激光金属成形中熔道材质缺陷的在线检测消除装置及方法
【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熔道材质缺陷的在线检测装置，还涉及利用该装置实现激光金属成形中熔道材质缺陷的在线检测消除方法，该装置和方法适用于激光金属沉积成形工艺。
【背景技术】
[0002]激光金属沉积成形(Laser Metal Deposit1n Forming，LMDF)俗称激光金属3D打印。该技术能够在无需任何模具和工装的条件下，根据计算机三维模型，通过金属材料的激光逐层熔化沉积成形的方式，实现复杂金属零件的直接近净成形，具有制造周期短、加工余量小、材料利用率高、工艺柔性高的独特优势，为复杂金属结构件的制造提供了一条新途径。激光金属沉积成形技术是增材制造领域的研究热点之一，受到世界各国的高度重视。由于激光金属沉积成形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、未熔合、夹渣等微小材质缺陷，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。对于激光金属成形零件内部的微小材质缺陷，目前还没有熔道成形扫描中的在线检测方法和相应的靶向消除方法。
【发明内容】
[0003]本发明的一个目的是提供一种激光金属成形中熔道材质缺陷的在线检测装置，通过具有超小检测目标尺寸的高精度光纤式双色测温仪的测温探头检测熔道上的异常温度波动来在线检测材质缺陷，且无需因检测而暂停成形制作，不会影响成形效率，解决了现有激光金属成形设备无法进行熔道成形扫描中的材质缺陷在线检测的问题。
[0004]本发明的另一个目的是提供利用上述装置实现激光金属成形中熔道材质缺陷的在线检测消除方法，且无需因检测而暂停成形制作，不会影响成形效率，解决现有技术无法对微小材质缺陷进行熔道成形扫描中的在线检测和靶向消除的问题。
[0005]本发明采取的一个技术方案是，一种激光金属成形中熔道材质缺陷的在线检测装置，与成形系统的控制计算机相连接，包括四台光纤式双色测温仪，四台光纤式双色测温仪的四个测温探头分别固定在同轴送粉喷嘴的左、右、前、后；四个测温探头的检测瞄准点的中心分别对准成形平面上成形扫描激光光斑的左、右、前、后，且位于距离激光光斑中心一定微距处，四个测温探头与同轴送粉喷嘴及激光束一起移动;在金属成形中，当同轴送粉喷嘴与激光束沿-X、χ、-Y、Y任一个方向扫描时，位于同轴送粉喷嘴扫描方向相反一侧的测温探头持续检测高温熔道上距激光光斑中心一定微距处的温度，并将温度传输给控制计算机。
[0006]本发明的特点还在于:
[0007]优选地，四个测温探头与金属成形表面的距离相等，且均为5?10cm。
[0008]优选地，四个测温探头在成形平面上的检测瞄准点的中心距离成形扫描激光光斑中心的微距相等，且微距的取值范围为1.5?3.5mm。
[0009]优选地，双色测温仪的响应时间为2ms，测温探头可承受250°C的高温，测温范围为350?1300 0C，测温光谱为1.52及1.64ym，测温精度为读数的0.5%+VC,探头最小检测瞄准直径为0.45mm，允许被检目标小于该直径。
[0010]本发明所采用的另一个技术方案是，利用上述在线检测装置实现激光金属成形中熔道材质缺陷的在线检测消除方法，按照以下步骤实施:
[0011]步骤I，在激光金属成形开始的同时开启光纤式双色测温仪，当同轴送粉喷嘴与激光束沿-X、X、Y、-Y任一个方向扫描时，由位于同轴送粉喷嘴扫描方向相反一侧的测温探头持续检测高温熔道上距成形扫描激光光斑中心一定微距处的温度，并将温度传输给成形系统的控制计算机；
