本发明涉及增材制造技术领域，更具体地说，涉及一种激光增材制造在线监测方法。
背景技术：
激光增材制造的过程不同于传统材料的制造，传统材料在经过铸造、锻造、加工后，采用x射线、超声等检测方法来确定材料是否合格，对于不合格的产品做报废处理或者采用焊接等方法进行补救。但激光增材制造由于是采用层层叠加而生产出来的，在监测与监控的质量监控方面要显著区别于传统的制造方法。
对增材制造来说，通常情况下，每一道激光扫描能熔化并重新凝固数层粉末，粉末层的厚度通常为20μm至几个mm。在每一次激光照射后将额外的粉末从工作区刮掉(铺粉)或者直接送上新的粉末(送粉)进行熔化，然后重复上述过程，直到构建出一个坚固的三维(3d)零件。每一个“构建”过程包含数以千计的分层，因此每次运行需要花费几十到几百个小时。每一次“构建”可以生成数十个相同或不同的零件。
综合上述问题一起考虑，特别是那些对结构起到关键作用的零件，广泛应用增材制造技术所要面临的重大挑战是成品的合格性以及如何检定其合格性。最近，关于增材制造的一些报道都在呼吁借助在线、闭环的过程控制和传感器来确保增材制造的质量、一致性和再现性。在线质量监测，有利于减少浪费，这将免除通常在构建后进行的检测或破坏性测试。
随着轮船、航空航天、轨道交通等行业的高速发展，在激光设备价格下降、自动化程度提高的影响下，对增材制造质量的要求越来越高，现有的质量检测方法已无法满足现有制造业对激光增材制造的质量要求和自动化的现实需求。因此，需要针对激光增材制造设计一种在线监测方法。
综上所述，如何有效地解决激光增材制造质量要求难以满足等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光增材制造在线监测方法，该激光增材制造在线监测方法可以有效地解决激光增材制造质量要求难以满足的问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光增材制造在线监测方法，包括：
实时采集熔池直径大小；
当采集的所述熔池直径大小不符合预先存储的激光功率p与熔池直径的关系时，则根据所述激光功率p与熔池直径的关系调整所述激光功率p以使采集的所述熔池直径大小符合预先存储的激光功率p与熔池直径的关系。
优选地，上述激光增材制造在线监测方法中，所述预先存储的激光功率p与熔池直径的关系，具体包括：
通过分别固定激光功率p、激光扫描速度v和送粉速率mp三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池直径，并以金相分析和计算得到的熔覆角度，确定激光功率p与熔池直径的关系并存储；
或者通过分别固定激光功率p、激光扫描速度v和铺粉厚度三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池直径，并以金相分析和计算得到的熔覆角度，确定激光功率p与熔池直径的关系并存储。
优选地，上述激光增材制造在线监测方法中，所述实时采集熔池直径之前，还包括步骤：
s01：将测试样品放置于指定位置；
s02：固定激光扫描速度v和激光送粉速率mp，变化不同的激光功率p进行实验，记录熔池形状，得到不同激光功率p下的熔池直径数据；
并对得到的实验样品进行金相分析，得到所述实验样品的熔池形状参数数据，并确定适合的所述激光功率和相对应的熔池直径数据，得到所述激光扫描速度v和所述激光送粉速率mp或铺粉厚度下熔池直径与激光功率的关系，依据判据确定有效关系式t1；
s03：固定激光功率p和激光送粉速率mp或铺粉厚度，改变激光扫描速度v进行实验，记录熔池形状，得到不同激光扫描速度v下的熔池直径数据和熔池直径数据；
并对得到的实验样品进行金相分析，得到所述实验样品的熔池形状参数数据，并确定适合的所述激光扫描速度v和相对应的熔池直径数据，得到所述激光功率p和所述激光送粉速率mp或铺粉厚度不变时的所述激光扫描速度v与熔池直径的关系，依据判据确定有效关系式t2；
