本發(fā)明涉及激光增材制造領域，特別涉及一種基于光譜診斷的激光增材制造過程中缺陷的在線診斷方法。

背景技術：

隨著激光增材制造技術的不斷更新和發(fā)展，其在家電、輕工、汽車等領域的產品研發(fā)中都得以廣泛應用，但對激光增材制造制件性能的研究發(fā)現，制件性能盡管在個別指標能夠達到同質材料的相應標準和規(guī)范，但總體上還是存在著一定的差距和很多不可避免的成型缺陷，其主要原因在于增材制造技術成形時“瞬態(tài)熔凝過程”所導致的制件內部的微觀缺陷（如裂紋、氣孔、夾渣、下塌等），以及增材制造工藝參數或設備等原因導致的缺陷（如孔洞、焊瘤、嚴重氧化等）。甚至由于工藝原因，容易導致結合層間的結合強度不夠，性能不一致等問題，使成形結構性能達不到要求，進而限制了該技術的應用。因此，在保證激光增材制造過程成型效率的同時，進一步實現缺陷的在線診斷以至避免缺陷，對激光增材制造的發(fā)展尤為重要。

我國的王宇寧等通過建立比色紅外測溫系統(tǒng)，對激光快速成形過程的溫度進行測量，研究了各工藝條件對激光快速成形溫度的影響規(guī)律及對成形組織性能的影響；張保森等基于當量法缺陷評價理論，結合激光熔覆層組織引起的超聲波衰減理論分析，對激光熔覆層中缺陷進行了無損評價；羅開玉等采用超聲無損檢測法對熔覆層的質量進行檢測和分析，對激光熔覆參數對熔覆質量的影響機制進行理論分析，結合激光熔覆質量的超聲波回波特征分析，確定熔覆層中缺陷的存在類型，并給出工藝參數的修改方向；閆曉玲等建立了激光熔覆再制造零件中超聲傳播及缺陷檢測數學模型，模擬了激光熔覆再制造零件中橫通孔、裂紋缺陷的回波信號，比較了數值模擬與實驗測量結果的一致性；楊柳杉等利用電荷耦合器件CCD攝像機、圖像采集卡和計算機等設備建立了一套激光熔覆熔池視覺檢測系統(tǒng)，通過VC++平臺結合圖像處理算法，對CCD采集到的熔池圖像進行閾值分割處理和偽彩色等處理，自主開發(fā)了一套用于熔池圖像處理的專用軟件，并建立了熔覆表面缺陷與熔池圖像特征之間的關系模型；洪蕾等分析了激光熔覆熔凝中等離子體藍紫光信號強度與熔覆層質量間的關系，結果表明檢測到的信號波動較小時，熔覆層表面質量較好。進而表明，光譜診斷在質量檢測上的應用，可以主要表現為對于光譜信號波動情況的研究，將信號的波動情況與實際成形相對應，進而實現由信號波動推斷成型質量的研究。

Smurov等人使用輻射高溫計測量加工區(qū)域熔池的溫度分布，測量熔池形狀與面積，并借助熔池面積與熔池深度的關聯，間接計算熔覆層的高度；M.L. Griffith等人通過使用比色成像分析系統(tǒng)，獲取熔池及周邊熱場的溫度分布情況，進而利用溫度場信息作為激光快速成形系統(tǒng)的反饋信息，實現質量控制；KobrynPA等采用高頻（45MHz）自動水浸超聲技術對金屬粉末材料的密度、裂紋和未熔合的探測與表征等進行了研究測試，表明了超聲檢測在增材制品內部質量檢測中的可行性；RometschPA等使用多色X射線技術，對選擇性激光熔融的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金制品進行了射線檢測靈敏度試驗研究，結果表明，射線檢測的分辨率不僅與材料的厚度有關，還與缺陷的位置有很大的關系，且對于2mm厚的該類制品，射線檢測的分辨率為0.2mm，對于10mm的厚度，分辨率則不到2mm；JyotiMazumder等在增材制造過程中對鉻的含量等情況進行光譜分析的實時監(jiān)測。在熔覆成形過程中，實時測得Cr原子百分含量為20.96%，實時測得H13合金粉末中，Cr原子百分含量為5.27%。由此，實現了在增材制造過程中等離子體及熔池成分的分析、標定。

