高等优点。

Description

基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，尤其涉及一种基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统。
背景技术
激光增材制造经过三十年的飞速发展，已经在航空航天、汽车制造、石油化工、生物医学等领域具有广阔的应用前景，其具有加工整体性高、加工速度快、结构复杂度高、设计维度广等优点。但相比于传统的减材制造过程中材料组织形态和性能整体性一致，增材制造属于点加工，每个加工点都可能受到主动加工条件变坏或者被动环境变化造成组织形态和性能的改变，且在激光增材制造中，由于增材制造本身具有制造自由度高、结构复杂度高等优势，而过高的自由度也会导致增材制造的材料本体受到工艺参数、加工路径、设备波动等因素的影响，造成材料的均一性较差，组织形态存在较大的差异。但对于结构件和功能件来说，材料组织形态的不可控性将会形成不可控的服役性能风险，极大的限制了激光增材制造技术的进一步工程应用。
有从业者提出在增材制造过程中通过在线监测沉积层的几何特征和温度特征，可以有效的控制沉积后工件的尺寸精度和应力分布形态，但目前并没有有效的方法可以构建起加工过程中的物理特征与沉积后的组织形态的关联性，无法在加工过程中进行合适的动态参数调整及时的调控组织形态。同时，现有的传统组织形态特征分析方法是采用破坏性试验进行取样分析，该方法对增材制造后组织形态具有一定的参考性，但由于增材制造在材料组织形态方面的高自由度，并不能完全重现固有参数所对应的凝固组织。因此，亟需提供一种适用于激光增材制造中能够控制激光增材中凝固组织形态的方法，以提高激光增材制造过程的组织形态的可控性和优化参数的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种实现方法简单、成本低、能够实现在线监测及预测控制，且控制效率及可靠性高的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法，步骤包括：
S1. 熔池图像采集：在激光增材过程中实时采集熔池的图像，输出采集到的熔池图像；
S2. 熔池图像处理：对采集到的所述熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数；
S3. 组织形态预测：根据提取得到的所述熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态；
S4. 组织形态控制：若预测凝固组织形态不满足要求，调整激光增材过程的加工参数以调整所述熔池的动态特征参数至所需状态。
作为本发明方法的进一步改进：所述动态特征参数包括液态熔池气液界面中值点的振动幅度和/或振动频率。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S2的具体步骤包括：
S21. 图像分区：对所述熔池图像的灰度值进行计算，根据计算得到的灰度值将所述熔池图像划分为液态区、粘稠区和凝固区；
S22. 眼图获取：提取所述液态区的整体轮廓，得到熔池轮廓图像，将多张所述熔池轮廓图像进行叠加，得到对应液态区熔池轮廓的眼图；
S23. 动态特征参数获取：根据所述液态区熔池轮廓的眼图获取液态熔池的动态特征参数。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S3的步骤包括：预先由不同凝固组织形态与熔池的动态特征参数之间的关系构建知识图谱库，提取得到所述熔池的动态特征参数后，将提取得到的所述动态特征参数输入至所述知识图谱库进行匹配，识别出对应的凝固组织形态，得到所述预测凝固组织形态。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S3中，当判断到所述熔池的动态特征参数中振动幅度和振动频率小于预设阈值时，判定激光增材后凝固组织为多取向共同生长状态且各向同性；当判断到所述振动幅度和振动频率大于预设阈值时，判定激光增材后凝固组织为定取向生长状态且各向异性。