激光金属成形中材质缺陷红外热成像检测及靶向消除方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光金属增材制造技术领域，具体涉及一种激光金属成形中材质缺陷红外热成像检测及靶向消除方法。
【背景技术】
[0002]激光金属增材制造俗称激光金属3D打印，又称激光金属成形。由于激光金属增材制造过程是一个多物理场耦合的过程，成形过程中温度变化剧烈，成形零件中易出现裂纹、气泡、夹渣、层间孔隙、球化等微小材质缺陷，材质缺陷的尺寸范围通常从几十微米至几百微米。金属零件中的材质缺陷一方面将可能影响零件的使用性能；另一方面，在零件服役初期即使不影响使用性能，但在交变载荷的长期作用下裂纹等微小缺陷会逐渐扩展，最终有可能引发疲劳断裂事故。特别是在航空航天领域，一旦发生重要金属部件的疲劳断裂事故，将引发灾难性的后果。目前国内外金属增材制造缺陷检测与控制技术的研究，仍主要集中在对熔池物理参数进行在线检测和反馈控制以减少零件的外形尺寸缺陷上。对于裂纹、气泡等微小材质缺陷，目前还没有有效的在线检测和消除方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种激光金属成形中材质缺陷红外热成像检测及靶向消除方法，在激光金属成形中利用红外热成像检测技术，在线检出金属成形中表面及近表面的材质缺陷，并采用激光靶向重熔的方法消除缺陷，解决了现有技术无法对微小材质缺陷进行在线检测和消除的问题。
[0004]本发明采取的技术方案是，一种激光金属成形中材质缺陷红外热成像检测及靶向消除方法，按照以下步骤实施:
[0005]步骤1，在激光成型机送粉喷嘴的一侧设置红外热成像检测仪，在激光金属成形中，每制作完固定间隔的层数时，暂停制作，通过计算机控制工作台沿水平方向匀速移动，使固定在送粉喷嘴旁边的红外热成像检测仪的镜头利用金属零件的余温，在成形平面上方沿水平方向对金属成形表面进行非接触式扫描，并对金属成形表面拍照；对拍到的红外热成像检测图像进行在线分析，并结合镜头中心相对工作台的移动轨迹计算出缺陷的平面坐标方位，并将该平面坐标方位反馈给计算机；
[0006]步骤2，计算机根据缺陷处的平面坐标方位，控制激光束对检测出的缺陷进行靶向重熔以消除缺陷；靶向重熔结束后再次通过红外热成像检测仪对金属成形表面进行复检，如果还有缺陷继续进行激光靶向重熔，如果没有缺陷则继续下一层的制作。
[0007]步骤I对拍到的红外热成像检测图像进行在线分析，具体按照以下步骤实施:在红外热成像检测仪的镜头拍照时由计算机实时反馈的镜头中心在成形平面中的坐标为(m，η)，金属成形表面坐标原点位于工作台左下角，红外热成像检测图像的像素原点位于图像左上角，像素原点距离镜头中心的水平距离分别为X和y，每个像素在成形平面中代表的长度尺寸为PL ；
[0008]每次拍照所获取的sX t像素的BMP图像的各像素可用一个sX t的矩阵RG代表。用VC++2010提供的GetPixel函数依照BMP图像中的像素顺序依次获取各像素的RGB值并进行判断，如果图像中第i行j列的像素的RGB值的G值和B值均高于220，即判断该像素点为缺陷点，则将矩阵RG的第(i，j)个元素的值赋1，否则矩阵RG的第(i，j)个元素的值赋O。矩阵RG中的所有元素赋值完成后，再查找出矩阵RG中所有值为I的元素，根据以下公式计算缺陷在金属成形表面的坐标方位(X，Y):
[0009]X = m-x+iXPL，Y = n-y-jXPL。
[0010]本发明还具有以下特点:
[0011]优选地，固定间隔的层数为1-10层。
[0012]优选地，激光金属增材制造中的层厚为0.02-0.2_。
[0013]优选地，红外热成像检测仪的分辨率是384X288像素，采用的镜头为0.5倍微距镜头。
[0014]优选地，红外热成像检测镜头与金属成形表面的距离为5-lOcm。
[0015]优选地，对金属成形表面拍照为红外热成像检测仪的镜头每扫过2-lOcm2拍照一次。
