CN112643053B - 基于光电信息的激光增材制造缺陷的在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于光电信息传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，包括以下步骤：通过光电二极管或三极管实时采集激光增材制造熔池区域光强信息；通过数据采集卡，将光电信号转换成数字信号导入计算机；通过计算机对数字信号进行实时处理以得到信号时域图；对上述时域图进行短时傅里叶变换以得到频域图；基于时域图，判断表面成形是否发生急剧波动或变化；若否，不存在制造缺陷；若是，判断频域图中是否出现明显的异常波动；若是，存在肉眼可辨的制造缺陷；若否，存在非肉眼可辨的制造缺陷。上述方法能判断激光增材制造过程中缺陷的产生、出现时刻及缺陷类型。

Description

基于光电信息的激光增材制造缺陷的在线诊断方法

技术领域

本发明涉及金属激光增材制造领域，尤其涉及一种基于光电信息的激光增材制造缺陷的在线诊断方法。

背景技术

激光增材制造技术，具有成形零件复杂、结构优化、性能优良、加工材料范围广泛，可实现梯度功能、柔性化程度高、制造周期短等独特优点，在材料利用率、研制周期和总的制造成本方面均优于铸造和锻造技术，是一种优质、节材、低成本、无污染的先进制造技术。但是，对金属激光增材制造制件性能的研究发现，制件性能尽管在个别指标能够达到同质材料的相应标准和规范，但总体上还是存在着一定的差距，其主要原因在于增材制造技术成形机理的固有特性——“瞬态熔凝过程”所导致的制件内部的微观缺陷，如裂纹、气孔、夹渣、下塌等。或是由于工艺等实际生产原因，容易导致结合层间的结合强度不够，性能不一致等问题，使成形结构性能达不到要求，进而限制了该技术的应用。激光增材制造过程中的缺陷、成型质量等问题已经成为制约激光增材制造技术发展的瓶颈，迫切需要对其进行深入研究。

而金属激光增材制造时形成的光强变化包含了大量可预测增材成型质量的信息。因此实时检测等离子体及熔池光强在增材过程中的动态变化特征，能够揭示增材过程的物理机制，指导增材生产并改善增材质量。

发明内容

本发明提出了一种基于光电传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，以判断在激光增材制造过程中缺陷的产生、出现时刻以及缺陷的类型。

为了实现上述目的，本发明提出了一种基于光电传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，所述在线诊断方法所涉及的在线诊断装置包括光电传感器，所述光线探头前置滤光片，所述光电传感器所得信号经信号放大器放大，所述信号放大器经连接线与数据采集卡相连接，所述数据采集卡安装在计算机内；所述在线诊断方法包括以下步骤：

步骤1、当基于同轴送粉的激光增材制造系统开始工作时，通过光电传感器实时采集熔池区域光强信息；

步骤2、通过数据采集卡，将光电信号转换成数字信号后导入计算机；

步骤3、通过计算机对导入的数字信号进行实时处理以得到光强随时间变化的时域图；

步骤4、对光强随时间变化的时域图，进行短时傅里叶变换，以得到频域图；

步骤5、基于光强随时间变化的时域图，判断光强是否发生急剧波动或者变化；

步骤6、如果否，则表明在激光增材制造过程中不存在制造缺陷；

步骤7、如果是，则在光强发生急剧波动或者变化的时间段内，判断频域图中是否出现明显的异常波动；在所述步骤5和步骤7中，可结合正态分布3σ准则或统计过程控制理论，对是否存在明显波动做出判别，或根据需求对判别的敏感度进行调整。

步骤8、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在肉眼可辨的制造缺陷；

并通过以下步骤来判断缺陷的类型：

步骤801、判断激光增材制造过程中，时域曲线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化，且在频域图中对应的区域内出现明显异常波动；

步骤802、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在凹陷或者氧化的缺陷；

步骤803、如果否，则判断激光增材制造过程中，时域曲线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化，且在频域图中对应的区域内出现明显异常波动；

步骤804、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在凸起的缺陷；

步骤9、判断频域图中是否出现明显的异常波动，如果否，则表明在激光增材制造过程中存在非肉眼可辨的制造缺陷。

优选的是，所述的基于光电传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，其特征在于：所述光电传感器的采样频率可达到50KHz。

优选的是，所述步骤3中，在所述计算机中对信号进行处理，包括以下处理步骤：

步骤301、读取光强信息；

步骤302、对一个周期内的光电信号进行处理；

步骤303、对提取的信号进行滤波；

步骤304、根据提取的特征参数，求取光电信号特征。

优选的是在所述步骤3和步骤4之间，增加步骤31：对所得到的时域图进行滤波处理。

本发明的有益效果在于可以实时采集光电信息，并由计算机快速处理得到时域图及相应的频域图，根据所得到的时域图以及频域图进一步判断金属激光增材制造过程中缺陷的产生、出现时刻以及缺陷类型，以用于实际生产中金属激光增材制造的缺陷在线监测，并为下一步实现激光增材制造过程的在线质量控制打下了基础。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的在线诊断装置的原理示意图以及基于同轴送粉的激光增材制造系统的简图。

