基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法与流程

本发明属于金属增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法。

背景技术：

金属增材制造过程是一种多物理场耦合的过程，成形过程中存在各种不稳定因素，温度变化剧烈，熔池凝固速率较大，成形零件易出现焊道偏移、驼峰、流淌等宏观缺陷，零件内部易出现裂纹、气孔、夹渣等不可预知的冶金缺陷。气孔等微小缺陷在交变应力的长期作用下逐渐扩展，最终有可能引发疲劳断裂事故，特别是在航空航天领域，一旦发生重要部件的疲劳断裂事故，将造成灾难性的后果。

目前，金属增材制造零件的检测通常是在加工完毕后，对其进行超声波、射线、涡流、磁粉、渗透、红外热波等离线探伤检测。一方面由于零件结构的复杂性，整体检测会有检测盲区，例如结构重叠导致射线照不透，涡流的趋肤效应和边缘效应等造成零件漏检；另一方面，一旦检测发现工件内部存在缺陷，现有补焊、铣削等方法无法进行内部缺陷的修补，因此，加强质量控制，实时检测缺陷并处理，避免完工检测出现废品是当前电弧熔积增材制造迫切需要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法，其基于现有增材制造零件的检测特点，研究及设计了一种能够实时在线检测的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法，将传统加工完毕后的整体检测，转变为加工过程中以当前焊道为检测对象的分散检测。所述无损检测设备通过检测激光与基准激光的光程差实时获取熔池深度变化趋势，预测零件内部气孔缺陷，同时通过实时获取当前焊道宽度和高度的变化趋势来检测焊道表面驼峰、偏移、流淌等缺陷，如此最终实现了定向能量熔积过程内部缺陷及表面缺陷的实时原位在线无损检测，适用性较强，灵活性较好。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，所述无损检测设备包括第一分光器、激光发生器、第二分光器、第三分光器、干涉仪及上位机系统，所述激光发生器与所述第一分光器相连接，所述第一分光器分别与所述第二分光器及所述第三分光器相连接，所述第二分光器及所述第三分光器分别连接于所述干涉仪，所述干涉仪连接于所述上位机系统；

所述激光器用于发射激光束，所述第一分光器用于将所述激光束均分成两束，分别为检测光及基准光，所述第三分光器用于将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，且所述第一基准光及所述第二基准光分别传输给所述干涉仪；所述第二分光器用于将所述检测光分为第一检测激光及第二检激光，所述第一检测激光射入熔池底部并反射回所述干涉仪；所述第二检测激光射向所述熔池后方已经凝固的焊道的表面并反射回所述干涉仪；所述干涉仪用于根据所述第一检测光及所述第一基准光之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，还根据所述第二基准光与第二检测激光之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图；所述上位机系统用于对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，通过将不同焊道质量(正常焊道、包含内部气孔缺陷焊道、驼峰缺陷焊道、流淌缺陷焊道、偏移缺陷焊道)的特征信息(熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线)进行人工神经网络模型的建立及测试，得到内部气孔缺陷、焊道偏移、驼峰、流淌缺陷的分类识别模型，实现定向能量沉积过程中当前焊道的实时内部气孔缺陷及表面缺陷检测，由此实现定向能量沉积过程内部气孔缺陷及表面缺陷的原位在线无损检测。

进一步地，所述检测设备还包括第一检测激光头及第二检测激光头，所述第一检测激光头及所述第二检测激光头分别位于所述第一分光器的下方，所述第一检测激光头与所述熔池相对设置。

进一步地，所述检测设备还包括辅助导入装置，所述辅助导入装置与所述第一检测激光头同轴设置，其用于增强所述第一检测激光对所述熔池的穿透力。

进一步地，所述上位机处理系统对所述第二干涉图进行处理以得到焊道高度变化曲线，进而对所述焊道高度变化曲线进行一阶求导并把导数不为零的点进行累加以得到焊道的像素宽度，由此得到焊道宽度变化曲线。

进一步地，所述上位机系统根据熔池深度变化曲线与内部气孔缺陷的关系、以及所述熔池深度变化曲线来实时预测内部气孔缺陷。

进一步地，所述检测设备还包括第一光导纤维，所述第二分光器通过所述第一光导纤维分别连接于所述第一分光器及所述第三分光器。

进一步地，所述检测设备还包括第二光导纤维，所述第一分光器及所述第二分光器通过所述第二光导纤维分别连接于所述干涉仪，所述第一光导纤维的结构与所述第二光导纤维的结构相同。

