激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法与流程

本发明涉及激光熔覆领域，尤其涉及一种激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法。

背景技术：

激光熔覆（Laser Cladding)亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。

在激光熔覆过程中，光致等离子体温度的动态变化与熔覆过程稳定性和缺陷的产生有相当大的关系，同时，光致等离子体与熔池状态等又有紧密联系，彼此影响，共同决定了熔覆过程的稳定性和增材质量。实时检测等离子体在熔覆过程中的温度动态变化特征，能够揭示熔覆过程的物理机制，指导熔覆生产并改善熔覆质量。

我国的王宇宁等通过建立比色红外测温系统，对激光快速成形过程的温度进行测量，研究了各工艺条件对激光快速成形温度的影响规律及对成形组织性能的影响；张保森等基于当量法缺陷评价理论，结合激光熔覆层组织引起的超声波衰减理论分析，对激光熔覆层中缺陷进行了无损评价；罗开玉等采用超声无损检测法对熔覆层的质量进行检测和分析，对激光熔覆参数对熔覆质量的影响机制进行理论分析，结合激光熔覆质量的超声波回波特征分析，确定熔覆层中缺陷的存在类型，并给出工艺参数的修改方向；闫晓玲等建立了激光熔覆再制造零件中超声传播及缺陷检测数学模型，模拟了激光熔覆再制造零件中横连接孔、裂纹缺陷的回波信号，比较了数值模拟与实验测量结果的一致性；杨柳杉等利用电荷耦合器件CCD摄像机、图像采集卡和计算机等设备建立了一套激光熔覆熔池视觉检测系统，通过VC++平台结合图像处理算法，对CCD采集到的熔池图像进行阈值分割处理和伪彩色等处理，自主开发了一套用于熔池图像处理的专用软件，并建立了熔覆表面缺陷与熔池图像特征之间的关系模型；洪蕾等分析了激光熔覆熔凝中等离子体蓝紫光信号强度与熔覆层质量间的关系，结果表明检测到的信号波动较小时，熔覆层表面质量较好。进而表明，光谱诊断在质量检测上的应用，可以主要表现为对于光谱信号波动情况的研究，将信号的波动情况与实际成形相对应，进而实现由信号波动推断成型质量的研究。

Smurov等人使用辐射高温计测量加工区域熔池的温度分布，测量熔池形状与面积，并借助熔池面积与熔池深度的关联，间接计算熔覆层的高度；M.L. Griffith等人通过使用比色成像分析系统，获取熔池及周边热场的温度分布情况，进而利用温度场信息作为激光快速成形系统的反馈信息，实现质量控制；Rometsch P A等使用多色X射线技术，对选择性激光熔融的哈斯特洛伊耐蚀镍基合金制品进行了射线检测灵敏度试验研究，结果表明，射线检测的分辨率不仅与材料的厚度有关，还与缺陷的位置有很大的关系，且对于2mm厚的该类制品，射线检测的分辨率为0.2mm，对于10mm的厚度，分辨率则不到2mm；Jyoti Mazumder等在增材熔覆过程中对铬的含量等情况进行光谱分析的实时监测。在熔覆成形过程中，实时测得Cr原子百分含量为20.96%，实时测得H13合金粉末中，Cr原子百分含量为5.27%。由此，实现了在增材熔覆过程中等离子体及熔池成分的分析、标定。

上述研究采用各种方法对熔覆过程进行了光谱分析及检测，然而没有基于光谱诊断等离子体温度的文献或方法对激光熔覆过程中的熔覆缺陷进行研究。

在激光熔覆过程中，激光束作为一种高能密度热源，当其辐射到金属材料上时会产生大量的金属蒸汽和高温高密度等离子体，从而辐射出相应的元素特征谱线，而结合确定的特征谱线，根据等离子体温度计算方法，可以实时确定等离子体的温度。由于在不同的实验或生产工艺下，对应的等离子体温度是不同的，对应的成型效果也是有差异的，即等离子体在熔覆过程中的温度动态变化是与熔覆实时成型相对应的。因此，根据二者间的对应联系本发明提出一种激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法。

技术实现要素：

根据上述分析，本发明提出了一种激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法，本发明针对激光熔覆过程中的多种熔覆缺陷进行光谱分析，利用对熔覆过程中光致等离子体温度变化的实时检测监测熔覆过程，从而实现激光熔覆过程中缺陷的在线诊断。