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S4中，通过调整激光增材过程的中激光参数和送粉参数以调整所述熔池的动态特征参数，具体包括：如果所述熔池的振动幅度、振动频率小于所需凝固组织形态对应的目标动态特征参数值，调整激光功率、扫描速度、送粉量、送气量中的一种或多种，以提高熔池的振动幅度、振动频率；如果所述熔池的振动幅度、振动频率大于所需凝固组织形态对应的目标振动幅度、振动频率，调整激光功率、扫描速度、送粉量、送气量中的一种或多种，以减小熔池的振动幅度、振动频率。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤S4中结合使用PID以及模糊控制方法调整激光增材过程的参数，具体包括：结合使用PID以及模糊控制方法调整所述激光功率、扫描速度、送粉量、送气量中的一种或多种，使得熔池的振动幅度和振动频率小于指定范围，得到定取向生长的组织形态，以及使得熔池振动幅度和熔池的振动频率大于指定范围，得到多取向共同生长的组织形态。
一种基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的系统，包括：
熔池图像采集模块，用于在激光增材过程中实时采集熔池的图像，输出采集到的熔池图像；
熔池图像处理模块，用于对采集到的所述熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数；
组织形态预测模块，用于根据提取得到的所述熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态；
组织形态控制模块，用于若预测凝固组织形态不满足要求，调整激光增材过程的参数以调整所述熔池的动态特征参数至所需状态。
作为本发明装置的进一步改进，所述熔池图像处理模块包括：
图像分区单元，用于对所述熔池图像的灰度值进行计算，根据计算得到的灰度值将所述熔池图像划分为液态区、粘稠区和凝固区；
眼图获取单元，用于提取所述液态区的整体轮廓，得到熔池轮廓图像，将多张所述熔池轮廓图像进行叠加，得到对应液态区熔池轮廓的眼图；
动态特征参数获取单元，用于根据所述液态区熔池轮廓的眼图获取液态熔池的动态特征参数。
作为本发明装置的进一步改进：还包括用于产生高能光束辐照样品表面以将金属熔化形成熔池的激光发生器、用于对高能光束进行整形聚焦以产生可控激光束的激光加工头，以及用于通过气体将粉末喷射到熔池中的材料进给装置，所述熔池图像采集模块的采集方向垂直于所述激光加工头的移动方向。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统，将激光增材制造过程中熔池图像的动态特征参数作为响应信号与组织形态进行关联，通过实时采集在激光增材过程中熔池的图像进行处理，提取熔池的动态特征参数，根据实时的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，若不满足要求则控制调整熔池的动态特征参数使得激光增材后能够达到所需凝固组织形态，能够基于熔池动态特征准确预测并控制定取向生长区域的生长行为，实现增材后金属凝固组织形态的在线监测和预测控制，既可用于激光增材过程中工艺参数优化，又可用于复杂结构及梯度材料的组织形态设计制造。
2、本发明基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统，利用熔池图像的动态特征预测控制激光增材后凝固组织形态，可以实现熔池形态的定量分析，且图像处理速度快、信号稳定度高且信号的物理关联度大，方法和系统具有一定的科学性、通用性和稳定性更强。
3、本发明基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法及系统，在激光增材过程中关注液态熔池的动态响应数据，相比于传统关注于静态熔池尺寸、形貌等几何尺寸，不受材料种类、尺寸、表面状态等问题的限制，可以根据熔池图像动态特征对在线监测控制或离线工艺优化实现对增材后组织形态的优化设计和在线反馈调节，可以指导激光增材过程实现凝固组织形态的预测及控制，使激光增材制造质量更高更稳定、优化速度更快、实验成本更低、资源消耗更少。
附图说明
