CN114166942B - 基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法 - Google Patents

基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，包括：步骤1、对样品表面进行二维扫描，获得超声表面波时域A扫描信号；步骤2、从扫描信号的二维彩色图像中找到有颜色差异的区域作为缺陷影像区域，提取缺陷A扫描；步骤3、对提取的A扫描进行小波变换得到小波时频图像；步骤4、提取小波时频图像中A0模态兰姆波所对应的区域，读取小波系数最大时所对应的时刻和频率；步骤5、计算材料的表面波声速CR；步骤6、根据CR计算得到激光超声系统的延时T0；步骤7、计算缺陷扰动表面波转换得到的A0模态兰姆波的相速度；步骤8、得到A0模态兰姆波的相速度频散关系曲线；步骤9、根据声速和关系曲线，得到缺陷的埋藏深度。

Description

基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法
技术领域
本发明属于水文模型技术领域，具体涉及基于时变参数的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法。
背景技术
金属增材制造是制备复杂结构部件的变革性加工技术，现已广泛应用于航空航天、医疗器械和精密模具等领域。然而，逐点堆积和逐层累积的特点，导致金属增材制造过程不可避免的存在层间未熔合等典型的随机性缺陷。鉴于对精密打印部件高质量的要求，打印-检测-修复一体化的装备已经逐步开始应用，若在打印过程中检测到缺陷，则启动修复装置对缺陷进行去除。因此，能够在打印过程中准确的对缺陷深度进行测量，将能够整体提升打印的效率和质量。
激光超声检测技术以其非接触、高分辨、易于集成等优点成为金属增材制造最有潜力的在线检测手段。目前激光超声多以C扫描成像的方式对增材样品进行检测，从C扫描图中可以比较容易的发现缺陷，并测量缺陷的水平位置。但金属打印层每层厚度只有且层厚度约为50-100μm，采用传统的超声纵波方法进行层间缺陷检测时，由于打印层厚度较小导致层间回波与行进波叠加而无法分辨，因此，无法精确给出缺陷的埋藏深度。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，能够实现对层间缺陷(非表面可见缺陷)深度的精确测量。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、激光超声系统的激励激光器光斑与接收光斑以固定的间距L，按照扫描步进Δd、扫描点数M×N，对样品表面进行二维扫描，获得M×N组超声表面波时域A扫描信号；
步骤2、将M×N组信号进行二维扫描成像，从二维彩色图像中找到有颜色差异的区域，作为识别的缺陷影像区域，根据缺陷影像对应的位置信息，从M×N组信号中提取缺陷A扫描信号；
步骤3、对提取的A扫描进行小波变换，得到横坐标为时间，纵坐标为频率，颜色为小波系数的小波时频图像；
步骤4、提取小波时频图像中由于缺陷扰动表面波转换得到的A0模态兰姆波所对应的区域，在该区域的时频图中读取小波系数最大时所对应的时刻T和频率F；
步骤5、将激光超声在样品无缺陷区域的表面，固定接收激光光斑位置，激励激光以步进d0逐步远离，读取每个位置点的波形，并记录表面波的波谷出现的时间，对时间和距离进行线性拟合，得到的斜率即为材料的表面波声速，记为CR；
步骤6、根据表面波声速CR与基于A扫描读取的无缺陷处表面波的时刻TR，计算得到激光超声系统的延时T0；
步骤7、利用延时T0和步骤4提取的时刻T，计算缺陷扰动表面波转换得到的A0模态兰姆波的相速度C；
步骤8、利用被检对象的密度、弹性模量和泊松比，计算得到A0模态兰姆波的相速度频散映射关系，即相速度C和频率厚度乘积F*h的关系曲线；
步骤9、将A0模态兰姆波相速度C代入到相速度频散关系曲线中，得到该相速度下对应的频率与厚度的乘积，然后除以兰姆波频率F，得到缺陷区域金属层厚度h，即为缺陷的埋藏深度d。
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，扫描步进Δd不超过目标检测精度的二分之一。
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤1中，间距L的取值范围为1～2mm。