s04：固定激光功率p和激光扫描速度v，改变送粉速率mp或铺粉厚度进行实验，记录熔池形状，得到不同送粉速率mp或铺粉厚度下的熔池直径数据；
并对得到的实验样品进行金相分析，得到所述实验样品的熔池形状参数数据，并确定适合的所述送粉速率mp或铺粉厚度和相对应的熔池直径数据，得到所述激光功率p和所述激光扫描速度不变时的所述激光送粉速率mp或铺粉厚度与熔池直径的关系，依据判据确定有效关系式t3；
s05：根据所述有效关系式t1、所述有效关系式t2和所述有效关系式t3，确定不同激光扫描速度、不同送粉速率或铺粉厚度下激光扫描功率p与熔池直径的有效关系式t4并存储。
优选地，上述激光增材制造在线监测方法中，所述记录熔池形状，具体包括利用ccd高速摄像机记录熔池形状。
优选地，上述激光增材制造在线监测方法中，所述步骤s1之前，还包括：
将多波长高温计、ccd高速红外摄像机、激光加工头、激光功率检测器、ccd高速摄像机和保护气管路按照要求进行安装设置。
优选地，上述激光增材制造在线监测方法中，所述激光加工头、所述激光功率计、所述ccd高速摄像机和所述多波长高温计同轴安装，所述保护气管路对准激光熔池的中心位置。
优选地，上述激光增材制造在线监测方法中，所述调整所述激光功率p，具体为：
通过激光功率检测器调整所述激光功率p。
应用本发明提供的激光增材制造在线监测方法，通过实时采集熔池直径大小；当采集的熔池直径大小不符合预先存储的激光功率p与熔池直径的关系时，则根据激光功率p与熔池直径的关系调整激光功率p以使采集的熔池直径符合预先存储的激光功率p与熔池直径的对应关系。从而实现在线监测与控制的目的，变事后检测为事中干预，对发展绿色制造、智能制造业具有更为深远的现实意义。
在一个优选的实施方式中，预先存储的激光功率p与熔池直径的关系，具体包括：通过分别固定激光功率p、激光扫描速度v和送粉速率mp三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池直径，并以金相分析和计算得到的熔覆角度，确定激光功率p与熔池直径的关系并存储。采用该关系数据进行实际工件的加工，并与系统中储存的标准数据，即该关系式进行对比，检测其是否符合激光增材的要求，从而实现在线监测与控制的目的。通过该方式获取激光功率p与熔池直径的关系简单可靠。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个具体实施例的激光增材制造在线监测方法的流程示意图；
图2为使用本发明提供的激光增材在线监测方法的在线监测装置的结构示意图；
图3为激光增材制造过程中形状示意图。
附图中标记如下：
1-基材；2-保护气管；3-熔覆层；4-激光束；5-高温温度测量计；6-激光功率测量计；7-光纤；8-ccd熔池图像摄像机；w-熔化层宽度；h-熔化层高度；ac-熔化层面积；am-基材被熔化的面积。
熔覆角度α为：
具体实施方式
本发明实施例公开了一种激光增材制造在线监测方法，以针对轮船、轨道交通等领域，满足大面积、大尺寸规范的材料焊接在线监测需求。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图3，图1为本发明一个具体实施例的激光增材制造在线监测方法的流程示意图；图2为使用本发明提供的激光增材在线监测方法的在线监测装置的结构示意图；图3为激光增材制造过程中形状示意图。
在一个具体实施例中，本发明提供的激光增材制造在线监测方法包括以下步骤：
s1：实时采集熔池直径大小；
s2：当采集的熔池直径大小不符合预先存储的激光功率p与熔池直径的关系时，则根据激光功率p与熔池直径的关系调整激光功率p以使采集的熔池直径符合预先存储的激光功率p与熔池直径的关系。