进一步地，所述第一光导纤维包括纤芯和包层，所述包层包覆所述纤芯，所述纤芯是由透明材料制成的，所述包层是由折射率低于所述纤芯的折射率的材料制成的。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测方法，所述方法包括以下步骤：

(1)提供如上所述的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，并控制所述激光发生器发射激光束，所述第一分光器将所述激光束均分成检测光和基准光，所述检测光及所述基准光分别进入所述第二分光器及所述第三分光器；

(2)所述第二分光器将所述检测光分为第一检测光及第二检测光，所述第一检测光射入熔池底部并反射回所述干涉仪，所述第二检测光射向熔池后方已经凝固的焊道的表面并反射回所述干涉仪；同时，所述第三分光器将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，并将所述第一基准光及所述第二基准光传输给所述干涉仪；

(3)所述干涉仪依据所述第一检测光与所述第一基准光之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，还根据所述第二基准光与第二检测激光之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图；此外，所述干涉仪将得到的第一干涉图及所述第二干涉图传输给所述上位机系统；

(4)所述上位机系统对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，继而对待检测零件内部气孔缺陷及表面缺陷进行实时检测，通过将不同焊道质量(正常焊道、包含内部气孔缺陷焊道、驼峰缺陷焊道、流淌缺陷焊道、偏移缺陷焊道)的特征信息(熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线)进行人工神经网络模型的建立及测试，得到内部气孔缺陷、焊道偏移、驼峰、流淌缺陷的分类识别模型，实现定向能量沉积过程中当前焊道的实时内部气孔缺陷及表面缺陷检测，由此实现定向能量沉积过程内部气孔缺陷及表面缺陷的原位在线无损检测。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法主要具有以下有益效果：

1.本发明是在定向能量沉积过程中进行的，将传统加工完毕后的整体检测，转变为加工过程中以当前焊道为检测对象的分散检测，不存在检测盲区，不受零件结构复杂性、定向能量沉积过程高温性、焊道表面粗糙度的影响，避免了漏检，提高了检测精度及可靠性；同时一旦发现缺陷可以及时进行补焊和铣削，加强了质量管理，降低了废品率，提高了制造精度，降低了成本。

2.所述上位机系统用于对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，继而对待检测零件内部气孔缺陷及表面缺陷进行实时检测，由此实现定向能量沉积过程内部气孔缺陷及表面缺陷的原位在线无损检测，提高了检测的实时性及灵活性，适用性较强，且能够检测几乎所有的缺陷，能避免完工后检测出现废品带来不可扭转的巨大损失。

3.所述辅助导入装置与所述第一检测激光头同轴设置，其用于增强所述第一检测激光对所述熔池的穿透力，使得所述第一检测激光可以射入熔积形成的熔池的底部，实现了内部缺陷的实时检测，且加强了内部缺陷检测的准确性。

4.所述检测方法的流程简单，易于实施，适用于多种定向能量沉积方式，且所涉及仪器均容易获得，无需昂贵仪器或者专用设备，成本较低，有利于推广应用。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备的示意图；

图2是图1中的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备的工作原理示意图；

图3是本发明提供的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测方法涉及的焊道高度变化曲线图；

图4是本发明提供的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测方法涉及的焊道高度导数变化曲线图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-基板，2-焊道，3-定向能量沉积热源，4-辅助导入装置，5-第一检测激光头，6-第二检测激光头，7-第二分光器，8-激光发生器，9-第一分光器，10-第一光导纤维，11-第三分光器，12-第二光导纤维，13-干涉仪，14-上位机系统，15-熔池，16-第一检测激光，17-第二检测激光。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，所述无损检测设备包括定向能量沉积热源3、辅助导入装置4、第一检测激光头5、第二检测激光头6、第一分光器9、激光发生器8、第二分光器7、第一光导纤维10、第三分光器11、第二光导纤维12、干涉仪13及上位机系统14。

所述激光发生器8与所述第一分光器9相连接，所述第一分光器9通过所述第一光导纤维10分别连接于所述第二分光器7及所述第三分光器11，所述第二分光器7及所述第三分光器11通过所述第二光导纤维12分别连接于所述干涉仪13。所述第一检测激光头5及所述第二检测激光头6分别位熔池和焊道正上方，所述辅助导入装置4的中心轴与所述第一检测激光头5的中心轴重合，即两者同轴设置。所述定向能量沉积热源3临近基板1设置。

所述激光发生器8用于发射激光束，所述激光束进入所述第一分光器9，所述第一分光器9用于将所述激光束等分成两束，分别进入参考臂和样品臂以形成基准光和检测光。所述基准光进入所述第三分光器11，所述第三分光器11将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，并将所述第一基准光及所述第二基准光分别经所述第二光导纤维12传输给所述干涉仪13。