为了实现上述目的，本发明提出了一种激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法，其中在线诊断装置包括光纤光谱仪，所述光纤光谱仪经数据线与计算机相连接，所述光纤光谱仪还经光纤与光纤探头相连接，所述光纤探头经探头夹具与激光熔覆系统中的熔覆头相连接，使光纤探头与熔覆头保持实时相对静止，所述方法包括以下步骤： 步骤1、对待熔覆工件进行预处理； 步骤2、调整所述光纤探头的位置； 步骤3、当激光熔覆过程开始的同时，通过所述光纤探头采集激光熔覆过程中产生的光致等离子体光谱信号，并将上述光谱信号经光纤光谱仪送入计算机； 步骤4、从所述计算机显示界面上观察不同波长的光致等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况以及元素特征峰的分布情况，并结合在NIST提供的在线数据库中查到的元素特征峰所对应的参量，确定作为分析对象的若干特征元素谱线； 步骤5、利用确定的若干特征元素谱线，根据Boltzmann作图法，二谱线或多谱线等离子体温度计算方法，实时确定光致等离子体温度，并做出其与时间对应的时域图； 步骤6、结合上述光致等离子体温度随时间波动的时域图，判断激光熔覆过程中光致等离子体温度是否存在急剧波动或变化； 步骤7、如果存在，则说明在激光熔覆过程中存在制造缺陷； 步骤8、如果不存在，则说明在激光熔覆过程中不存在制造缺陷。

优选的是，所述光纤探头配以准直透镜。

优选的是，所述光纤光谱仪采样频率不小于10Hz，光谱分辨率不低于0.15nm。

优选的是，所述探头夹具包括经由套筒结构形成垂直状的横向柱杆和竖直柱杆，所述横向柱杆的一端固定在固定侧板上，所述固定侧板用于与熔覆头相连接，所述竖直柱杆的下端部形成螺旋柱，圆形柱杆的上端设有与所述螺旋柱相匹配使用的螺帽，所述螺帽上还设有紧固螺丝，在所述圆形柱杆的下端部设有连接孔，探头固定夹经螺栓固定在所述圆形柱杆下端部的连接孔处。

优选的是，所述步骤1中的预处理包括对待熔覆工件的待熔覆表面进行除油和除锈处理。

优选的是，在所述步骤2中，将所述光纤探头设置在距激光束的入射位置30~80mm、并且高出所述待熔覆工件待熔覆上表面10~30mm的位置，同时还要确保所述光纤探头的采集位置与激光束在所述待熔覆工件待熔覆表面的入射位置实时重合。

优选的是，所述步骤4中，元素特征峰所对应的参量包括波长、辐射强度、跃迁概率、激发能级以及统计权重。

优选的是，当所述步骤5中的时域图的信号特征不明显时，选取限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、加权递推平均滤波法、复合滤波法中的一种或几种进行信号处理，以突出曲线特征。

优选的是，所述步骤7中还包括以下步骤： 步骤71、判断激光熔覆过程中光致等离子体温度的时域曲线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化； 步骤72、如果是，则说明在激光熔覆过程中存在凹陷的缺陷； 步骤73、如果否，判断激光熔覆过程中光致等离子体温度的时域曲线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化； 步骤74、如果是，则说明在激光熔覆过程中存在凸起或严重氧化缺陷。

本发明的该方案的有益效果在于上述激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法，可以获得十分准确的光致等离子体光谱信息，并快速准确地计算出等离子体温度，确定等离子体温度的实时变化，进一步判断激光熔覆过程缺陷的产生、出现时刻以及缺陷类型，以用于实际生产中激光熔覆过程的缺陷在线监测，并为下一步实现激光熔覆过程的在线质量控制打下了基础。