图1是本实施例基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法的实现流程示意图。
图2是本发明具体实施例中实现基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态所采用的系统结构示意图。
图3是本发明具体实施例中实现基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的流程示意图。
图4是本发明具体实施例中基于灰度将熔池区域划分后的结果示意图。
图5是本发明具体实施例中得到的熔池液态轮廓眼图和金相组织图。
图6是本发明具体实施例中得到的每张图片中值点纵轴位置与每张图片的采样时间的变化趋势结果示意图。
图7是本发明具体实施例中提取得到的熔池气液界面中值点的振动幅度结果示意图。
图8是本发明具体实施例中得到的熔池气液界面中值点振动幅度和取向区域面积尺寸之间的对应关系结果示意图。
图9是本发明具体实施例中得到的熔池气液界面中值点的振动频率结果示意图。
图10是本发明具体实施例中得到的熔池气液界面中值点振动频率特征和取向区域面积尺寸之间的对应关系结果示意图。
图例说明：1、激光发生器；2、位移装置；3、激光加工头；4、材料进给装置；5、熔池图像采集模块；6、计算机；7、组织形态控制模块。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法步骤包括：
S1. 熔池图像采集：在激光金属增材制造过程中实时采集熔池的图像，输出采集到的熔池图像；
S2. 熔池图像处理：对采集到的熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数；
S3. 组织形态预测：根据提取得到的熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态；
S4. 组织形态控制：若预测凝固组织形态不满足要求，调整激光增材过程的加工参数以调整熔池的动态特征参数至所需状态。
本实施例将激光增材制造过程中熔池图像的动态特征参数作为信号响应与组织形态进行关联，通过实时采集在激光增材过程中熔池的图像进行处理，提取熔池的动态特征参数，根据实时的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，若不满足要求则控制调整熔池的动态特征参数使得激光增材后能够达到所需凝固组织形态，能够基于熔池动态特征准确预测并控制凝固组织定取向生长的生长行为，实现增材后金属凝固组织形态的在线监测和预测控制，从而对增材制造工件的最终综合性能提供直接的指导意见。
如图2、3所示，本实施例实现基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态所采用的系统包括激光发生器1、位移装置2、激光加工头3、材料进给装置4、熔池图像采集模块5、计算机6以及组织形态控制模块7，其中由激光器1、位移装置2、激光加工头3、材料进给装置4实现激光增材制造过程，由激光发生器产生高能光束辐照样品表面以将金属熔化形成熔池，激光加工头用于对高能光束进行整形聚焦以产生可控激光束，材料进给装置4通过气体将粉末喷射到熔池中，熔池图像采集模块5的采集方向垂直于激光加工头的移动方向，由计算机6对采集到的熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数以及根据提取得到的熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态；由控制单元7在预测凝固组织形态不满足要求时，控制调整激光增材过程的工艺参数以调整熔池的动态特征参数至所需状态。
上述激光可以采用高功率CO2、Nd-YAG以及半导体激光等，位移装置2具体采用六轴机器人等，激光加工头3具体采用激光同轴熔覆头，材料进给装置4具体采用圆盘式送粉器，熔池图像采集模块5具体采用高速相机，高速相机拍摄面垂直于激光加工头3的移动方向，尽量保证在垂直方向没有明显的仰角或俯角，高速相机具体可采用电荷耦合器件CCD高速摄像机或IR红外热像仪等，进一步还包括激光波长滤波片、滤波前固定装置、透镜等以实现成像。