上述研究采用各種方法對焊接過程、熔覆過程以及增材制造過程進行了光譜診斷及檢測，然而沒有文獻或方法對激光增材制造過程中的增材制造缺陷進行研究。

在激光增材制造過程中，激光束作為一種高能密度熱源，當其輻射到金屬材料上時會產生大量的金屬蒸汽和高溫高密度等離子體，從而輻射出對應的光信號。不同元素的等離子輻射光都對應特殊的波長，同時，在不同情況下其對應不同的輻射強度，而某種元素固定波長下輻射強度的波動或變化，則同樣對應了不同的實驗或生產情況，進而對應不同的成型效果。根據以上原理，本發(fā)明提出一種基于光譜診斷的激光增材制造過程中缺陷的在線診斷方法。

技術實現要素：

為了解決以上問題，本發(fā)明提出了一種基于光譜診斷的激光增材制造過程中缺陷的在線診斷方法，本發(fā)明針對激光增材制造過程中的多種增材制造缺陷進行光譜診斷，利用增材制造過程中光致等離子體的特征元素譜線實時監(jiān)測該過程，從而實現增材中增材制造缺陷的在線診斷。

為了實現上述目的，本發(fā)明提出了一種基于光譜診斷的激光增材制造過程中缺陷的在線診斷方法，其中在線診斷裝置包括光纖光譜儀，所述光纖光譜儀經數據線與計算機相連接，所述光纖光譜儀還經光纖與光纖探頭相連接，所述光纖探頭由機械萬向桿進行固定，所述方法包括以下步驟： 步驟一、調整光纖探頭的位置； 步驟二、當基于同軸送粉的金屬直接沉積系統(tǒng)開始工作時，通過所述光纖探頭采集激光增材制造過程中產生的光致等離子體光譜信號，并將上述光譜信號經光纖光譜儀送入計算機； 步驟三、從所述計算機的顯示界面上實時觀察不同波長的等離子體的相對輻射強度隨時間波動的情況，并確定作為分析對象的特征譜線； 步驟四、對所述特征譜線相對輻射強度時域圖進行濾波處理； 步驟五、結合所選特征譜線的相對輻射強度隨時間波動的時域圖及相應的濾波處理圖像，判斷激光增材制造過程中特征譜線的相對輻射強度是否存在急劇波動或者變化； 步驟六、如果存在，則說明在激光增材制造過程中存在制造缺陷； 步驟七、如果不存在，則說明在激光增材制造過程中不存在制造缺陷。

優(yōu)選的是，在所述步驟一中，將所述光纖探頭設置在距所述基于同軸送粉的金屬直接沉積系統(tǒng)中的激光束的入射位置40~100mm、并且高出該系統(tǒng)中的基板上表面5~20mm的位置，同時還要確保所述光纖探頭的采集位置與激光引導光在所述基板上表面的位置重合。

優(yōu)選的是，所述光纖探頭配以COL-UV/VIS 準直透鏡。

優(yōu)選的是，所述光纖光譜儀采樣頻率不小于10Hz，光譜分辨率不低于0.11nm。

優(yōu)選的是，所述步驟四中，濾波處理方式采用均值濾波處理或者中值濾波處理。

優(yōu)選的是，在所述步驟六中，還包括以下步驟： 步驟六一、判斷激光增材制造過程中特征譜線的相對輻射強度的圖線是否由相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡降波動或變化； 步驟六二、如果是，則說明在激光增材制造過程中存在凹陷的缺陷； 步驟六三、如果否，判斷激光增材制造過程中特征譜線的相對輻射強度的圖線是否由相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡升波動或變化； 步驟六四、如果是，判斷上述變化過程中的圖線是否相對穩(wěn)定； 步驟六五、如果是，則說明存在凸起缺陷； 步驟六六、如果否，則說明存在嚴重氧化缺陷。