附图说明

图1示出了本发明所涉及的光谱采集系统的结构示意图以及基于同轴送粉的激光熔覆系统的结构简图。

图2示出了本发明所涉及的探头夹具的结构示意图。

图3示出了本发明所涉及的激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法的流程图。

图4示出了所选特征元素谱线的频域分布图。

图5示出了本发明所涉及的第一实施例中产生严重氧化缺陷时宏观成型实物示意图与相应光致等离子体温度时域曲线的关联图。

图6示出了本发明所涉及的第二实施例中产生凹陷缺陷时宏观成型实物示意图与相应光致等离子体温度时域曲线的关联图。

图7示出了本发明所涉及的第三实施例中产生凸起（焊瘤）缺陷时宏观成型实物示意图与相应光致等离子体温度时域曲线的关联图。

附图标记：1-光纤光谱仪，2-计算机，3-光纤探头，4-探头夹具，5-工作台，6-工件，7-激光束，8-粉末，9-Ar保护气，10-熔覆层，11-光致等离子体，12-固定侧板，13-横向柱杆，14-竖直柱杆，15-套筒结构，16-螺旋柱，17-圆形柱杆，18-连接孔，19-探头固定夹，20-紧固螺丝，21-螺帽，A-第一区域，B-第二区域，C-第三区域，D-第四区域，E-第五区域，F-第六区域，G-第七区域，H-第八区域，I-第九区域。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，本发明所涉及的光谱采集系统包括光纤光谱仪1，所述光纤光谱仪1经数据线与计算机2相连接，所述光纤光谱仪1还经光纤与光纤探头3相连接，所述光纤探头3可经探头夹具4与激光熔覆系统中的熔覆头相连接，使光纤探头3与熔覆头保持实时相对静止，所述光纤探头3还可以根据实际情况任意调节位置和角度。

所述探头夹具4的结构可以根据需求来设计，在本实施例中，所述探头夹具4的结构如图2所示，包括经由套筒结构15形成垂直状的横向柱杆13和竖直柱杆14，所述横向柱杆13的一端固定在固定侧板12上，所述固定侧板12用于与熔覆头相连接，所述竖直柱杆14的下端部形成螺旋柱16，圆形柱杆17的上端设有与所述螺旋柱16相匹配使用的螺帽21，所述螺帽21上还设有紧固螺丝20，在所述圆形柱杆17的下端部设有连接孔18，探头固定夹19经螺栓固定在所述圆形柱杆17下端部的连接孔18处。在使用时，根据实际情况调节所述横向柱杆13以及竖直柱杆14的位置；通过所述螺旋柱16、圆形柱杆17上端的螺帽21以及所述螺帽21上的紧固螺丝20，可以使所述探头固定夹19绕所述螺旋柱16旋转任意角度；所述探头固定夹19还可以绕所述螺栓所在轴线旋转任意角度。因此本实施例所涉及的探头夹具4能够满足多个自由度的需求。

本实施例中的激光熔覆过程是基于同轴送粉的激光熔覆系统进行的，基于同轴送粉的激光熔覆系统属于现有技术，本实施例中只给出结构简图，如图1所示，基于同轴送粉的激光熔覆系统包括基于西门子机床控制系统（精确控制熔覆头的运动）的AFS-C860V型激光熔覆设备（图中未具体示出）及工作台5，工件6刚性固定于所述工作台5上，激光束7垂直照射在工件6待熔覆表面，聚焦位置在材料表面，同时按一定速率进行同轴送粉，进行激光熔覆，在增材熔覆过程中，将保护气以一定的流量进行输送，以防止熔覆层10的表面氧化。上述熔覆过程属于现有技术，在此不做详尽的说明。

在本实施例中，所述工件6采用316L不锈钢板材，所述工件6的加工规格均为120×60×5mm。粉末8采用316L粉末，所述粉末8的粒度范围为44~150μm。送粉器采用具有高精度和重复精度的GTV PF 2/2MF 型送粉器，送粉速率为13.4g/min。所述保护气采用Ar保护气9，流量为10L/min。所述激光束7由德国IPG Photonics公司生产的YLS-6000型掺镱光纤激光器产生，该激光器的最大输出功率6000W，产生激光的波长范围在1060~1070nm，光束质量BPP≥4.0，在本实施例中，将激光器的输出功率设定在1000W。所述光纤光谱仪1采用AvaSpec-ULS2048-8-USB2多通道型光纤光谱仪，可在接收外触发信号仅延迟1.3 µs后开始采样（时间抖动±21ns），最大采样频率可达900幅光谱/秒，采集波长范围为200~1100nm（光谱分辨率为0.11±0.001nm），在本实施例中，所述光纤光谱仪1的采样频率不小于10Hz，光谱分辨率不低于0.15nm。所述光纤探头3配以COL-UV/VIS 准直透镜。在具体熔覆过程中，可以将激光器的输出功率、扫描速度、送粉速率和保护气四个参数作为可控变量，分别分析其在产生较小波动或较大变化时，导致产生熔覆缺陷的情况，其中扫描速度是指所述熔覆头在AFS-C860V型激光熔覆设备控制下的行走速度。