在具体应用实施例中，先将激光加工头3移动到基板上部，将激光光束光斑和气体粉末汇聚粉斑调为同一高度，再设定加工过程中激光加工功率参数范围、扫描速度参数范围、送粉量参数范围、保护气体流量参数范围，实现激光增材制造；在激光增材过程中，由熔池图像采集模块对熔池进行高速成像，具体成像帧频高于3000帧/秒，成像主要部位集中在熔池区域，使得整个成像过程没有显著的过曝光或者弱曝光现象以保证图像采集质量。
本实施例中，动态特征参数具体包括液态熔池气液界面中值点的振动幅度、振动频率，可以理解的是，还可以根据实际需求采用熔池其他位置的动态特征参数。
本实施例对激光增材过程中的熔池进行高速成像后，对熔池图像进行处理以实时提取熔池的动态特征参数，步骤S2熔池图像处理的具体步骤包括：
S21. 图像分区：对熔池图像的灰度值进行计算，根据计算得到的灰度值将熔池图像划分为液态区、粘稠区和凝固区；
S22. 眼图获取：提取液态区的整体轮廓，得到熔池轮廓图像，将多张熔池轮廓图像进行叠加，得到对应液态区熔池轮廓的眼图；
S23. 动态特征参数获取：根据液态区熔池轮廓的眼图获取液态熔池的动态特征参数。
对熔池图像处理时，先将图像按照灰度值进行分区处理，将熔池区域划分为液态区、粘稠区和凝固区，再通过图像处理算法提取其中液态区的轮廓，即液态熔池的边缘，具体可以使用且通过轮廓算法精确提取液态区轮廓的像素点坐标，并将多层图像进行叠加得到液态熔池轮廓的眼图，即将多张熔池边缘进行叠加形成熔池眼图，对液态熔池轮廓的眼图进行分析即可得到熔池的动态特征，包括熔池气液界面中值点的振动幅度和振动频率等，基于图像采集及处理能够快速、准确的提取到熔池的动态特征参数。本实施例具体采用不少于200幅连续高速拍摄后图片进行叠加得到眼图数据，基于该眼图数据可以获得经统计数据处理后的熔池动态特征参数。
在具体应用实施例中，基于图像灰度将熔池区域划分为凝固区、糊状区、液态区如图4所示，其中液态区的气液界面为获取熔池动态特征的主要信息来源，中值点是基于气液界面在横轴方向的长度进行取值；使用TC4粉末增材加工过程中400张熔池图片叠加后熔池液态熔池轮廓眼图和金相组织图如图5所示，从图中即可以获得液态熔池的动态特征和组织形态特征信息；图6为提取每张图像中液态熔池的气液界面中值点在纵轴方向的位置变化信息，建立每张图片中值点纵轴位置与每张图片的采样时间的变化趋势；图7为对图5中熔池眼图提取熔池气液界面中值点的振动幅度；图8为熔池气液界面中值点振动幅度和取向区域面积尺寸之间的对应关系，即熔池振动幅度与增材制造所获得的组织形态的取向区域面积尺寸具有相关性；对图6数据进行傅里叶变换得到熔池气液界面中值点的振动频率得到如图9所示结果，图10为熔池气液界面中值点振动频率特征和取向区域面积之间的对应关系图，即熔池振动频率与增材制造所获得的组织形态的取向区域面积尺寸具有相关性。
不同熔池动态特征下所得到的凝固组织形态是不同的，熔池振动幅度、振动频率与增材制造所获得的组织形态的取向区域面积尺寸具有相关性，如图4~10所示，当振动幅度小、振动频率小的情况下，凝固取向呈现定取向生长状态；当振动幅度大、振动频率大的情况下，凝固取向呈现多向共同生长的状态，则由熔池振动幅度、振动频率可以区分、预测增材制造所获得的组织形态的取向区域面积尺寸。本实施例实时获取到熔池的动态特征参数后，利用熔池动态特征与凝固组织形态之间的上述对应关系来预测凝固组织形态，可以实现凝固组织形态快速、可靠的在线预测，同时能够实现对熔池形态的定量分析。
本实施例中步骤S3的步骤具体为：预先由不同凝固组织形态与熔池的动态特征参数之间的关系构建知识图谱库，提取得到熔池的动态特征参数后，将提取得到的动态特征参数输入至知识图谱库进行匹配，识别出对应的凝固组织形态，得到预测凝固组织形态。预先可由一定量的实验数据构建知识图谱库，提取得到熔池的动态特征参数后，将提取到的参数与知识图谱库中数据进行比较，可以定量的预测判断出加工状态下所获得的增材组织形态。
如图7所示，随着熔池振动幅度增大，凝固后组织形态从定取向生长到多取向共同生长，定取向区域面积尺寸不断减小；如图9所示，随着熔池振动频率增大，凝固后组织形态从定取向生长到多取向共同生长，定取向区域面积尺寸不断减小。本实施例步骤S3中，具体当判断到熔池的动态特征参数中振动幅度和振动频率大于预设阈值，判定激光增材后凝固组织为多取向共同生长状态且各向同性；当判断到振动幅度和振动频率小于预设阈值时，判定激光增材后凝固组织为定取向生长状态且各向异性。