图2示出了本发明所涉及的在线诊断方法的流程图。

图3示出了一种实施例中的计算机对导入的数字图像信号进行图像处理的流程图。

图4示出了本发明所涉及的进一步判别缺陷类型的流程图。

图5示出了第一实例中产生凹陷缺陷时宏观成型实物示意图、相应熔池光强随时间变化的时域图以及熔池光强的频域图。

图中：1-工作台，2-基板，3-激光束，4-熔池辐射信号，5-光纤探头，6-光纤，7-光电三极管，8-信号放大器，9-信号传输线，10-数据采集卡，11-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

金属激光增材制造过程是基于同轴送粉的激光增材制造系统进行的，基于同轴送粉的激光增材制造系统属于现有技术，本实施例中只给出简图，如图1所示，基于同轴送粉的激光增材制造系统包括工作台1，激光束3垂直照射在基板2表面，聚焦位置在材料表面，同时按一定速率进行同轴送粉，进行金属激光增材制造，在增材制造过程中，将保护气以一定的流量进行输送，以防止增材样件的表面氧化。上述制造过程属于现有技术，在此不做详尽的说明。

如图1所示，本发明所涉及的基于光电传感的激光增材制造缺陷的在线诊断装置包括光电传感器7，所属光电传感器的工作波长范围根据实际需求选择即可，所述光线探头5前置窄带滤光片(图中未示出)，根据实际情况，选择合适的窄带滤光片，能获得较强的光电信号即可；所述光电传感器7的工作波长范围和窄带滤光片的可透过波长范围建议选择在可见光或近红外光波段。在本实施例中，采用850nm的窄带滤光片，只允许850nm波长的辐射光通过，光电传感器7测得的光电信号经信号放大器8放大，信号放大器8经信号传输线9与数据采集卡10相连接，所述数据采集卡10安装在计算机11内；其中所述光线探头5安装在激光增材制造系统中的增材加工头边上，并且所述光线探头5与所述增材加工头保持实时相对静止。

在本实施例中，所述基板2采用316L不锈钢板材，所述基板2的加工规格均为150×75×5mm。增材粉末采用316L粉末，送粉器采用具有高精度和重复精度的GTVPF 2/2型送粉器，送粉速率为13.4g/min。所述保护气采用Ar保护气，流量为15L/min。所述激光束3由德国IPG Photonics公司生产的YLS-6000型掺镱光纤激光器产生，该激光器的最大输出功率6000W，产生激光的波长范围在1060～1070nm，光束质量BPP≥4.0，在本实施例中，将激光器的输出功率设定在1600W，激光束的扫描速率600mm/min。所述光电传感器4为光电三极管，数据采集频率10kHz。所述数据采集卡研华PCI1711采集卡。

本发明所涉及的基于光电传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法的流程图如图2所示，所述在线诊断方法包括以下步骤：

步骤1、当基于同轴送粉的激光增材制造系统开始工作时，激光产生的热量熔化基板2和增材粉末形成高温熔池，熔池辐射信号4经850nm的窄带滤光片滤波后进入光纤探头5，再经光纤6传输至光电传感器7，光电传感器7实时采集光电信号，如图2中步骤S1所示。

步骤2、变化微弱的光电信号经信号放大器8放大，再经信号传输线9传输至数据采集卡10，将光电信号转换成数字信号后导入计算机11，如图2中步骤S2所示。

步骤3、通过计算机11对导入的数字信号进行实时信号处理以得到光强随时间变化的时域图，如图2中步骤S3所示。根据实际所得到的光强随时间变化的时域图的状态，视情况选择是否对数据进行滤波处理，以获得更加直观、清晰的曲线。

步骤4、对光强随时间变化的时域图，进行短时傅里叶变换(STFT)，以得频域图，如图2中步骤S4所示。

步骤5、基于光强随时间变化的时域图，判断增材状态是否发生急剧波动或者变化，如图2中步骤S5所示。在进行判断时，可结合正态分布3σ准则或统计过程控制理论(SPC)等控制理论和方法，对是否存在明显波动等情况做出判别，或根据实际需求对判别的敏感度进行调整。

步骤6、如果否，则表明在激光增材制造过程中不存在制造缺陷，如图2中步骤S6所示。

步骤7、如果是，则在光强发生急剧波动或者变化的时间段内，判断频域图中是否出现明显的异常波动，如图2中步骤S7所示。在进行判断时，可结合正态分布3σ准则或统计过程控制理论(SPC)等控制理论和方法，对是否存在明显波动等情况做出判别，或根据实际需求对判别的敏感度进行调整。

步骤8、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在肉眼可辨的制造缺陷，如图2中步骤S8所示。

并通过以下步骤来判断缺陷的类型：

步骤801、判断激光增材制造过程中，时域曲线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化，且在频域图中对应的区域内出现明显异常波动；