本发明所涉及的激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法的流程图如图3所示，具体包括以下步骤：

步骤1、对待熔覆工件6进行预处理，如图3中步骤S201所示；在熔覆之前，需要选取相应的待熔覆工件6及熔覆粉末8，为了提高缺陷的诊断精度，需要对待熔覆工件6的待熔覆表面进行除油和除锈等处理，之后将待熔覆工件6刚性固定在工作台5上的合适位置，以最大程度的防止熔覆过程中产生的工件变形。

步骤2、调整所述光纤探头3的位置，如图3中的步骤S202所示；将所述光纤探头3设置在距所述激光束7的入射位置30~80mm、并且高出所述工件6待熔覆上表面10~30mm的位置，同时还要确保所述光纤探头3的采集位置与激光束7在所述工件6待熔覆表面的入射位置（即熔覆过程的实时熔池位置）实时重合。

步骤3、当激光熔覆过程开始的同时，通过所述光纤探头3采集激光熔覆过程中产生的光致等离子体光谱信号，并将上述光谱信号经光纤光谱仪1送入计算机2，如图3中的步骤S203所示。

步骤4、从所述计算机2显示界面上观察不同波长的光致等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况以及元素特征峰的分布情况，并结合在NIST（美国国家标准与技术研究所NIST(national institute of standard and technology)）提供的在线数据库中查到的元素特征峰所对应的参量，确定作为分析对象的若干特征元素谱线，如图3中步骤S204所示。具体的元素特征峰所对应的参量包括波长（λ）、辐射强度（A_mn）、跃迁概率（E_n）、激发能级（E_m）、统计权重（g_m）等参量，在本实施例中，最终选出作为分析对象的六条特征元素谱线为FeI375.7nm，FeI383.9 nm，FeI385.9 nm，FeI387.2 nm，FeI387.8 nm和FeI388.6 nm，所选特征元素谱线的参数表如表1所示。

表1 所选FeI谱线参数表

从表1可以看出，所选的六条特征元素谱线均满足如下要求：(1)谱线的跃迁概率、统计权重值较准确；(2)谱线间上能级激发能之差△E要尽量大些；(3)所选谱线的波长范围要尽可能小；(4)无自吸收和干扰谱线，谱线强度的差别不宜太大；(5)所选特征谱线要强度适中、轮廓性好、特征明显、相对独立。如图4所示。

步骤5、利用确定的若干特征元素谱线，根据Boltzmann作图法，二谱线或多谱线等离子体温度计算方法，实时确定光致等离子体温度，并做出其与时间对应的时域图，如图3中步骤S205所示；其中Boltzmann作图法的精确度最高。

步骤6、结合上述光致等离子体温度随时间波动的时域图，判断激光熔覆过程中光致等离子体温度是否存在急剧波动或变化，如图3中步骤S206所示。

步骤7、如果存在，则说明在激光熔覆过程中存在制造缺陷，如图3中步骤S207所示。

步骤8、如果不存在，则说明在激光熔覆过程中不存在制造缺陷，如图3中步骤S208所示。

当步骤5中的时域图的信号特征不明显时，可以根据实际情况进行一定的信号处理，以突出其曲线特征。具体的可根据实际情况选取限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、加权递推平均滤波法、复合滤波法等滤波方式中的某一种或几种进行信号处理，以便突出其曲线特征。

对于步骤7中存在制造缺陷的情况下，可以通过以下步骤进一步判断是何种缺点：

步骤1、判断激光熔覆过程中光致等离子体温度的时域曲线是否由相对稳定状态出现陡降波动或变化。

步骤2、如果是，则说明在激光熔覆过程中存在凹陷的缺陷。

步骤3、如果否，判断激光熔覆过程中光致等离子体温度的时域曲线是否由相对稳定状态出现陡升波动或变化。

步骤4、如果是，则说明在激光熔覆过程中存在凸起（焊瘤）或严重氧化缺陷。

实施例1

本实施例中，激光熔覆后的熔覆成型实物示意图如图5（a）所示，所述熔覆层10分为第一区域A、第二区域B，所述第一区域A的熔覆层10在熔覆过程中有Ar保护气9进行保护，而所述第二区域B的熔覆层10在熔覆过程中没有Ar保护气9进行保护，这种情况就是模拟在生产过程中保护气产生较大变化时的情况。

