一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置與方法與流程

2024-02-23 17:19:15 1

本發明屬於紅外檢測和金屬增材製造的過程控制領域，更具體地，涉及一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置與方法。

背景技術：

金屬增材製造技術可以加工出一些常規金屬加工手段難以完成的產品，並且生產周期短、效率高。現今金屬增材製造領域比較成熟應用於工業生產的主要是利用雷射或者電子束作為熱源來對金屬粉末或金屬絲進行熔融燒結。如選擇性雷射燒結(SLS)、直接雷射燒結型(DMLS)和雷射堆焊型(SLM)及電子束熔煉(EMB)等。此類金屬增材製造技術可快速生產出高質量、高精度的產品，且已開始應用於航空航天、汽車製造、醫療器械等工業領域。

然而，雷射類增材製造和弧焊增材製造在製造過程中由於材料特性或特徵參量的影響不可避免存在如孔隙、裂紋、未熔合、成型偏差等內部和外部缺陷。目前，金屬增材製造產品的質量檢驗還是屬於完工檢驗層面，即製品完成後的質量檢驗。一方面利用尺寸掃描儀對構件外部尺寸進行檢驗來發現外觀缺陷和尺寸偏差；另一方面利用X射線探傷儀對構件內部探傷來檢測內部缺陷。但完工檢驗具有先天的缺陷——不具有實時性。產品一旦出現缺陷即意味著產品的報廢或者複雜的返工，造成了巨大的成本浪費。尤其是對一些加工尺寸較大的增材製造件，前期增材製造各層之間的缺陷如未熔合、氣孔等若不及時處理會直接影響後期增材製造層間質量，甚至導致整個產品不合格。因此，工業上亟須一種能夠在金屬增材製造過程中全程監控增材製造過程，並根據增材製造過程實時優化參數的裝置，能實現對缺陷的智能預防和實時檢測，對已產生了缺陷後及時停機或進行參數調整，從源頭上保證金屬增材製造件的質量，提高生產效率。

目前，對於雷射類金屬增材製造的過程監控方法尚沒有文獻資料記載。

而對於金屬融焊過程監控側重於熔道/熔池紅外傳感法，這是由於熔道/熔池紅外信息中包含了溫度、尺寸、形狀等與質量極其相關的參數。通過分析耦合這些參數可以對熔焊質量進行有效的判斷。

專利文獻CN104741802A公開了一種焊接質量監測系統及方法，所述系統包括焊槍、紅外熱像儀、圖像採集器等，所述方法為用紅外熱像儀採集雷射焊接熔池紅外信息並使用計算機分析成像數據參數，實現對焊點質量的評估。但專利文獻CN104741802A公開的系統和方法主要針對於雷射焊接的過程檢測，使用的採集裝置為高價的熱像儀，且該系統功能主要偏向於監測，缺少了焊接參數反饋環節。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置與方法，其目的在於實現金屬增材製造全過程的實時質量監測，當缺陷產生後可以及時採取措施，抑制缺陷擴展；當缺陷超過設定標準及時停止操作，便於採取措返工消除層間缺陷，防止產品報廢或完工後的返修。

為了實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置，該裝置包括：

增材製造操作單元，其一端安裝在工作檯上，另一端與焊槍或噴嘴連結，用於製造金屬工件；

紅外圖像信息採集單元，其安裝於所述增材製造操作單元靠近焊槍或噴嘴的一端，所述紅外圖像信息採集單元包括紅外採集設備，用於實時採集所述金屬工件的熔池及其周邊的紅外溫度場圖像；

圖像處理單元，其通過數據總線與所述紅外圖像信息採集單元連接，用於對所述紅外溫度場圖像進行處理並生成反饋指令；以及

反饋控制單元，其通過數據總線一端與所述圖像處理單元連接，另一端與所述增材製造操作單元連接，用於根據所述反饋指令控制所述增材製造操作單元，從而對參數進行調整以消除缺陷或者報警停機。

進一步地，所述紅外採集設備為紅外相機、紅外電荷耦合元件、紅外傳感器或紅外熱像儀。

進一步地，所述紅外採集設備的參數和配置可根據增材製造所選材料和熔池及周邊區域溫度場進行相應調節與更換，以滿足在不同溫度範圍、不同增材製造速度範圍內獲取更精確的紅外圖像。