[0016]优选地，激光靶向重熔的激光功率为激光金属成形功率的1-1.5倍。
[0017]本发明的有益效果是:本发明的方法是在激光金属成形中利用了红外热成像检测技术，自动在线检出金属成形表面及近表面的材质缺陷，并采用激光靶向重熔的方法消除缺陷，解决了现有技术无法对微小材质缺陷进行在线检测和消除的问题。本发明的方法能够有效提高激光成形金属零件的疲劳强度等关键力学性能，对于提高激光成形金属零件的使用性能和服役安全性，降低疲劳断裂的风险具有重要的意义，在航空航天、精密制造、汽车制造等产业领域，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0018]图1为本发明激光金属成形中材质缺陷红外热成像检测及靶向消除方法的流程示意图；
[0019]图2为本发明中激光金属成形中材质缺陷红外热成像检测的示意图；
[0020]图3为本发明中激光金属成形中材质缺陷靶向消除的示意图。
[0021]图中，1.计算机，2.数据线，3.材质缺陷，4.红外热成像检测仪，5.送粉喷嘴，6.金属零件，7.工作台，8.激光束。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的详细说明。
[0023]本发明提供了一种激光金属成形中材质缺陷红外热成像检测及靶向消除方法，参照图1，为具体流程示意图。
[0024]步骤1，在激光金属成形中，每制作完固定间隔的层数时，暂停制作，通过计算机I控制工作台7沿水平方向匀速移动，使固定在送粉喷嘴5旁边的红外热成像检测仪4的镜头在金属零件6的成形平面上方沿X、Y水平方向进行非接触式扫描，检测成形表面及近表面的材质缺陷3。通过红外热成像检测镜头对金属成形表面拍照，并对红外热成像检测图像进行在线分析，检测图像中RGB值的R值以及G值均高于220的像素点即判定为缺陷，计算机I的运算系统根据红外热成像检测仪4的镜头相对于工作台7的移动轨迹以及红外热成像检测图像中缺陷像素点在整幅图中的坐标方位计算出缺陷3在成形平面的坐标方位，并通过数据线2将该平面坐标方位反馈给计算机I的控制系统。红外检测时各工作部件的结构见图2。
[0025]步骤2，通过计算机I的控制系统控制激光束8对检测出的缺陷3进行靶向重熔以消除缺陷。靶向重熔结束后再次通过红外热成像检测仪的镜头4对金属零件6的成形平面进行复检，如果还有缺陷则继续进行靶向消除，如果没有缺陷则继续下一层的制作。靶向消除缺陷时各工作部件的结构见图3。
[0026]步骤I对拍到的红外热成像检测图像进行在线分析，具体按照以下步骤实施:在红外热成像检测仪的镜头拍照时由计算机实时反馈的镜头中心在成形平面中的坐标为(m，η)，金属成形表面坐标原点位于工作台左下角，红外热成像检测图像的像素原点位于图像左上角，像素原点距离镜头中心的水平距离分别为X和y，每个像素在成形平面中代表的长度尺寸为PL ；
[0027]每次拍照所获取的sXt像素的BMP图像的各像素是否为缺陷可用一个sXt的矩阵RG代表。用VC++2010提供的GetPixel函数依照BMP图像中的像素顺序依次获取各像素的RGB值并进行判断，如果图像中第i行j列的像素的RGB值的G值和B值均高于220，即判断该像素点为缺陷点，则将矩阵RG的第(i，j)个元素的值赋1，否则矩阵RG的第(i，j)个元素的值赋O。矩阵RG中的所有元素赋值完成后，再查找出矩阵RG中所有值为I的元素，根据以下公式计算缺陷在金属成形表面的坐标方位(X，Y):
[0028]X = m-x+iXPL，Y = n-y-jXPL。
[0029]上述固定间隔的层数可以为1-10层。
[0030]上述激光金属增材制造的层厚可以为0.02-0.2mm。
[0031]优选地，红外热成像检测仪的分辨率是384 X 288像素，即s = 384，t = 288，采用的镜头为0.5倍微距镜头。红外热成像检测镜头与金属成形表面的距离可以为5-lOcm。
[0032]对金属成形表面拍照为红外热成像检测镜头每扫过2-lOcm2拍照一次。
[0033]优选地，激光靶向重熔的