本实施例通过控制熔池的动态特征参数控制增材制造所获得的组织形态的定取向生长区域尺寸，步骤S4中具体通过调整激光增材过程的中激光参数和送粉参数，以控制增材制造过程中熔池的动态特征达到目标状态，从而达到预测控制凝固后组织形态的目的，其中激光参数具体包括激光功率等，可通过调整激光器输入信号来控制调整激光加工功率，送粉参数具体包括送粉量等，可通过调整送粉器转速来控制调整增材送粉量，可以根据实际需求设定。本实施例具体如果熔池的振动幅度和振动频率小于所需凝固组织形态对应的目标动态特征参数值Amin和Tmin，调整激光参数和送粉参数以提高熔池的振动幅度A和振动频率T；如果熔池的振动幅度A和振动频率T大于所需凝固组织形态对应的目标动态特征参数值Amax和Tmax，调整激光参数和送粉参数以减小熔池的振动幅度A和振动频率T。对熔池动态参数进行调整时，具体可使用已调整的熔池动态参数和目标熔池动态参数的之间差值dt，确定调整激光参数和送粉参数量以逼近目标参数。
本实施例步骤S4中具体使用PID（比例-积分-微分）控制方法调整的激光增材过程的参数，进一步还可以融合模糊控制方法实现激光功率和送粉量的控制，可以进一步提高控制精度，从而使熔池的振动幅度和振动频率能够准确达到凝固组织形态的目标值，获得所需的凝固组织形态。具体结合使用PID以及模糊控制方法调整激光功率、扫描速度、送粉量或送气量等，使得熔池的振动幅度小于指定范围、熔池的振动频率大于指定范围，得到定取向生长的组织形态，以及使得熔池的振动幅度大于指定范围、熔池的振动频率小于指定范围，得到多取向共同生长的组织形态。
在具体应用实施例中使用图2所示系统实现基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态，如图3所示，详细流程为：
（1）将激光加工头移动到基板上部，将激光光束光斑和气体粉末汇聚粉斑调为同一高度，实现正常状态的激光增材制造；
（2）确定激光加工功率参数范围为600-1200 w、扫描速度参数范围6-15 mm/s、送粉量参数范围2.5-4.5 g/min、保护气体流量参数范围10-25 L/min，确保加工过程中无明显的球化、夹渣、裂纹等宏观缺陷，其中粉末与基材材料均为采用钛合金TC4粉末，粉末直径为45-120μm，基体尺寸为240 × 240 × 10 mm；
（3）将熔池图像采集模块5的拍摄面垂直于激光加工头3的移动方向，尽量保证在垂直方向没有明显的仰角或俯角，然后通过标定板相机内外参数的标定，并标定图像像素值与实际尺寸1 mm的比例为200:1，最后,同步拍摄过程中，高速帧频进行拍摄，拍摄帧频6000帧/秒，整个成像过程没有显著的过曝光或者弱曝光现象；
（4）将熔池图像通过图像滤波降噪算法优化后，按照灰度值进行分区处理，分别对应为液态熔化区、糊状熔化区以及凝固区；再提取液态熔化区整体轮廓，并将多层图像进行叠加，得到液态熔化区熔池轮廓的眼图，通过对眼图的分析获得液态熔池气液界面中值点的振动幅度和振动频率；如图5所示，得到熔池气液界面中值点的振动幅度分别为0.12，0.135，0.15，0.21mm，如图7所示，纵轴振动幅度内最高重叠出现次数分别为164，120，68，67，如图9所示，在纵轴振动经傅里叶变换后得到其频率特征为无频率，直流、109 Hz、367Hz，上述熔池动态特征参数对应的定取向生长区域平均面积分别为0.423，0.327，0.082，0.039 mm2；
（5）对工艺区间内的增材制造沉积样品进行切割、磨抛、腐蚀后得到金相组织图像，再建立熔池动态特征和凝固组织形态的量化对应知识图谱，将提取的熔池的振动幅度、振动频率与知识图谱数据库进行匹配，通过熔池的动态特征与激光增材后凝固组织形态的对应关系可以对凝固组织形态进行定性预测，如图8和图10所示，如果熔池的振幅小，振动频率小，激光增材后凝固组织为多取向共同生长状态，各向同性；如果熔池的振幅大，振动频率大，激光增材后凝固组织为定取向生长状态，各向异性；
（6）使用比例-积分-微分PID控制方法和模糊控制方法系统性的调节激光功率、扫描速度、送粉量或送气量，将熔池振动幅度控制在＜0.1mm，无周期性频率后，获得定取向生长的钛合金组织形态；同时通过参数调整将熔池振动幅度控制＞0.2mm，振动频率≥350 Hz后，获得多取向共同生长的组织形态。
