CN112881466B - 一种磁控等离子弧增材制造零件缺陷在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电弧增材制造技术领域，并公开了一种磁控等离子摆动电弧增材制造零件缺陷在线检测方法，其主要由等离子焊枪、新型磁控摆动电弧装置、红外热像仪和控制处理器系统组成，其中缺陷检测是在新沉积层堆积完毕后，通过给激励线圈接入激励电源，并由控制处理系统控制激励线圈距沉积层表面高度，用红外热像仪采集激励线圈在不同高度下堆积层表面及其内部温度的变化，最后将温度图像进行融合，通过缺陷区域与非缺陷区域的温度对比，识别缺陷的几何形状和分布状态。通过本发明，不仅可以提高对磁控摆动等离子弧增材制造零件缺陷检测的正确率，还能利用磁控摆动电弧的特性，使摆动电弧装置结构更加紧凑，便于实现对电弧增材制造零件缺陷的在线检测。

Description

一种磁控等离子弧增材制造零件缺陷在线检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁控等离子摆动电弧增材制造零件缺陷在线检测方法，属于电弧增材制造技术领域。

背景技术

增材制造技术是新兴的的加工制造技术，而利用电弧熔丝增材制造是金属增材制造的重要组成部分，与传统金属制造技术相比，具有效率高、成本低、无模具、不受复杂结构限制等优势，被广泛应用于航空航天、医疗、船舶和高铁等高精度、高质量制造领域。随着增材制造成为制造业的研究热点，越来越多的研究人员都开始利用电弧增材制造技术研究制造机翼支架、飞行器筋板等航空航天高精尖技术领域核心部件以及一些精小金属器件，为我国核心技术的突破奠定制造基础。

电弧增材制造虽然具有众多优势，但由于其零件堆积成型过程复杂，散热条件差，焊接过程中还受到飞溅和弧光等众多因素的影响，零件堆积层难免出现裂纹、气孔和夹渣等缺陷，使得零件的承载能力和疲劳强度等性能降低，还可能导致零件因质量不合格而报废，带来巨大的经济损失甚至危害社会及人身安全。因此，针对现有电弧增材制造技术的缺陷，迫切需要能进行制造零件的缺陷检测，提高零件的制造精度与质量，降低不合格零件产生的损失与危害的在线检测方法。

目前，对电弧增材制造零件的检测大多采用制造完成后的无损检测，该方法虽然能进行缺陷识别，但由于增材制造加工层层堆积制造的特殊性，一旦出现缺陷对后续的堆积层质量也存在叠加影响，对于缺陷较大无法合格的零件只能淘汰掉，造成经济损失。所以该方法无法实现堆积过程的在线检测，有许多不足之处。

针对增材制造在线检测方法搜索发现，专利文献CN107764798A公开了一种金属增材制造质量在线检测系统，提出基于焊接等离子体的元素烧损等主要特征来构建“光谱-工艺参数-成型质量”一体化的在线检测系统，达到对电弧增材制造控形和控性的高效同步在线检测。专利文献CN107876771A公开了一种金属激光融化增材制造方法，通过激光增材制造加工完每一层后，采用无损探伤工具头寻找裂纹、孔隙等缺陷特征的信息反馈到控制系统，进行机械去除再增材制造，从而制造出精度较高的零件。专利文献CN206177838U公开了一种基于红外信息的金属增材过程控制装置，包含增材制造单元、红外图像信息采集单元和反馈控制单元，实现金属增材制造过程的实时检测，及时采取措施抑制缺陷扩展或者及时停止操作。

上述现有方案虽然提出了对增材制造过程缺陷的在线检测方法，但仍存在以下的缺陷或不足：首先，基于焊接等离子体的元素烧损的检测方法，对堆积层内部缺陷的检测准确性不高，获得的缺陷信息不够丰富；其次，超声检测探头在高温环境下工作易损坏，且受形状及材料限制，对探伤人员的经验要求高；最后，基于红外信息的金属增材制造控制装置仅利用熔积层自身温度场进行检测，需与常态下的温度图像进行对比，当缺陷在常态可能不引起温度变化的情况下，其缺陷特别是微小裂纹检测正确率较低，且无法与磁控摆动等离子弧增材制造加工特点做到有效、紧密的结合，做到检测的最优化。

发明内容

本发明针对磁控等离子摆动电弧增材制造过程中产生的裂纹、气孔等缺陷，克服现有检测方法的缺陷或不足，结合磁控摆动等离子弧增材制造制造中通过磁场调控电弧运动的特点，提供了一种基于电磁激励红外成像的缺陷在线检测方法，应用电磁感应加热原理对堆积层施加热激励，零件在电磁脉冲激励下产生涡流效应而生热，当堆积层表面或内部存在缺陷时，堆积层中的涡流场分布会发生改变，引起局部温度异常，红外热成像设备能够实现对堆积层的非接触温度测量和热状态成像，通过与非缺陷区域温度对比，从而推断零件表面或内部缺陷的几何形状与分布状态。