步骤802、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在凹陷或者氧化的缺陷；

步骤803、如果否，则判断激光增材制造过程中，时域曲线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化，且在频域图中对应的区域内出现明显异常波动；

步骤804、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在凸起的缺陷；

步骤9、如果否，则表明在激光增材制造过程中存在非肉眼可辨的制造缺陷，如图2中步骤S9所示。存在非肉眼可辨的制造缺陷是指增材制造过程中生成宏观缺陷，但尺寸或宏观变化很小。

实施例1

如图5所示，本实施例为金属激光增材制造过程中出现零件成形尺寸不符合规划预期的情况。金属激光增材制造形成的增材成型实物示意图如图5(a)所示，所述成形尺寸不符合预期的区域为区域(1)。

通过上述的在线诊断方法，所得到的熔池光强随时间变化的时域图如图5(b)所示，时域曲线滤波后的图像如图5(c)所示，时域曲线经短时傅里叶变换得到的频域图如图5(d)所示，可以看出当成形层的高度降低或出现塌陷时，熔池光强的时域曲线由相对稳定状态出现陡升波动或变化，当成形层的高度升高或出现凸起时，熔池光强的时域曲线由相对稳定状态出现陡升波动或变化，且在频域图中对应的区域内出现明显异常波动，其变化与成形缺陷严格对应。即，根据熔池光强的时域曲线发生陡降和频域图中相应的明显波动，可判断增材制造过程中出现凹陷缺陷。

通过以上实施例可以得出以下结论：当熔池面积的时域曲线处于动态稳定状态时，无增材制造缺陷产生；当熔池面积的时域曲线急剧波动或变化，且相应频域图中出现明显波动时，产生明显的增材制造宏观缺陷，具体表现为：熔池面积的时域曲线由相对稳定状态出现陡升波动或变化，且频域图出现对应明显变化时，出现凹陷缺陷或氧化严重缺陷；熔池面积的时域曲线由相对稳定状态出现陡降波动或变化，且频域图出现对应明显变化时，出现凸起(焊瘤)缺陷。

本发明所涉及的基于光电传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，可以实时采集熔池辐射信息，并由计算机快速处理得到熔池光强的时域图及相应的频域图，根据所得到的熔池光强的时域图以及频域图进一步判断金属激光增材制造过程中缺陷的产生、出现时刻以及缺陷类型，以用于实际生产中金属激光增材制造的缺陷在线监测，并为下一步实现激光增材制造过程的在线质量控制打下了基础。

Claims (2)

1.基于光电信息的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，其特征在于：所述在线诊断方法所涉及的在线诊断装置包括光电传感器，所述光电传感器前置窄带滤光片，所述传感器经连接线与数据采集卡相连接，所述数据采集卡安装在计算机内；所述在线诊断方法包括以下步骤：

步骤1、当基于同轴送粉的激光增材制造系统开始工作时，通过光电传感器实时采集熔池区域光强信息；所述光电传感器的采样频率可达到50KHz；

步骤2、通过数据采集卡，将光电信号转换成数字信号后导入计算机；

步骤3、通过计算机对导入的数字信号进行实时处理以得到光强随时间变化的时域图；

所述步骤3中，在所述计算机中对信号进行处理，包括以下处理步骤：

步骤301、读取光强信息；

步骤302、对一个周期内的光电信号进行处理；

步骤303、对提取的信号进行滤波；

步骤304、根据提取的特征参数，求取光电信号特征；

步骤4、对光强随时间变化的时域图，进行短时傅里叶变换，以得到频域图；

步骤5、基于光强随时间变化的时域图，判断光强是否发生急剧波动或者变化；

步骤6、如果否，则表明在激光增材制造过程中不存在制造缺陷；

步骤7、如果是，则在光强发生急剧波动或者变化的时间段内，判断频域图中是否出现明显的异常波动；在所述步骤5和步骤7中，结合正态分布3σ准则或统计过程控制理论，对是否存在明显波动做出判别，或根据需求对判别的敏感度进行调整；

步骤8、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在肉眼可辨的制造缺陷，

并通过以下步骤来判断缺陷的类型：

步骤801、判断激光增材制造过程中，时域曲线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化，且在频域图中对应的区域内出现明显异常波动；

步骤802、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在凹陷或者氧化的缺陷；

步骤803、如果否，则判断激光增材制造过程中，时域曲线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化，且在频域图中对应的区域内出现明显异常波动；

步骤804、如果是，则表明在激光增材制造过程中存在凸起的缺陷；

步骤9、判断频域图中是否出现明显的异常波动，如果否，则表明在激光增材制造过程中存在非肉眼可辨的制造缺陷。

2.根据权利要求1所述的基于光电传感的激光增材制造缺陷的在线诊断方法，其特征在于：在所述步骤3和步骤4之间，增加步骤31：对所得到的时域图进行滤波处理。

Images