本实施例中可以确定钛合金的定取向生长控制熔池振幅为0.12mm，频率为无周期状态；多取向共同生长形态的熔池振幅为0.21mm，频率为367 Hz。即本实施例上述方法，通过控制熔池的动态特征可实现组织形态优化的工艺参数优化以及在线快速实现凝固组织形态的有效预测控制，能够大幅提升激光增材制造凝固组织形态的稳定性、可控性和可预测性。
本实施例基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的系统，包括：
熔池图像采集模块5，用于在激光增材过程中实时采集熔池的图像，输出采集到的熔池图像；
熔池图像处理模块，将图像滤波降噪算法优化后进行处理，提取得到熔池的动态特征参数；
组织形态预测模块，用于根据提取得到的熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态；
组织形态控制模块7，用于若预测凝固组织形态不满足要求，调整激光增材过程的参数以调整熔池的动态特征参数至所需状态。
本实施例中，熔池图像处理模块包括：
图像分区单元，用于对熔池图像的灰度值进行计算，根据计算得到的灰度值将熔池图像划分为液态区、粘稠区和凝固区；
眼图获取单元，用于提取液态区的整体轮廓，得到熔池轮廓图像，将多张熔池轮廓图像进行叠加，得到对应液态区熔池轮廓的眼图；
动态特征参数获取单元，用于根据液态区熔池轮廓的眼图获取液态熔池的动态特征参数。
本发明具体应用实施例中上述系统具体结构如图2所示，其中熔池图像处理模块以及组织形态预测模块通过计算机6实现，由计算机6加载能够实现对采集到的熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数、以及根据提取得到的熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态的程序模块实现，组织形态控制模块7中存储有预先由不同凝固组织形态与熔池的动态特征参数之间的关系构建的知识图谱库，组织形态控制模块7接收提取得到熔池的动态特征参数，将提取得到的动态特征参数输入至知识图谱库进行匹配，识别出对应的凝固组织形态，得到预测凝固组织形态输出。
本实施例中，还包括用于产生高能光束辐照样品表面以将金属熔化形成熔池的激光发生器1、用于对高能光束进行整形聚焦以产生可控激光束的激光加工头3，以及用于通过气体将粉末喷射到熔池中的材料进给装置4，熔池图像采集模块5的采集方向垂直于激光加工头3的移动方向，具体如上所述。
本实施例基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的系统与上述基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法一一对应，在此不再一一赘述。
本发明可应用于金属增材制造、金属模具修复、金属单晶材料制备、金属多晶材料制备、金属非晶材料制备等中，实现激光增材后凝固组织形态的控制。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法，其特征在于，步骤包括：
S1.熔池图像采集：在激光增材过程中实时采集熔池的图像，输出采集到的熔池图像；
S2.熔池图像处理：对采集到的所述熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数，所述动态特征参数包括液态熔池气液界面中值点的振动幅度和振动频率；
S3.组织形态预测：根据提取得到的所述熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态；
S4.组织形态控制：若预测凝固组织形态不满足要求，调整激光增材过程的加工参数以调整所述熔池的动态特征参数至所需状态。
2.根据权利要求1所述的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体步骤包括：
S21.图像分区：对所述熔池图像的灰度值进行计算，根据计算得到的灰度值将所述熔池图像划分为液态区、粘稠区和凝固区；