本发明提供的一种磁控等离子摆动电弧增材制造缺陷在线检测方法，包括下述步骤：

首先，在计算机上输入并存储零件的加工程序，预设增材制造沉积层高度，根据制造需求调出程序并发出加工指令，利用摆动电弧装置中的线圈因通入电流而产生的磁场，控制摆动电弧运动的轨迹，开始增材制造加工任务。

新沉积层加工完成后，给激励线圈通入高频交变电流，开始根据加工路径扫描沉积层，通过高度调节装置调整激励线圈与沉积层表面的高度，水冷装置同时接通为快速发热的线圈降温，由于磁通量随时间发生改变，在回路中将产生感应电动势：

感应电动势使具有较高磁导性的材料的堆积层表面或内部将出现感应电流，产生涡流热效应，利用楞次定律来表达这一加热过程：Q＝i²Rt，其中Q表示焦耳热，i表示产生的涡流。由于感应涡流的分布密度与其相应的深度值间成反相关，在通常的使用过程中规定当深度值达到一定量时，趋肤深度可表示为变量δ，其计算公式为：

其中σ表示电导率(S/m)，μ表示磁导率(H/m)，f表示电源频率(Hz)。通过改变上述参数可以调整趋肤深度，当透入深度δ达到最大值时，对材料的加热将变为传导式加热。

感应加热的效率可表示为：

其中h表示检测时的线圈提离高度，a表示线圈横截面半径，σ_p、μ_p为待测材料电导率、磁导率，σ_I、μ_I为感应线圈电导率、磁导率。

进一步地，在电磁激励作用下待测沉积层表面或内部会形成一定量值的感应电流，当感应电流通过裂纹或气孔等缺陷位置时，涡流将会绕行，零件的缺陷处由于涡流异常聚集，温度差异较大，通过红外热成像技术可以采集线圈处于不同高度下零件的温度场。。

对于任意一帧t时刻红外热像图，其图像成分可用公式F(t)＝f(t)*f_b(t)-g(t)表示，其中，F(t)代表红外热像图，f(t)代表红外热像图中的目标信息，f_b(t)代表红外热像图中的背景影响因素，g(t)为红外热像图中噪声成分。红外热像仪设备包括光学部件、图像采集卡、散热器、有探测能力的红外设备及具有信号放大能力的视频器。

最后，红外热成像仪捕捉被加工零件局部温度变化的差异后，在信号放大器作用下进行信号之间的转化，图像反馈到控制处理器后，按人眼可识别的深浅不一的彩色图像来显示被测量对象的温度场分布，运用温度分布数据和图像快速识别缺陷的几何形状与分布状态，即可实现对磁控等离子摆动电弧增材制造零件不同形状的裂纹或其它缺陷的在线检测。

通过利用磁控摆动电弧增材制造装置中的线圈，实现对制造过程中堆积层缺陷的在线检测具有以下优点：

(1)克服了传统主动红外热成像检测中的激励不均匀以及激励的稳定性和重现性差等问题,结合了涡流检测易实现自动化与红外检测结果直观便捷的优点，有着高灵敏度、高效率、无污染、非接触式加热以及操作简单等特性。

(2)充分结合了磁控摆动电弧增材制造的加工特点，线圈既可以用来控制电弧运动，还可以通过高度调节装置调整提离高度，根据检测材料的不同选择不同的频率、波形等激励参数，达到最佳检测效果。

(3)针对增材制造分层堆积成型的特点，提出分层检测方法，避免因零件太厚对内部检测效果不佳，特别是检测不到微小裂纹带来的不良后果，由于其缺陷检测准确率高，也可避免加工完成后零件不合格导致的损失，可应用于精密零件制造领域。

[附图说明]

图1为磁控摆动等离子弧增材制造缺陷在线检测系统及组成原理图。

图2为新型磁控摆动电弧电弧装置及增材制造加工结构图。

图1、图2标记为：1-控制处理器(PC端)、2-激励电源、3-焊接工作区域、4-水冷装置、5-图像采集卡、6-散热器、7红外热像仪、8-滚珠丝杠升降机构、9-通电激励线圈、10-冷却液。

图3为磁控摆动等离子电弧增材制造流程图。

[具体实施方式]

本发明实施例公开了一种磁控等离子摆动电弧缺陷在线检测方法，实现对零件缺陷的在线检测需求。

为了更好地表达整个发明的技术方案，达到有益效果,下面结合附图和实施例，对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。所描述的的实施例仅为一部分实施例，并不是全部的实施例。