所述检测光进入所述第二分光器7，所述第二分光器7用于将所述检测光分为第一检测激光16及第二检测激光18，所述第一检测激光16射向所述定向能量沉积热源3在焊道2处所形成的熔池15，所述辅助导入装置4用于增强所述第一检测激光16对液态的所述熔池15的穿透能力，使得所述第一检测激光16可以射入熔积形成的所述熔池15的底部，并反射回所述干涉仪13。

所述第二检测激光18射向所述熔池15后方已经凝固的焊道2的表面，并反射回所述干涉仪13。所述第二检测激光18的扫描宽度覆盖焊道及部分底部基板1。

所述干涉仪13用于根据接收到的第一检测激光与第一基准激光利用波的叠加性来获取激光的相位信息，其基于所述第一基准光与所述第一检测激光16之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，基于此，所述上位机系统14得到熔池深度变化曲线。所述干涉仪13还用于根据接收到的所述第二基准光与第二检测激光18之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图，基于此，所述上位机系统14得到焊道高度变化曲线，对得到的焊道高度变化曲线进行滤波圆滑处理，并进行一阶求导，通过对导数不为零的点进行累加以得到焊道的像素宽度，最终得到焊道的宽度变化曲线。

熔池宽度变化信息可以概括焊接电流、焊接电压、焊接速度及线能量的影响，通过大量预实验来比较正常焊道和具有内部气孔缺陷焊道的熔池深度变化曲线的区别，以建立熔池深度变化曲线与内部气孔缺陷的关系，由此可实现基于熔池深度变化曲线的内部气孔缺陷的预测。同时，焊道偏移、驼峰、流淌等表面缺陷往往伴随着焊道宽度和高度的异常，通过数据样本采集、模型训练和测试可以通过在定向能量沉积的过程中，实时提取焊道宽度变化曲线及焊道高度变化曲线，通过模型实现偏移、驼峰、流淌等表面缺陷的识别分类与定位。

所述上位机系统14用于根据接收到的第一干涉图及第二干涉图进行处理得到熔池深度变化曲线、焊道高度变化曲线及焊道宽度变化曲线，进而依据熔池深度变化曲线完成待检测零件内部气孔缺陷的实时检测，同时还根据焊道高度变化曲线及焊道宽度变化曲线来完成待检测零件表面缺陷的识别与分类，由此完成待检测零件的内部气孔缺陷及表面缺陷的检测。

本实施方式中，所述激光发生器8的工作波段、频率、光斑覆盖面积等参数均可以根据定向能量沉积方式或者现场工况进行调整；所述第一光导纤维10和所述第二光导纤维12的结构相同，均包括纤芯和包层，所述包层包覆所述纤芯，所述纤芯是由透明材料制成的，所述包层是由折射率低于所述纤芯的折射率的材料制成的；所述定向能量沉积热源3是指聚焦热能的装置，聚焦热能是指将能量源(包括但不限于激光束、电子束、等离子束或等离子等)聚焦以熔化要沉积的材料；所述辅助导入装置4用于增强检测光对液态熔池的穿透能力，使检测光射向熔池底部，依据不同的定向能量沉积方式选择合适的辅助导入装置4，实时获得熔池深度；所述上位机系统14用于依据接收到的熔池深度变化信息、焊道宽度变化信息及焊道高度变化信息采用神经网络模型进行预测，以得到内部气孔缺陷、焊道偏移、驼峰、流淌缺陷的分类识别。

其中，相干成像技术的核心是迈克尔逊干涉仪，光源发出的光经过光纤分束器后，被均匀地分成两束，分别进入参考臂和样品臂，形成基准光和检测光，经过样品反射回来的检测光与反光镜反射回来的基准光再经光纤分束器相干并偶合到探测器上，产生的干涉信号被光电探测器探测并转换成电信号,再经解调器送到计算机，最后经过计算机对数据进行处理和分析获得样品的结构信息。

以下以一个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1

本发明第一实施例提供的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备使用的热源为电弧热源，定向能量沉积方式为熔化极惰性气体保护焊，热源与所述检测设备固定连接于一运动机构上，所述运动机构沿从右向左、从下向上的方向运动，实现了逐层3d打印。