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，有颜色差异的区域是指：与无缺陷区域的颜色进行对比，颜色差异值大于6dB的区域。
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，在步骤3中，小波变换的具体步骤为：
步骤3-1.选取Morlet小波为小波基；
步骤3-2.确定小波系数的尺度序列为512；
步骤3-3.进行小波变换求得小波系数；
步骤3-4.绘制以时间T为横坐标，频率F为纵坐标，小波系数代表颜色的小波时频图。
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，固定间距d0设置为1-2mm。
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤5中，读取的位置点为5～8个。
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤6中，计算公式为：
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤7中，计算公式为：
优选地，本发明提供的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，还可以具有以下特征：在步骤8中，频散曲线绘制方法为对如下兰姆波频散方程组的求解，得到相速度C和频率厚度乘积F*h的关系曲线：
式中，ks和kl分别为横波和纵波波矢：cs和cl分别为横波和纵波声速：E、v和ρ分别为杨氏模量、泊松比和密度。
在以上公式1～3中，T0，TR，T单位均为微秒(us)；L单位为毫米(mm)；ks，kl的单位为m-1；声速的单位均为m/s2。
发明的作用与效果
本发明通过构建兰姆波模态声速与频率和缺陷深度的定量关系，实现了增材制造层间缺陷的埋藏深度测量，该方法解决了传统激光超声C扫描方法仅能提供缺陷水平位置的局限性，通过提供缺陷准确的位置信息，对深度小于1mm的层间缺陷位置都能够精准识别，从而为打印过程中的靶向精准修复提供的目标坐标，进而提升整体增材制造的效率、节约增材制造原材料。
附图说明
图1为本发明实施例中涉及的缺陷二维成像示意图；
图2为本发明实施例中涉及的缺陷A扫描信号和小波时频图；
图3为本发明实施例中涉及的兰姆波A0模态相速度频散曲线图；
图4为本发明实施例中涉及的实测深度与设计深度对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例>
利用粉末床增材制造技术打印一块尺寸为30mm*30mm*10mm的长方体样品，在样品内部预制了6个层间缺陷，编号依次为D1～D6，对应的深度分别为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.5mm、0.7mm和1mm，用于验证本方法的有效性。
S1.激光超声系统的激励激光器光斑与接收光斑以固定的间距2，按照扫描步进0.1mm扫描点数200×400，对样品表面进行二维扫描，获得200×400组超声表面波时域A扫描信号。
S2.将200×400组信号进行二维扫描成像，如图1所示，从二维彩色图像中找到有颜色差异的区域，即为识别的缺陷影像区域，根据缺陷影像对应的位置信息，从200×400组信号中提取缺陷A扫描信号，如图2(a)。
S3.对提取的A扫描进行小波变换，得到横坐标为时间，纵坐标为频率，颜色为小波系数的小波时频图像，如图2(b)所示。选取Morlet小波为小波基，确定小波系数的尺度序列为512。
S4.提取小波时频图像中由于缺陷扰动表面波转换得到的A0模态兰姆波所对应的区域，在该区域时频图中读取小波系数最大时所对应的时刻T和频率F。
S5.将激光超声在样品无缺陷区域的表面，固定接收激光光斑位置，激励激光以步进2mm逐步远离，读取每个位置点的波形，并记录表面波的波谷出现的时间，对时间和距离进行线性拟合，得到的斜率即为材料的表面波声速CR＝2990m/s。
S6.根据声速CR与读取的无缺陷处表面波的时刻TR，计算得到激光超声系统的延时T0，公式如下：
TR是S2获得的无缺陷处A扫描波形中表面波的波谷出现时间。
S7.利用步骤S4提取的时间T，计算缺陷扰动表面波转换得到的A0模态兰姆波的相速度C，计算公式如下：