在激光熔覆的过程中，通过所述光纤探头3采集激光熔覆过程中波长范围为200~1100nm的光致等离子体11光谱信息，并将上述光谱信息经光纤光谱仪1送至计算机2中，通过对比确定对314~419nm波段进一步分析。观察不同波长的等离子体的相对辐射强度随时间波动的情况及元素特征峰的分布情况，并结合在NIST提供的在线数据库中查到的元素峰对应的波长、辐射强度、跃迁概率、激发能级、统计权重等参量，选出FeI375.7nm，FeI383.9 nm，FeI385.9 nm，FeI387.2 nm，FeI387.8 nm和FeI388.6 nm六条谱线确定为特征谱线，利用确定的六条特征元素谱线及其相应特征参量，根据Boltzmann作图法，实时确定等离子体温度，并做出其与时间对应的时域图，如图5（b）所示。结合5（a）以及5（b），通过分析等离子体温度随时间的波动或变化情况，在线实时判断出熔覆缺陷是否出现及出现的时刻，以达到对激光熔覆过程缺陷监测的目的。

在本实施例中，可以看出所述第一区域A的熔覆层10在熔覆过程中有Ar保护气9进行保护，而所述第二区域B的熔覆层10在熔覆过程中没有Ar保护气9进行保护，结合图5（b）可以看出当保护气状态发生变化时，对应的光致等离子体温度也会发生较明显变化，其变化与形成的缺陷严格对应。即，有氩气保护时，熔覆成型较为良好，光致等离子体温度较低，波动性较小；而没有氩气保护时，熔覆成型很差，氧化严重，光致等离子体温度相对较高，波动性较大。

实施例2

本实施例中，激光熔覆后的熔覆成型实物示意图如图6（a）所示，所述熔覆层10分为第三区域C，第四区域D，第五区域E以及第六区域F，所述第三区域C和第五区域E的熔覆层10在熔覆过程中激光器的输出功率为1200W，而所述第四区域D和第六区域F的熔覆层10在熔覆过程中激光器的输出功率为700W，这种情况就是模拟在生产过程中激光器的输出功率产生较大变化时的情况。

基于特征谱线FeI375.7nm，FeI383.9 nm，FeI385.9 nm，FeI387.2 nm，FeI387.8 nm和FeI388.6 nm及其相应特征参量，根据Boltzmann作图法，实时确定等离子体温度，并做出其与时间对应的时域图，如图6（b）所示。从图中可以看出当图线的状态由所述第三区域C和第五区域E的相对稳定状态出现陡降波动或者变化时（所述第四区域D和第六区域F），说明激光熔覆过程中存在凹陷缺陷。

实施例3

本实施例中，激光熔覆后的熔覆成型实物示意图如图7（a）所示，所述熔覆层10分为第七区域G，第八区域H以及第九区域I，所述第七区域G和第九区域I的熔覆层10在熔覆过程中的扫描速度为5mm/s，而所述第八区域H的熔覆层10在熔覆过程中的扫描速度接近为0（近乎停止），这种情况就是模拟在生产过程中扫描速度产生较大变化时的情况。

基于特征谱线FeI375.7nm，FeI383.9 nm，FeI385.9 nm，FeI387.2 nm，FeI387.8 nm和FeI388.6 nm及其相应特征参量，根据Boltzmann作图法，实时确定等离子体温度，并做出其与时间对应的时域图，如图7（b）所示。从图中可以看出当图线的状态由所述第七区域G和第九区域I的相对稳定状态出现陡升波动或者变化时（所述第八区域H），说明激光熔覆过程中存在凸起（焊瘤）缺陷。

通过以上三个实施例可以得出以下结论：所述光致等离子体温度的时域曲线（或信号处理后的时域图）处于动态稳定状态时，无熔覆缺陷产生；当其急剧波动或变化时，产生熔覆缺陷，具体表现为：图线状态由相对稳定状态出现陡降波动或变化时，出现凹陷缺陷（如图6所示）；图线状态由相对稳定状态出现陡升波动或变化时，出现凸起（焊瘤）缺陷（如图7所示）或氧化严重缺陷（如图5所示）。

本发明所涉及的激光熔覆过程中的缺陷在线诊断方法，可以获得十分准确的光致等离子体光谱信息，并快速准确地计算出等离子体温度，确定等离子体温度的实时变化，进一步判断激光熔覆过程缺陷的产生、出现时刻以及缺陷类型，以用于实际生产中激光熔覆过程的缺陷在线监测，并为下一步实现激光熔覆过程的在线质量控制打下了基础。