也就是预先获取激光功率p与熔池直径的关系并存储。在激光增材制造过程中，采用关系式进行实际工件的加工，当实时采集的熔池直径大小不符合该关系时，相应调整激光功率p以使得采集的当前熔池直径大小与激光功率p的对应关系符合上述预先获取的对应关系。通过上述过程实现在线监测与控制的目的，变事后检测为事中干预，对发展绿色制造、智能制造业具有更为深远的现实意义。
具体的，预先存储的激光功率p与熔池直径的关系，具体包括：
通过分别固定激光功率p、激光扫描速度v和送粉速率mp三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池直径，并以金相分析和计算得到的熔覆角度，确定激光功率p与熔池直径的关系并存储；
或者通过分别固定激光功率p、激光扫描速度v和铺粉厚度三者中的任两者，变化另一者进行试验并记录熔池直径，并以金相分析和计算得到的熔覆角度，确定激光功率p与熔池直径的关系并存储。
也就是通过试验，获取测试样品增材制造时对应熔池形状，并以金相分析和计算得到的熔覆角度，确定及形成相应的确定激光功率p与熔池直径关系数据，采用该关系数据进行实际工件的加工。
具体的，步骤s1实时采集熔池直径大小之前，还包括步骤：
s01：将测试样品放置于指定位置；
优选的，在放置测试样品之前，还可以先将将各个设备进行安装设置。具体为将多波长高温计、ccd高速红外摄像机、激光加工头、激光功率检测器、ccd高速摄像机和保护气管路按照要求进行安装设置。
s02：固定激光扫描速度v和激光送粉速率mp或铺粉厚度，变化不同的激光功率p进行实验，记录熔池形状，得到不同激光功率p下的熔池直径数据；
其中，记录熔池形状，具体包括利用ccd高速摄像机记录熔池形状。根据需要，也可以采用其他常规的设备采集熔池形状并记录。
需要说明的是，固定激光扫描速度v和激光送粉速率mp或铺粉厚度，指固定激光扫描速度v和激光送粉速率mp，或者固定激光扫描速度v和铺粉厚度，其他工艺参数包括激光光斑d和激光离焦量在整个加工过程中保持设备的既有参数不变，如下同。具体可利用红外ccd相机记录熔池形状，得到上述固定的激光扫描速度v和激光送粉速率mp下，不同激光功率p下的熔池直径数据，或者得到上述固定的激光扫描速度v和铺粉厚度下，不同激光功率p下的熔池直径数据。具体的，红外ccd摄像机直接拍摄熔池的形状，利用所连接的计算机自动计算熔池的大小。
s03：对步骤s02中得到的实验样品进行金相分析，得到实验样品的熔池形状参数数据，并确定适合的激光功率和相对应的熔池直径数据，得到激光扫描速度v和激光送粉速率mp或铺粉厚度下熔池直径与激光功率的关系，依据判据确定有效关系式t1；
需要说明的是，依据判据确定有效关系式t1，其选择的原则如图3所示，进行金相分析时，利用金相显微镜所带的标尺，测出相应的熔化层高度熔化层宽度w、熔化层高度h、熔化层面积ac和基材被熔化的面积am，带入熔覆角度公式进行计算，要求熔覆角度α为：0°＜α＜90°。同时，在进行实验时，对不能形成熔池、熔道、成形不连续和其他肉眼分辨不符合成形要求的则不进行计算，直接剔除相应的加工参参数。通过将不符合成形要求及不满足熔覆角度要求的熔池直径与激光功率数据剔除，确定有效关系式t1。后续有效关系式t2、有效关系式t3和有效关系式t4的判据与上述原则相同。
s04：固定激光功率p和激光送粉速率mp或铺粉厚度，改变激光扫描速度v进行实验，记录熔池形状，得到不同激光扫描速度v下的熔池直径数据和熔池直径数据；
s05：对步骤s04中得到的实验样品进行金相分析，得到实验样品的熔池形状参数数据，并确定适合的激光扫描速度v和相对应的熔池直径数据，得到激光功率p和激光送粉速率mp或铺粉厚度不变时的激光扫描速度v与熔池直径的关系，依据判据确定有效关系式t2；