本發(fā)明的該方案的有益效果在于上述基于光譜診斷的激光增材制造過程中缺陷的在線診斷方法，可以獲得十分準確的光致等離子體光譜信息，并快速準確地判斷激光增材制造過程缺陷的產生、出現時刻以及缺陷類型，以用于實際生產中激光增材制造的缺陷在線監(jiān)測，并為下一步實現激光增材制造過程的在線質量控制打下了基礎。

附圖說明

圖1示出了本發(fā)明所涉及的光譜采集系統(tǒng)的原理示意圖以及基于同軸送粉的金屬直接沉積系統(tǒng)的簡圖。

圖2示出了本發(fā)明所涉及的在線診斷方法的流程圖。

圖3示出了本發(fā)明實施例中增材成型實物示意圖與光致等離子體光譜信息空域圖、特征譜線相對輻射強度時域圖的關聯圖。

圖4示出了圖3中的特征譜線相對輻射強度時域圖的均值濾波圖像。

圖5示出了圖3中的特征譜線相對輻射強度時域圖的中值濾波圖像。

圖6示出了本發(fā)明實例中產生凹陷時宏觀成型實物示意圖與特征譜線相對輻射強度時域圖的關聯圖。

圖7示出了本發(fā)明實例中產生凸起（焊瘤）時宏觀成型實物示意圖與特征譜線相對輻射強度時域圖的關聯圖。

附圖標記：1-光纖光譜儀，2-計算機，3-光纖探頭，4-機械萬向桿，5-工作臺，6-基板，7-激光束，8-粉末，9-Ar保護氣，10-成型層，11-光致等離子體，A-第一區(qū)域，B-第二區(qū)域，C-第三區(qū)域，D-第四區(qū)域，E-第五區(qū)域，F-第六區(qū)域，G-第七區(qū)域，H-第八區(qū)域，I-第九區(qū)域，J-第十區(qū)域。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明所涉及的光譜采集系統(tǒng)包括光纖光譜儀1，所述光纖光譜儀1經數據線與計算機2相連接，所述光纖光譜儀1還經光纖與光纖探頭3相連接，所述光纖探頭3可由機械萬向桿4進行固定，以便根據實際情況任意調節(jié)光纖探頭3的位置以及角度，其中所述機械萬向桿4可采用漢頓53653萬向桿結構。

激光增材制造過程是基于同軸送粉的金屬直接沉積系統(tǒng)進行的，基于同軸送粉的金屬直接沉積系統(tǒng)屬于現有技術，本實施例中只給出簡圖，如圖1所示，基于同軸送粉的金屬直接沉積系統(tǒng)包括由工控機配合三軸聯動機械行走機構控制的工作臺5，基板6放置于所述工作臺5上，激光束7垂直照射在工件表面，聚焦位置在材料表面，同時按一定速率進行同軸送粉，進行激光增材制造，在增材制造過程中，將保護氣以一定的流量進行輸送，以防止成型層10的表面氧化。上述制造過程屬于現有技術，在此不做詳盡的說明。

在本實施例中，所述基板6采用316L不銹鋼板材，所述基板6的加工規(guī)格均為120×60×5mm。增材粉末8采用316L粉末，所述粉末8的粒度范圍為44~150μm。送粉器采用具有高精度和重復精度的GTVPF 2/2 型送粉器，送粉速率為13.4g/min。所述保護氣采用Ar保護氣9，流量為10L/min。所述激光束7由德國IPGPhotonics公司生產的YLS-6000型摻鐿光纖激光器產生，該激光器的最大輸出功率6000W，產生激光的波長范圍在1060-1070 nm，光束質量BPP≥4.0，在本實施例中，將激光器的輸出功率設定在1000W。所述光纖光譜儀1采用AvaSpec-ULS2048-8-USB2多通道型光纖光譜儀，可在接收外觸發(fā)信號僅延遲1.3 μs后開始采樣（時間抖動±21ns），最大采樣頻率可達900幅光譜/秒，采集波長范圍為200~1100nm（光譜分辨率為0.11±0.001nm），在本實施例中，所述光纖光譜儀1的采樣頻率不小于10Hz，光譜分辨率不低于0.11nm。所述光纖探頭3配以COL-UV/VIS 準直透鏡。在具體制造過程中，可以將激光器的輸出功率、掃描速度、送粉速率和保護氣四個參數作為可控變量，分別分析其在產生較小波動或較大變化時，導致產生增材制造缺陷的情況，其中掃描速度是指所述工作臺5由工控機配合三軸聯動機械行走機構控制下的行走速度。

