一种激光增材制造粉末利用率在线监测方法与流程

本发明属于激光增材在线监测技术领域，具体地，是一种针对激光增材粉末利用率的在线监测方法。

背景技术

与传统加工模式不同，增材制造技术是一种“自下而上”逐层累加材料的过程，因其快速直接、智能化柔性化程度比较高，使传统的无法实现复杂结构件制造成为了现实。而激光增材制造技术因其能量密度高，可实现难加工材料的制造，同时其不受结构约束，能够实现结构复杂、难加工以及薄壁结构的制造，所以被广泛应用于增材制造中。但激光增材过程中高能耗、低生产率的生产特点对其发展有诸多限制。

粉末利用率是激光增材制造系统物耗多少及生产效率的重要指标，在激光增材过程中，粉末快速熔化再凝固，复杂的热传导过程中常常伴随着烧损、飞溅等现象，大大降低了粉末利用率，利用率的大小直接影响增材区域的质量以及增材过程的效率及稳定性,因而实现粉末利用率的在线监测则成为激光增材过程中至关重要的一部分。

目前激光增材领域，通过对增材过程监测来提高增材制造质量的方法已有一定进展，但目前还未有针对粉末利用率在线监测的有效方法。因此有必要提出能够在线监测激光增材粉末利用率的方法，以此解决激光增材过程中因粉末飞溅造成的粉末利用率低、加工部件质量差及加工工艺过程不稳定的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对激光增材粉末利用率的在线监测方法，由此解决了激光增材过程中粉末利用率在线监测的问题，从而可以实时获取激光增材制造过程中的粉末利用率值，该方法简单便捷，集成化程度高，可直接嵌入到目前监测系统中，同时适应性强，不受基体或进给材料的尺寸、属性等限制，也为后续科研与工程从业者通过对离焦量等参数的调节实现粉末利用率的在线修正与优化提供了一定的基础。

本发明的技术方案：

一种激光增材制造粉末利用率在线监测方法，该方法所用的激光增材粉末利用率在线监测系统，在原有激光增材及其在线监测系统的基础上增加图像在线处理单元和粉末利用率在线监测单元；原有激光增材及其在线监测系统包含激光器、激光头、位移装置、材料进给装置和图像旁轴采集单元；

所述的图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块、飞溅特征提取模块；

所述的粉末利用率在线处理单元根据图像在线处理单元所获取的粉末飞溅范围的高度和宽度特征在线得出粉末利用率值；

步骤如下：

(1)将工业相机和照明光源相互呈90°放置于垂直激光束扫描方向合适距离，并与粉末汇聚位置呈水平处，对工业相机采集设备进行对焦，并标定图像与实际尺寸的比例，图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；

(2)激光头与基体的相对位移或与已加工部分的相对位移由位移装置控制，在基体或已加工部分上进行增材加工，并通过工业相机实时采集粉末飞溅图像，采集帧率范围为20～500fps；

(3)图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理，包括灰度处理、图像滤波降噪、粉末飞溅范围高度和宽度提取，处理速度为10～200ms；

所述的灰度处理是使原图像灰度直方图中的灰度分布范围至少压缩至原图像的1/2；

所述的图像滤波降噪是去除激光束与粉末之间因散射作用所造成的干扰，去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末飞溅；

所述的粉末飞溅范围高度特征提取获得在基体或已加工部分反冲作用下粉末飞溅的最大高度像素值l1；

所述的粉末飞溅范围宽度特征提取可获得在基体或已加工部分反冲作用下粉末飞溅的最大宽度像素值l2；

(4)利用称重法计算实际粉末利用率s3：激光增材加工之前将送粉器调整到指定参数，并利用定容器接收从粉管输送出的粉末，然后称量在增材加工时间内送粉系统输送的粉末质量m，并称量增材加工前基体质量m1以及加工后基体质量m2，则激光增材粉末利用即激光增材过程中熔覆在基体上的粉末质量与该过程中送粉系统输送的总的粉末质量的比值：

(5)根据步骤(1)中的标定比例n:1，以及步骤(3)图像在线处理单元对特征图像的处理，确定激光增材制造过程中粉末飞溅范围的实际高度和实际宽度

(6)根据步骤(4)和步骤(5)建立实际粉末利用率s3与s1、s2的关系：s3＝f(s1,s2),s1,s2∈r⁺；

(7)根据步骤(6)中的粉末飞溅范围实际高度s1和实际宽度s2，确定激光增材过程中粉末利用率实时监测值。

所述的材料进给装置为送粉装置。

本发明的有益效果：

(1)本发明能够实现对激光增材制造过程中粉末利用率的实时在线监测，方法简单便捷，后续科研与工程从业者可通过对离焦量等参数的调节能够实现粉末利用率的在线修正与优化。