S22.眼图获取：提取所述液态区的整体轮廓，得到熔池轮廓图像，将多张所述熔池轮廓图像进行叠加，得到对应液态区熔池轮廓的眼图；
S23.动态特征参数获取：根据所述液态区熔池轮廓的眼图获取液态熔池的所述振动幅度和振动频率。
3.根据权利要求1或2所述的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法，其特征在于，所述步骤S3的步骤包括：预先由不同凝固组织形态与熔池的所述振动幅度、振动频率之间的关系构建知识图谱库，提取得到所述熔池的所述振动幅度和振动频率后，将提取得到的所述振动幅度和振动频率输入至所述知识图谱库进行匹配，识别出对应的凝固组织形态，得到所述预测凝固组织形态。
4.根据权利要求1或2所述的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法，其特征在于，所述步骤S3中，当判断到所述熔池的动态特征参数中振动幅度和振动频率大于预设阈值时，判定激光增材后凝固组织为多取向共同生长状态且各向同性；当判断到所述振动幅度和振动频率小于预设阈值时，判定激光增材后凝固组织为定取向生长状态且各向异性。
5.根据权利要求1或2所述的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法，其特征在于，所述步骤S4中，通过调整激光增材过程的中激光参数和送粉参数以调整所述熔池的动态特征参数，具体包括：如果所述熔池的振动幅度、振动频率小于所需凝固组织形态对应的目标动态特征参数值，调整激光功率、扫描速度、送粉量、送气量中的一种或多种以提高熔池的振动幅度、振动频率；如果所述熔池的振动幅度、振动频率大于所需凝固组织形态对应的目标振动幅度、振动频率，调整激光功率、扫描速度、送粉量、送气量中的一种或多种，以减小熔池的振动幅度、振动频率。
6.根据权利要求5所述的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的方法，其特征在于，所述步骤S4中结合使用PID以及模糊控制方法调整激光增材过程的参数，具体包括：结合使用PID以及模糊控制方法调整所述激光功率、扫描速度、送粉量、送气量中的一种或多种，使得熔池的振动幅度和振动频率小于指定范围，得到定取向生长的组织形态，以及使得熔池振动幅度和振动频率大于指定范围，得到多取向共同生长的组织形态。
7.一种基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的系统，其特征在于，包括：
熔池图像采集模块(5)，用于在激光增材过程中实时采集熔池的图像，输出采集到的熔池图像；
熔池图像处理模块，用于对采集到的所述熔池图像进行处理，提取得到熔池的动态特征参数，所述动态特征参数包括液态熔池气液界面中值点的振动幅度和振动频率；
组织形态预测模块，用于根据提取得到的所述熔池的动态特征参数预测激光增材后凝固组织形态，得到预测凝固组织形态；
组织形态控制模块(7)，用于若预测凝固组织形态不满足要求，调整激光增材过程的参数以调整所述熔池的动态特征参数至所需状态。
8.根据权利要求7所述的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的系统，其特征在于，所述熔池图像处理模块包括：
图像分区单元，用于对所述熔池图像的灰度值进行计算，根据计算得到的灰度值将所述熔池图像划分为液态区、粘稠区和凝固区；
眼图获取单元，用于提取所述液态区的整体轮廓，得到熔池轮廓图像，将多张所述熔池轮廓图像进行叠加，得到对应液态区熔池轮廓的眼图；
动态特征参数获取单元，用于根据所述液态区熔池轮廓的眼图获取液态熔池的所述振动幅度和振动频率。
9.根据权利要求7所述的基于图像监测控制激光增材中凝固组织形态的系统，其特征在于：还包括用于产生高能光束辐照样品表面以将金属熔化形成熔池的激光发生器(1)、用于对高能光束进行整形聚焦以产生可控激光束的激光加工头(3)，以及用于通过气体将粉末喷射到熔池中的材料进给装置(4)，所述熔池图像采集模块(5)的采集方向垂直于所述激光加工头的移动方向。
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