具體的激光增材制造過程中缺陷的在線診斷方法的流程圖如圖2所示，所述方法包括以下步驟：

1）調整所述光纖探頭3的位置：將所述光纖探頭3設置在距所述激光束7的入射位置40~100mm、并且高出所述基板6上表面5~20mm的位置，同時還要確保所述光纖探頭3的采集位置與激光引導光在基板6上表面的位置重合；如圖2中步驟S201所示。

2）當基于同軸送粉的金屬直接沉積系統(tǒng)開始工作時，也就是開始激光增材制造時，通過所述光纖探頭3采集激光增材制造過程中產生的光致等離子體光譜信號，并將上述光譜信號經所述光纖光譜儀1送入所述計算機2，如圖2中步驟S202所示。

3）從所述計算機2的顯示界面上實時觀察不同波長的等離子體的相對輻射強度隨時間波動的情況，并確定作為分析對象的特征譜線，如圖2中步驟S203所示，具體的所述特征譜線要包括以下幾個要素：強度適中、輪廓性好、特征明顯、相對獨立。

4）對所述特征譜線相對輻射強度時域圖進行濾波處理，如圖2中步驟S204所示，具體的濾波處理方式可采用均值濾波處理或者中值濾波處理。

5）結合所選特征譜線的相對輻射強度隨時間波動的時域圖及相應的濾波處理圖像，判斷激光增材制造過程中特征譜線的相對輻射強度是否存在急劇波動或者變化，如圖2中步驟S205所示。

6）如果存在，則說明在激光增材制造過程中存在制造缺陷，如圖2中步驟S206所示。

7）如果不存在，則說明在激光增材制造過程中不存在制造缺陷，如圖2中步驟S207所示。

對于步驟6中存在制造缺陷的情況下，可以通過以下步驟進一步判斷是何種缺點：

1）判斷激光增材制造過程中特征譜線的相對輻射強度的圖線是否由相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡降波動或變化。

2）如果是，則說明在激光增材制造過程中存在凹陷的缺陷。

3）如果否，判斷激光增材制造過程中特征譜線的相對輻射強度的圖線是否由相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡升波動或變化。

4）如果是，判斷上述變化過程中的圖線是否相對穩(wěn)定。

5）如果是，則說明存在凸起（焊瘤）缺陷。

6）如果否，則說明存在嚴重氧化缺陷。

實施例1

本實例中，激光增材制造形成的增材成型實物示意圖如圖3（a）所示，所述成型層10分為第一區(qū)域A、第二區(qū)域B以及第三區(qū)域C，所述第一區(qū)域A和第三區(qū)域C的成型層10在制造過程中有Ar保護氣9進行保護，而所述第二區(qū)域B的成型層10在制造過程中沒有Ar保護氣9進行保護，這種情況就是模擬在生產過程中保護氣產生較大變化時的情況。

在激光增材的制造過程中，通過所述光纖探頭3采集激光增材制造過程中波長范圍為200~1100nm的光致等離子體光譜信息，并將上述光譜信息經光纖光譜儀1送至計算機2中，通過對比確定對314~419nm波段進一步分析。采集過程中，基于采集到的光譜信息確定特征譜線相應的相對輻射強度，進而建立與增材制造過程相對應的空域圖（波長、時間和強度間的關系），如圖3（b）所示，實時觀察不同波長的等離子體的相對輻射強度隨時間波動的情況，從中將強度適中、輪廓性好、特征明顯、相對獨立的FeI379.1nm和FeI384.0nm確定為特征譜線。

基于特征譜線FeI379.1nm的相對輻射強度，建立與增材制造過程相對應的時域圖，如圖3（c）所示，并對其進行合理的均值或者中值濾波處理，如圖4-5所示，以對去除噪聲因素干擾的圖線的波動和變化情況進行研究。結合圖3（a）中的增材成型實物示意圖、圖3（c）所示的特征譜線相對輻射強度時域圖以及圖4-5所示的濾波后的圖像進行分析，通過分析相對輻射強度隨時間的波動或變化情況，在線實時判斷出增材制造缺陷是否出現及出現的時刻，以達到對增材制造過程缺陷監(jiān)測的目的。