(2)本发明集成化程度高，可嵌入到目前监测系统中而不需新添加过多的硬件设备，并可实时采集宽度数据，针对熔池的视觉图像又可以进行更深层次的分析，如缺陷的在线检测等。

(3)本发明适用性强，不受进给材料或基体材料属性、尺寸、表面状态等问题的限制，具有较好的适应性。

附图说明

图1为激光增材制造粉末利用率在线监测系统的结构示意图。

图2为激光增材制造粉末利用率在线监测方法的流程示意图。

图中：1激光器；2位移装置；3激光头；4材料进给装置；5工业相机；6led照明光源；7计算机。

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。应该理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，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互相组合。

粉末利用率是激光增材制造系统物耗多少及生产效率的重要指标，在激光增材过程中，粉末快速熔化再凝固，复杂的热传导过程中常常伴随着烧损、飞溅等现象，大大降低了粉末利用率，利用率的大小直接影响增材区域的质量以及增材制造过程的效率及稳定性,因而实现粉末利用率的在线监测则成为激光熔覆过程中至关重要的一部分。目前激光增材制造领域，通过对增材制造过程监测来提高增材区域质量的方法已有一定进展，但目前还未有针对粉末利用率在线监测的有效方法。因此本发明提出了一种激光增材制造粉末利用率在线监测的方法。

参看图1，本实施例在图1所示平台进行，该硬件平台包括半导体激光器1、六轴机器人2、激光熔覆头3、送粉器4、工业相机5、led照明光源6和计算机7；采用工业相机5作为视觉图像采集设备，送粉方式为同轴送粉，激光器1与激光头3之间依靠光纤进行传输，图像在线处理单元和粉末利用率在线处理单元在一台计算机7中完成。本实施例所采用的粉末与基体材料均为316l，粉末直径为40～120μm,基体尺寸为170×10×8mm。

参看图2，实施例的步骤为：

1)将工业相机5和led照明光源6相互呈90°放置于垂直激光束扫描方向合适距离，并与粉末汇聚位置呈水平处，对工业相机5采集设备进行对焦，并标定图像与实际尺寸的比例，图像像素值与实际尺寸1mm的比例为6:1；

2)激光头3与基体或已加工部分的相对位移由位移装置2控制，通过离线预编程序在基体或已加工部分上进行增材加工，并通过工业相机5实时采集粉末飞溅图像，采集帧率为150fps；

3)图像在线处理单元对采集到的图像进行预处理，包括灰度处理、图像滤波降噪、粉末飞溅范围高度和宽度提取等，整体处理速度为每帧图像平均40ms；

所述的飞溅范围高度特征提取可获得在基体或已加工部分反冲作用下粉末飞溅的最大高度像素值l1；

所述的飞溅范围宽度特征提取可获得在基体或已加工部分反冲作用下粉末飞溅的最大宽度像素值l2；

4)利用称重法计算实际粉末利用率s3，结果如表1所示；

5)根据步骤1)中的标定比例6:1，以及步骤3)图像在线处理单元对特征图像的处理，确定激光增材制造过程中粉末飞溅范围的实际高度和实际宽度结果如表1所示；表1(a)(b)分别为本发明实例中316l基体及316l粉末加工过程离焦量为0.00mm、激光功率和送粉速度分别为变量时加工实验参数及粉末利用率与粉末飞溅范围的高度特征和宽度特征。

表1(a)

表1(b)

6)根据步骤4)和步骤5)建立实际粉末利用率s3与s1、s2的关系：s3＝f(s1,s2),s1,s2∈r⁺；

7)根据步骤6)中的粉末飞溅范围实际高度s1和实际宽度s2，确定激光增材过程中粉末利用率实时监测值。

该实例中拟合得出粉末利用率s3(％)与粉末飞溅宽度s2(cm)关系式为：s3＝5.7201s2-9.0881，两者之间相关系数为r＝0.8978；粉末利用率s3(％)与粉末飞溅高度s1(cm)关系式为：s3＝11.886s1+18.592，两者之间相关系数为r＝0.8131。表明粉末飞溅范围的高度特征和宽度特征都与粉末利用率有显著的相关性，因此，粉末飞溅特征可以作为粉末利用率监测中的监测对象，本发明提出的方法也可以通过对粉末飞溅范围特征的提取快速实现粉末利用率的有效检测，以此提高熔覆质量及熔覆过程的稳定。

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。