S8.利用被检对象的密度、弹性模量和泊松比，计算得到A0模态兰姆波的相速度频散曲线，即相速度C和频率厚度乘积F*h的关系曲线，如图3所示。
S9.将计算得到的A0模态兰姆波相速度C代入到相速度频散曲线中，得到该相速度下对应的频率与厚度的乘积，然后除以兰姆波频率F，得到可以求得缺陷区域金属层厚度，即为缺陷的埋藏深度d。
重复上述步骤得到D1～D6缺陷的测量深度分别为0.1238mm、0.2143mm、0.3297mm、0.5045mm、0.6845mm和0.9648mm，与设计深度对比如图4所示，可以看到本发明所提供的方法可以准确的实现缺陷的深度测量。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、激光超声系统的激励激光器光斑与接收光斑以固定的间距L，按照扫描步进d、扫描点数M/>N，对样品表面进行二维扫描，获得M/>N组超声表面波时域A扫描信号；
步骤2、将MN组信号进行二维扫描成像，从二维彩色图像中找到有颜色差异的区域，作为识别的缺陷影像区域，根据缺陷影像对应的位置信息，从M/>N组信号中提取缺陷A扫描信号；
步骤3、对提取的A扫描进行小波变换，得到横坐标为时间，纵坐标为频率，颜色为小波系数的小波时频图像；
步骤4、提取小波时频图像中由于缺陷扰动表面波转换得到的A0模态兰姆波所对应的区域，在该区域的时频图中读取小波系数最大时所对应的时刻T和频率F；
步骤5、将激光超声在样品无缺陷区域的表面，固定接收激光光斑位置，激励激光以步进d0逐步远离，读取每个位置点的波形，并记录表面波的波谷出现的时间，对时间和距离进行线性拟合，得到的斜率即为材料的表面波声速，记为CR；
步骤6、根据表面波声速CR与基于A扫描读取的无缺陷处表面波的时刻TR，计算得到激光超声系统的延时T0；
步骤7、利用延时T0和步骤4提取的时刻T，计算缺陷扰动表面波转换得到的A0模态兰姆波的相速度C；
步骤8、利用被检对象的密度、弹性模量和泊松比，计算得到A0模态兰姆波的相速度频散映射关系，即相速度C和频率厚度乘积F*h的关系曲线；
步骤9、将A0模态兰姆波相速度C代入到相速度频散关系曲线中，得到该相速度下对应的频率与厚度的乘积，然后除以兰姆波频率F，得到缺陷区域金属层厚度h，即为缺陷的埋藏深度d，
其中，在步骤3中，小波变换的具体步骤为：
步骤3-1. 选取Morlet小波为小波基；
步骤3-2. 确定小波系数的尺度序列为512；
步骤3-3. 进行小波变换求得小波系数；
步骤3-4. 绘制以时间T为横坐标，频率F为纵坐标，小波系数代表颜色的小波时频图。
2.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，扫描步进不超过目标检测精度的二分之一。
3.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤1中，间距L的取值范围为1~2mm。
4.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，有颜色差异的区域是指：与无缺陷区域的颜色进行对比，颜色差异值大于6dB的区域。
5.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤5中，固定间距d0设置为1-2mm。
6.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤5中，读取的位置点为5~8个。
7.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤6中，计算公式为：
(1)。
8.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤7中，计算公式为：
(2)。
9.根据权利要求1所述的基于激光超声的金属增材制造层间缺陷埋藏深度测量方法，其特征在于：
其中，在步骤8中，频散曲线绘制方法为对如下兰姆波频散方程组的求解，得到相速度C和频率厚度乘积F*h的关系曲线：
(3)
式中，ks和kl分别为横波和纵波波矢：，cs和cl分别为横波和纵波声速：/>，E、和/>分别为杨氏模量、泊松比和密度。
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