上述步骤s04中，在步骤s02固定激光扫描速度v和激光送粉速率mp时，则相应的固定激光功率p和激光送粉速率mp；在步骤s02固定激光扫描速度v和铺粉厚度时，则相应的固定激光功率p和铺粉厚度。
s06：固定激光功率p和激光扫描速度v，改变送粉速率mp或铺粉厚度进行实验，记录熔池形状，得到不同送粉速率mp或铺粉厚度下的熔池直径数据；
s07：对步骤s06中得到的实验样品进行金相分析，得到实验样品的熔池形状参数数据，并确定适合的送粉速率mp或铺粉厚度和相对应的熔池直径数据，得到激光功率p和激光扫描速度不变时的激光送粉速率mp或铺粉厚度与熔池直径的关系，依据判据确定有效关系式t3；
需要说明的是，上述步骤s02、s03的有效关系式t1的确定，步骤s04、s05的有效关系式t2的确定及步骤s06、s07的有效关系式t3的确定，优选的按照上述顺序依次确定有效关系式t1、有效关系式t2和有效关系式t3，也可以根据需要调整各有效关系式的确定顺序，也就是步骤s02、s03的整体与步骤s04、s05的整体和步骤s06、s07的整体，三者的顺序并不作限定。
s08：根据有效关系式t1、有效关系式t2和有效关系式t3，确定不同激光扫描速度、不同送粉速率或铺粉厚度下激光扫描功率p与熔池直径的有效关系式t4并存储。
通过确定的不同激光扫描速度、不同送粉速率或铺粉厚度下激光扫描功率p与熔池直径的有效关系式t4并存储，进而后续采用该关系数据进行实际工件的加工。
具体的，激光加工头、激光功率计、ccd高速摄像机和多波长高温计同轴安装，保护气管路对准激光熔池的中心位置。
在上述各实施例的基础上，调整激光功率p，具体为：
通过激光功率检测器调整激光功率p。也就是激光功率检测器具备反馈和检测功能，用于功率的测量和反馈、功率的自动调节。优选的，该激光功率检测器可以对800～1200nm范围内波长的激光进行在线测量。
优选的，可以采用高温计用来测量激光熔池中心温度，温度测量范围为800～2700℃，该测温计为自动和不接触测量装置，该高温计直接同光纤连接。
上述红外摄像机采集的是整个激光作用区的温度，该红外摄像配置的基本要求为拍摄速度为每秒超过40幅图，同时该摄像机在温度为600～2900℃范围内可以稳定的进行拍摄，该摄像机的安装与激光束同轴。
上述有效关系式t4中，直接以熔池直径为变量来进行控制，在扫描速度和送粉速率(或者铺粉厚度不变时)，熔池直径的变化则相应地以激光功率做相应的变化，从而实现在线监测。有效关系式t1、有效关系式t2、有效关系式t3和有效关系式t4均可通过实验结果确定，其中的主要单位为：p为实际激光功率，单位为w，v为实际激光扫描速度，单位mm·s-1，mp为送粉速率，单位为g.min-1(送粉时)，铺粉后的单位为mm(铺粉时)。
下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
一种激光增材制造在线监测方法，包括以下步骤：
s1：将各个设备进行安装设置；具体为多波长高温计、ccd高速红外摄像机、激光加工头、激光功率检测器(具备反馈和检测功能，用于功率的测量和反馈、功率的自动调节)、ccd高速摄像机、保护气管路按照要求进行安装设置；
s2：测试样品放置于指定位置；此处选用316l不锈钢为粉末，在316l不锈钢基体上进行增材制造，采用送粉的方式。
s3：固定激光扫描速度(v＝10mm.s-1)和激光送粉速率(mp＝7g/min,激光光斑d＝3mm和激光离焦量f＝0，在整个加工过程中保持设备的既有参数不变，如下同)，变化不同的激光功率(p＝200～1700w)进行实验，利用ccd相机记录熔池形状，得到不同激光功率下的熔池直径数据；