進一步地，所述紅外圖像信息採集單元還包括散熱器，用於降低由於焊接弧光輻射產生的高溫，保證所述紅外圖像信息採集單元正常運作。

進一步地，所述紅外圖像信息採集單元還包括圖像採集卡，用於將採集的紅外溫度場圖像信息轉化為可視的數位訊號。

進一步地，所述紅外圖像信息採集單元還包括保護殼套，用於將所述紅外採集設備、散熱器及圖像採集卡集成安裝於其中，從而保護所述紅外採集設備、散熱器及圖像採集卡不受熱源工作時飛濺的損傷，同時能夠過濾部分弧光，減少對紅外採集設備成像的幹擾。

進一步地，所述圖像處理單元包括專家資料庫和處理器，用於將所述紅外溫度場圖像與標準穩態溫度場的紅外圖像進行比對，從而將尺寸缺陷直觀地反映在所述紅外圖像的形狀上，同時用於將內部缺陷間接地表示為所述紅外溫度場的深淺顏色和分布特徵，從而對所述尺寸缺陷和內部缺陷進行識別，並生成所述反饋指令。

進一步地，所述內部缺陷包括氣孔、裂紋、過熱或未熔合中的一種或多種。

按照本發明的另一個方面，提供一種應用所述基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置的控制方法，該方法包括如下步驟：

S1：將基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置安裝在工作檯上，調整好其位置；

S2：設置增材製造的參數，進行金屬工件的增材製造；

S3：基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置開始工作，所述紅外採集設備實時採集所述金屬工件的熔池及周邊區域的紅外溫度場圖像，並同時檢測層間溫度差；

S41：所述圖像處理系統根據所述紅外溫度場圖像，與標準穩態溫度場的紅外圖像進行比對，對可能出現的如焊瘤、未焊透、過熱等缺陷進行檢測識別，所述圖像處理系統識別出所述缺陷後，對缺陷的級別進行評定；

S411：若所述缺陷超過設定的標準值，則立即結束所述增材製造操作，對所述缺陷採取補救措施，待所述缺陷消除後進行下一層製造；

S412：若所述缺陷未超過設定的標準值，則通過所述反饋控制單元對增材製造操作單元的參數進行調控，對所述缺陷進行修補，從而消除所述缺陷，進行下一層製造；

S42：所述圖像處理系統根據所述層間溫度差，與設定標註值進行比對；

S421：若所述層間溫度差在合理的範圍內，則通過所述反饋控制單元調整增材製造單元的參數，從而實現後續溫度差的穩定；

S422：若所述層間溫度差超出了合理的範圍，則結束增材製造操作，採取處理措施。

進一步地，所述紅外溫度場圖像包括金屬工件的表面形貌、成形尺寸、成形缺陷和分層間溫度差。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發明的裝置，能夠實現金屬增材製造全過程的實時質量監測，當缺陷產生後可以及時採取措施，抑制缺陷擴展；當缺陷超過設定標準及時停止操作，便於採取措返工消除層間缺陷，防止產品報廢或完工後的返修，形成了一個完整的監測、反饋、調節過程。

(2)本發明的裝置使得金屬增材製造中機器檢驗代替人工或傳統技術的檢驗成為可能，製造中的整個檢驗過程實時、可追溯。

(3)本發明的裝置的模塊集成化可以使得系統具有良好的移植型、適應性。進行某些配置和參數的調整，即可具有將其應用於不同的金屬增材製造設備的可能性，可廣泛應用於金屬增材製造工業生產。

(4)相比較利用傳感器獲取熔池及周邊溫度等方式，本發明的裝置利用紅外相機等紅外採集設備拍攝熔池及其周邊紅外溫度場，能夠真實、準確、直觀的反應熔池及其周邊區域的幾何形貌及溫度場分布狀況。

(5)本發明的方法採取的通過調控增材製造層間溫度差來減少金屬增材製造件內部應力的方法，科學有效。

附圖說明

圖1為本發明實施例的一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置的示意圖；

圖2為本發明實施例的一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制方法的邏輯流程圖。

圖1中，相同的附圖標記表示相同的元件，其中：1-紅外採集設備，2-保護殼套，3-散熱器，4-輔助電源，5-圖像採集卡、6-固定機構、7-數據總線、8-顯示器、9-圖像處理單元、10-反饋控制單元，11-噴嘴或焊槍，12-工件，13-精密工作檯。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

圖1為本發明實施例的一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置的示意圖。如圖1所示，該系統包括：紅外採集設備1、保護殼套2、散熱器3、輔助電源4、圖像採集卡5、固定機構6、數據總線7、顯示器8、圖像處理單元9、反饋控制單元10、噴嘴或焊槍11、工件12和精密工作檯13。