在本實施例中，可以看出所述第一區(qū)域A和第三區(qū)域C的成型層10在制造過程中有Ar保護氣9進行保護，而所述第二區(qū)域B的成型層10在制造過程中沒有Ar保護氣9進行保護，結合圖3（c）可以看出當保護氣狀態(tài)發(fā)生變化時，對應的光譜強度也會發(fā)生較明顯變化，其變化與成形缺陷嚴格對應。即，有氬氣保護時，增材成形較為良好，譜線相對輻射強度較低，波動性較??；而沒有氬氣保護時，增材成形很差，氧化嚴重，相對輻射強度相對較高，波動性較大。同時，通過對時域圖的進一步進行均值濾波處理（如圖4所示）或者進行中值濾波處理（如圖5所示）可以更加科學、清楚地發(fā)現光譜相對輻射強度與缺陷的對應關系。

實施例2

本實施例中，激光增材制造形成的增材成型實物示意圖如圖6（a）所示，所述成型層10分為第四區(qū)域D，第五區(qū)域E，第六區(qū)域F以及第七區(qū)域G，所述第四區(qū)域D和第六區(qū)域F的成型層10在制造過程中激光器的輸出功率為1200W，而所述第五區(qū)域E和第七區(qū)域G的成型層10在制造過程中激光器的輸出功率為700W，這種情況就是模擬在生產過程中激光器的輸出功率產生較大變化時的情況。

基于特征譜線FeI384.0nm的相對輻射強度，建立與增材制造過程相對應的時域圖，如圖6（b）所示，從圖中可以看出當圖線的狀態(tài)由所述第四區(qū)域D和第六區(qū)域F的相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡降波動或者變化時（所述第五區(qū)域E和第七區(qū)域G），說明增材制造過程中存在凹陷缺陷。

實施例3

本實施例中，激光增材制造形成的增材成型實物示意圖如圖7（a）所示，所述成型層10分為第八區(qū)域H，第九區(qū)域I以及第十區(qū)域J，所述第八區(qū)域H和第十區(qū)域J的成型層10在制造過程中的掃描速度為5mm/s，而所述第九區(qū)域I的成型層10在制造過程中的掃描速度低于5mm/s，這種情況就是模擬在生產過程中掃描速度產生較大變化時的情況。

基于特征譜線FeI384.0nm的相對輻射強度，建立與增材制造過程相對應的時域圖，如圖7（b）所示，從圖中可以看出當圖線的狀態(tài)由所述第八區(qū)域H和第十區(qū)域J的相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡升波動或者變化時（所述第九區(qū)域I），并且該變化過程中圖線相對穩(wěn)定，說明增材制造過程中存在凸起（焊瘤）缺陷。

通過以上三個實施例可以得出以下結論：所述特征譜線對應的相對輻射強度時域圖及其濾波圖像，處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)時，無增材制造缺陷產生；當其急劇波動或變化時，產生增材制造缺陷，具體表現為：圖線狀態(tài)由相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡降波動或變化時，出現凹陷缺陷（如圖6所示）；圖線狀態(tài)由相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡升波動或變化，但變化過程中圖線相對穩(wěn)定時，出現凸起（焊瘤）缺陷（如圖7所示）；圖線狀態(tài)由相對穩(wěn)定狀態(tài)出現陡升波動或變化，且變化過程中圖線仍處于較不穩(wěn)定波動狀態(tài)時，出現氧化嚴重缺陷（如圖3所示）。

本發(fā)明所涉及的基于光譜診斷的激光增材制造過程中缺陷的在線診斷方法，可以獲得十分準確的光致等離子體光譜信息，并快速準確地判斷激光增材制造過程缺陷的產生、出現時刻以及缺陷類型，以用于實際生產中激光增材制造的缺陷在線監(jiān)測，并為下一步實現激光增材制造過程的在線質量控制打下了基礎。