s4：对s3中得到的实验样品进行金相分析，得到样品的熔池形状参数数据，由此确定适合的激光功率以及相对应的温度数据，得到此扫描速度和送粉速率下熔池直径与激光功率的关系，依据判据确定有效关系式t1，此时的熔池直径有效区间为1.7～3mm，激光功率为1000～1500w，每一个具体参数下的熔池直径和加工参数数据都是一一对应。
s5：固定激光功率(p＝1000w)和送粉速率(mp＝7g/min)，改变激光扫描速度(v＝6～20mm.s-1)，进行一系列实验，由此得到不同扫描速度的条件下熔池直径数据；
s6：对s5中的实验样品进行金相分析，得到样品的形状系数，由此确定功率和送粉速率不变时的扫描速度与熔池直径的关系，依据判据确定有效关系式t2，此时的有效的熔池直径为：2～3mm，扫描速度为：7～14mm.s-1；每一个具体参数组合下的熔池直径和激光加工参数数据都是一一对应。
s7：固定激光功率(p＝1200w)和激光扫描速度(10mm.s-1)，改变送粉速率(此处选择送粉的方式，送粉速率mp＝5-20g.min-1)，得到一系列送粉速率与熔池直径的数据；
s8：对s7中的试样进行金相分析，依据判据，确定有效关系式t3，得到的有效数据为：有效的熔池直径为：2.1～3.1mm，送粉速率mp＝6-15g.min-1；
s9：将有效关系式t1、t2和t3排列在一起，确定激光功率p变化与熔池直径的关系式t4，此时熔池直径的变化范围为1.7～3.1mm，激光功率p的变化范围为：1000-1500w，每一个激光功率和扫描速度的组合，则有一个确定的送粉速率与之对应，同理，每一个激光功率和送粉速率的组合，则有一个确定的扫描速度与之对应。
s10：采用关系式t4，对实际工件进行激光增材制造的在线监测；
s11：如果在监测的过程中发现温度波动，由于本次在线监控过程中，选择激光功率为变化控制量，采用系统中存储的激光功率、扫描速度和送粉速率进行激光增材制造时，测得的熔池直径发生波动，则激光功率相应的调整到系统中与之对应的激光功率中进行加工，以确保激光功率与熔池直径是对应的。系统自动依据关系式t4进行激光功率的调整。由此完成整个激光在线监测的过程。
上述步骤s1中的高温计用来测量激光熔池大小，熔池直径范围为1.7～3.1mm，该测温计为自动和不接触测量装置，该高温计直接同光纤连接。
按照以上步骤，实现了316l上制备316l粉末的增材制造监控。
实施例二：
本实施例与实施例一存在的不同之处在于，采用送粉的办法进行激光增材制造，采用的粉末为t400，实验基板为316不锈钢。
t1参数的获取阶段，激光功率选取1000-1800w，速度为9mm.s-1，送粉速度为7g.s-1，经过金相分析和稀释率的计算，得到有效功率区间为1000-1500w，熔池大小2～3mm；
t2阶段参数的获取，扫描速度3-19mm.s-1，功率1200w，送粉速度为8g.s-1，经过金相分析和稀释率的计算，测得熔池直径范围为2.4-3mm，有效的扫描速度范围为7-12mm.s-1；
t3阶段，送粉速率选取为3-20g.s-1，功率1200w，速度2mm.s-1，经过金相分析和熔覆角度的计算，有效送粉速率范围为7-13g.s-1，测得熔池直径2-3.1mm。
对t1、t2、t3放在一起进行综合，得到熔池直径和扫描速度、铺粉厚度与激光功率之间的关系t4，在实际运行时，一旦熔池直径发生变化，则相应的进行功率的调整。
综上所述，本发明提供的一种激光增材制造在线监测方法，通过优化工艺参数，同测试样品测得的数据曲线进行分析计算，得出最合适的激光加工参数，采用该参数进行作为实际测得的数据，进行计算分析，工作时，对比有效熔池直径区间差值是否符合标准，从而实现在线监测和控制的目的。具有可控性好、加工效率高的优点，能够更好的应用于轮船、轨道交通等领域具有一定高度、薄壁零件的在线监测，更好的适应柔性制造环境，具有更为深远的现实意义。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。