[0012]步骤2，当计算机根据双色测温仪传来的温度信号判断出熔道某处的温度发生异常突变时，则判定该处存在材质缺陷，并计算出缺陷在成形平面的坐标方位;在该熔道扫描结束后，计算机控制激光束对该熔道上的缺陷依次进行靶向重熔以消除缺陷，当该熔道上所有缺陷都消除后，继续下一条熔道的成形扫描及材质缺陷的在线检测消除。
[0013]本发明的特点还在于:
[0014]步骤2计算缺陷在成形平面的坐标方位及缺陷靶向重熔的具体方法为:针对材质缺陷尺寸大部分都小于等于激光光斑尺寸，但也不排除会有少量大于激光光斑尺寸的缺陷的情况，对于小于或等于激光光斑尺寸的缺陷与大于激光光斑尺寸的缺陷，分别采取不同的靶向重熔策略。即根据异常温度波动出现时刻的激光光斑坐标值、异常温度波动消失时刻的激光光斑坐标值、相应测温探头在熔道上的检测瞄准点的中心相对激光光斑中心的微距，计算出缺陷起点的平面坐标方位(xl，yl)、缺陷中点的平面坐标方位(x0，y0)、缺陷终点的平面坐标方位(x2，y2)。再根据(xl，yl)点与(x2，y2)点的距离计算出缺陷沿熔道方向的长度L。如果L小于激光光斑直径d，则将该缺陷的尺寸标志Flag的值赋O;如果L大于等于d，则将Flag的值赋I ο如果缺陷尺寸标志Flag的值为O，计算机驱动激光束直接对缺陷中点坐标(x0，y0)处进行定点革E向重恪。如果该缺陷尺寸标志Flag的值为I，计算机驱动激光束从缺陷起点坐标(xl，yl)处沿着熔道移动至缺陷终点坐标(x2，y2)处，完成对整个缺陷的靶向重熔。
[0015]优选地，步骤I中检测高温熔道上距成形扫描激光光斑中心一定微距处的熔道温度，微距的取值范围为1.5?3.5mm。
[0016]优选地，步骤2中某处的熔道温度发生异常突变的判断方法为:在某处测得的熔道温度与成形中已测得的高温熔道距成形扫描激光光斑中心一定微距处温度的平均值相比，差值绝对值大于等于3 %时，认为该处熔道温度发生异常突变。
[0017]优选地，激光定点靶向重熔的时间是50ms。
[0018]优选地，激光束从(XI，yI)点沿熔道移动至(x2，y2)点的速度为激光金属成形的扫描速度。
[0019]本发明的有益效果是:本发明的材质缺陷在线检测装置和检测消除方法是在激光金属沉积成形系统中增加了四台高精度光纤式双色测温仪，在熔道成形扫描的同时检测激光束刚扫过的高温熔道上与成形扫描激光光斑一定微距处的温度，利用了如果高温熔道某处有材质缺陷，则该处的温度会有异常波动的原理来在线检测材质缺陷。该装置能实现智能在线检测，结构简单;该方法检测准确、易于实现，解决了现有技术无法对材质缺陷进行熔道成形扫描中的在线检测和靶向消除的问题，且无需因缺陷检测而暂停成形制作，不会影响成形效率。利用本发明的装置和方法能够有效消除激光金属成形零件的内部材质缺陷，对于提高激光金属成形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，在航空航天装备制造、精密制造、汽车制造等领域具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0020]图1为沿X轴熔道成形扫描中材质缺陷在线检测示意图；
[0021 ]图2为沿Y轴熔道成形扫描中材质缺陷在线检测示意图；
[0022]图3为激光金属成形中熔道材质缺陷靶向消除的示意图。
[0023]图中，1.计算机，2.双色测温仪，3.光纤，4.材质缺陷，5.测温探头，6.同轴送粉喷嘴，7.激光束，8.金属零件，9.基板，10.工作台。
【具体实施方式】
[0024]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。
[0025]本发明提供了一种激光金属沉积成形中熔道材质缺陷的在线检测装置，包括四台具有超小检测目标尺寸