在一个具体实施例中，本发明提供的磁控等离子摆动电弧增材制造在线检测方法，具体可用于航空航天钢结构零件电弧增材制造产生裂纹的在线检测，包括以下步骤：

在计算机1上输入并存储钢结构零件的加工程序，预设增材制造沉积层高度，根据制造需求调出程序并发出加工指令，利用摆动电弧装置中的线圈因通入电流而产生的磁场，控制摆动电弧运动的轨迹，开始增材制造加工任务。

新沉积层加工完成后，给激励线圈9通入高频交变电流，开始根据加工路径扫描沉积层，通过高度调节装置8调整激励线圈9与沉积层表面的高度L＝δ-h，水冷装置4同时接通为快速发热的线圈降温，由于磁通量随时间发生改变，在回路中将产生感应电动势：

感应电动势使具有较高磁导性的材料的堆积层表面或内部将出现感应电流,沿深度方向感应电流密度公式为：

其中J_e表示涡流密度，z表示距离检测零件表面的深度。由上式可以看出，感应涡流的分布密度与深度值是反相关的，通常规定当深度值达到一定量时，若存在密度值减小至表面强度1/e处，那么将此时的深度定义为趋肤深度δ，其计算公式为：

其中σ表示电导率(S/m)，μ表示磁导率(H/m)，f表示电源频率(Hz)。通过改变上述参数可以调整趋肤深度，当透入深度δ达到最大值时，对材料的加热将变为传导式加热。

试件温度值可以以用焦耳定律来进行计算，其产生热量Q_W公式为:

在实际检测中，电导率会发生变化，实际的电导率公式为：

感应加热的效率可表示为：

其中，T₂为实际检测过程中的温度，T₀代表常温温度，取T₀＝293K，h表示检测时的线圈提离高度，a表示线圈横截面半径，σ₀、μ₀为钢结构电导率、磁导率，α₀为其温度系数，σ_I、μ_I为感应线圈电导率、磁导率。

常规定磁导率值为1，线圈材料选择铜，线圈高度L根据不同材料特性可以调整，避免因提离高度太小，导致有效检测面积减小，降低涡流得得均匀性，影响微小裂纹的检测正确率；也要避免提离高度过高造成加热效果不明显。同时线圈横截面面积也不可过大，否则会遮挡零件，导致可视面积减小。

当线圈越来越靠近零件表面时，由于涡流强度增到，材料表面温度急剧上升，其部分表面可能超过了失磁温度，加热方式变为透入式加热，直到达到涡流透入深度δ，如果继续加热，将变为传导式加热。

在施加外部激励源加热零件后，由于涡流异常聚集，零件裂纹的底部及两侧均会产生一个温差较高的区域，而红外热像仪可以采集任意一帧t时刻红外热像图，其图像成分可用公式F(t)＝f(t)*f_b(t)-g(t)表示，其中，F(t)代表红外热像图，f(t)代表红外热像图中的目标信息，f_b(t)代表红外热像图中的背景影响因素，g(t)为红外热像图中噪声成分。

继续调整线圈9高度，并返回首次开始检测的起点，采集线圈距零件表面高度L'＝δ-h±Δ两个个位置的图像，将图像传输到控制处理器后,经过图像融合处理，按人眼可识别的深浅不一的彩色图像来显示被测量对象的温度场分布，运用温度分布数据和图像快速识别缺陷的几何形状与分布状态，即可实现对磁控等离子摆动电弧增材制造零件不同形状的裂纹或其它缺陷的在线检测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种磁控等离子弧增材制造零件缺陷在线检测方法，主要由等离子焊枪、新型磁控摆动电弧装置、红外热像仪和控制处理器组成的系统完成对磁控等离子摆动电弧增材制造过程中零件的凹槽裂纹、贯穿裂纹、气孔和驼峰等缺陷的在线检测，其特征在于，所述的缺陷在线检测方法由新型磁控摆动电弧装置利用电磁激励红外成像检测原理完成，新型磁控摆动电弧装置主要由激励电源、激励线圈、滚珠丝杠升降机构和水冷系统组成，该一体化装置采用非对称设计，电弧两侧采用的线圈种类及位置不同，缺陷检测端的激励线圈由滚珠丝杠机构调节高度，调节激励参数产生涡流效应，改变零件温度分布，当缺陷检测过程切换到磁控等离子弧增材制造时，固定的通电螺线管通电，与检测用激励线圈在不同激励参数下，在电弧两侧产生空间磁场，控制电弧摆动，改变电弧运动轨迹，实现增材制造，设定增材工序中沉积层高度h小于趋肤深度δ并设置线圈激励参数，采集激励线圈距零件表面高度L＝δ-h与L'＝δ-h±Δ三个位置的温度图像，其中高度偏差Δ的大小由不同材料的特性决定，将采集的温度图像进行图像融合后，检测微小裂纹等缺陷。

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