所述检测设备的激光从脉冲激光器发出，经过第一分光器和第二光分光器得到检测光a和检测光b；经过第一分光器和第三光分光器得到基准光a和基准光b。

检测光a与辅助导入装置，即一高功率激光器同轴放置，检测光a被包裹于高功率激光器发出的辅助激光内部，照射到电弧热源形成的熔池底部，并通过原路反射回到辅助导入装置中。经过滤波器对高功率辅助激光进行分离去除，检测光a传入干涉仪，并与基准光a发生干涉，并经过数据采集卡将干涉波形导入计算机软件以计算相位差，得到熔池深度随时间变化的数据，并进一步通过预先训练得到的回归/分类模型快速判断内部缺陷情况。

检测光b直接照射到熔池后端已成形的焊道上，并反射回干涉仪，并与基准光b发生干涉，同样经过数据采集卡将干涉波形导入计算机软件，计算相位差，以得到成形焊道高度、宽度等信息随时间变化的数据，并通过预先训练得到的模型对偏移、驼峰、流淌等宏观缺陷实现精确快速的识别分类与定位。

本发明还提供了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测方法，所述无损检测方法主要包括以下步骤：

步骤一，提供如上所述的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，并控制所述激光发生器发射激光束，所述第一分光器将所述激光束均分成检测光和基准光，所述检测光及所述基准光分别进入所述第二分光器及所述第三分光器。

本实施方式中，激光发生器发出光纤耦合宽带光，经过第一分光器后，被等分成两束，分别进入参考臂和样品臂以形成基准光和检测光。

步骤二，所述第二分光器将所述检测光分为第一检测光及第二检测光，所述第一检测光射入熔池底部并反射回所述干涉仪，所述第二检测光射向熔池后方已经凝固的焊道的表面并反射回所述干涉仪；同时，所述第三分光器将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，并将所述第一基准光及所述第二基准光传输给所述干涉仪。

本实施方式中，基准光通过第三分光器，分为第一基准光和第二基准光，分别通过光纤偏振控制器和色散匹配原件的补偿和修正后，反射耦合回干涉仪。检测光通过第三分光器，分为第一检测激光和第二检测激光，本方法依据定向能量沉积热源形式，选择合适的辅助导入装置，将第一检测激光导入熔积形成的熔池底部；将第二检测激光射向熔池后方已凝固的焊道表面，激光扫描宽度覆盖焊道及部分底部基板。

步骤三，所述干涉仪依据所述第一检测光及所述第一基准光之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，还根据所述第二基准光与第二检测激光之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图；此外，所述干涉仪将得到的第一干涉图及所述第二干涉图传输给所述上位机系统。

本实施方式中，第一检测激光和第一基准光之间的相对光程差引起电场相位差，生成第一干涉图，进而得到熔池深度变化曲线；第二检测激光和第二基准光之间的相对光程差引起电场相位差，生成第二干涉图，对焊道高度变化曲线进行滤波圆滑处理，并进行一阶求导得到焊道高度导数变化曲线，通过对导数不为零的点进行累加，得到焊道的像素宽度，最终得到焊道的宽度变化曲线。

步骤四，所述上位机系统对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，继而对待检测零件内部气孔缺陷及表面缺陷进行检测，由此实现定向能量沉积过程内部气孔缺陷及表面缺陷的原位在线无损检测。

本实施方式中，金属增材制造过程是一个多物理场耦合的过程，成形过程中存在各种不稳定因素，导致焊道内部气孔缺陷的原因有很多，可以用熔池深度变化来概括定向能量沉积过程中各参数的综合影响，例如在电弧熔积的过程中，熔池深度变化信息可以概括焊接电流，焊接电压，焊接速度和线能量的影响，以实现焊道内部气孔缺陷的预测，在定向能量沉积过程中，实时记录熔池深度变化曲线，在焊道成形后用逐层磨削法确定气孔缺陷的实际分布和数量，通过大量预实验，比较正常焊道和具有内部气孔缺陷焊道的熔池深度变化曲线的区别，建立熔池深度变化曲线和内部气孔缺陷的关系，实现基于熔池深度变化曲线的内部气孔缺陷的实时预测。

焊道偏移、驼峰、流淌等宏观缺陷往往伴随着焊道宽度和高度的异常，通过大量实验，收集正常、驼峰、偏移、流淌等缺陷的焊道宽度、焊道高度变化曲线样本；通过训练和测试，基于人工神经网络建立最优检测和分类模型，在定向能量沉积的过程中，实时提取焊道宽度，焊道高度变化曲线，通过最优检测和分类模型实现偏移、驼峰、流淌等宏观缺陷的识别分类与定位；最终实现定向能量沉积过程中内部及表面缺陷的实时原位在线无损检测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。