如圖1所示，紅外採集設備1與散熱系統3、輔助電源4、圖像採集卡5集成安裝在保護殼套2內。紅外採集設備1用於實時採集熔池及其周邊的紅外溫度場圖像；散熱系統3用於降低由於弧光輻射產生的高溫，保證其他部件正常運作；輔助電源4用在特殊條件下保持相機及其他部件正常工作；圖像採集卡5用於將採集的紅外溫度場圖像信息轉化為可視的數位訊號；保護殼套2用於保護相機鏡頭和其他部件不受熱源工作時飛濺的損傷，同時能夠過濾部分弧光，減少對紅外相機成像的幹擾。

在本發明的優選實施例中，所示紅外採集設備1為紅外相機、紅外電荷耦合元件、紅外熱像儀或紅外傳感器等。

如圖1所示，數據總線7將採集的紅外溫度場圖像採集卡5和圖像處理單元9連接。數據總線7用於傳輸數位訊號；圖像處理單元9用於將採集的紅外溫度場圖像與標準穩態溫度場的紅外圖像進行比對，對於成型偏差等尺寸缺陷可以直觀反映在紅外圖像的形狀上，如溫度場出現彎曲，不連續等現象；對於氣孔、裂紋、未熔合等內部缺陷可以間接由紅外溫度場的顏色深淺程度和分布特徵來加以判別。基於圖像處理系統9對缺陷的識別，做出相應反饋指令，及時報警停機或者對參數進行調整以消除缺陷。

在本發明的優選實施例中，所述內部缺陷包括氣孔、裂紋、過熱或未熔合中的一種或多種。

如圖1所示，圖像處理系統9通過數據總線7與反饋控制單元11相連接。圖像處理系統9分析缺陷後發出的指令；所述反饋控制單元11控制操作所述增材製造操作單元，從而對參數進行調整以消除缺陷或者報警停機。

本發明基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置，實現了對增材製造過程進行表面形貌、成形尺寸、成形缺陷的實時監測，分層間溫度差的實時檢測和調整，實時識別增材製造缺陷並警報，並可全程記錄增材製造工程用於產品追溯。此外，本發明的裝置可應用於各種雷射類的金屬增材製造和熔池可見的熔化極和非熔化極的金屬增材製造的質量控制過程中，解決了現有增材製造中不能對金屬增材製造全過程進行控制的問題。

本發明一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制方法的一個實施例，通過上述一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置進行。圖2為本發明實施例的一種基於紅外信息的金屬增材製造過程控制方法的邏輯流程圖。如圖2所示，該方法包括如下步驟：

(1)增材製造之前的準備工作，包括本裝置的安裝固定等。

(2)準備完畢後，設置增材製造的參數，進行增材製造。

(3)同時，基於紅外信息的金屬增材製造過程控制裝置開始工作。此時，紅外相機1實時採集熔池及周邊區域的形貌和紅外溫度場信息。

(4)監測分為熔池及其周邊區域的檢測和層間溫度差檢測兩個並行的進程。

(41)熔池檢測進程負責判斷熔池及周邊區域溫度場分布是否正常，主要根據形貌特徵分析、溫度場檢測、標準溫度場比對等方式對可能出現的如焊瘤、未焊透、過熱等缺陷進行檢測識別；系統檢測出缺陷後，系統會對缺陷的級別進行評定，若缺陷超標則立即結束製造過程，對缺陷採取措施，保證缺陷消除後進行下一層製造；若缺陷未超標，則會根據缺陷出現的原因對增材製造設備參數進行調控；

(42)層間溫度差進程負責檢測相鄰增材製造層間的溫度差是否正常。若不正常，同樣會根據標準判斷是否合理；若層間溫度差在合理的範圍類，則調整增材製造參數以達到後續溫度差的穩定；若溫度差超出標準範圍，則結束增材製造，採取處理措施。

在本發明的優選實施例中，所述增材製造的參數包括電流、電壓、速度、噴粉/送絲量或保護氣中的一種或多種。

在本發明的優選實施例中，所述紅外溫度場圖像包括金屬工件的表面形貌、成形尺寸、成形缺陷以和分層間溫度差。

本發明的技術方案中，實施例中給出了效果較優的紅外採集設備，但本發明不限於實施例中給出的紅外相機，紅外採集設備包括紅外相機、紅外電荷耦合元件、紅外傳感器或紅外熱像儀，具體的紅外採集設備根據實際情況確定。

本發明基於紅外信息的金屬增材製造過程控制方法，提出了金屬增材製造實時參數調整的控制方法，減少了增材製造產品的殘次品率以及後期加工處理的工作量，提高了生產效率。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。