激光金屬成形中材質(zhì)缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光金屬增材制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光金屬成形中材質(zhì)缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光金屬增材制造俗稱激光金屬3D打印，又稱激光金屬成形。由于激光金屬增材制造過程是一個(gè)多物理場耦合的過程，成形過程中溫度變化劇烈，成形零件中易出現(xiàn)裂紋、氣泡、夾渣、層間孔隙、球化等微小材質(zhì)缺陷，材質(zhì)缺陷的尺寸范圍通常從幾十微米至幾百微米。金屬零件中的材質(zhì)缺陷一方面將可能影響零件的使用性能；另一方面，在零件服役初期即使不影響使用性能，但在交變載荷的長期作用下裂紋等微小缺陷會逐漸擴(kuò)展，最終有可能引發(fā)疲勞斷裂事故。特別是在航空航天領(lǐng)域，一旦發(fā)生重要金屬部件的疲勞斷裂事故，將引發(fā)災(zāi)難性的后果。目前國內(nèi)外金屬增材制造缺陷檢測與控制技術(shù)的研究，仍主要集中在對熔池物理參數(shù)進(jìn)行在線檢測和反饋控制以減少零件的外形尺寸缺陷上。對于裂紋、氣泡等微小材質(zhì)缺陷，目前還沒有有效的在線檢測和消除方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種激光金屬成形中材質(zhì)缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法，在激光金屬成形中利用紅外熱成像檢測技術(shù)，在線檢出金屬成形中表面及近表面的材質(zhì)缺陷，并采用激光靶向重熔的方法消除缺陷，解決了現(xiàn)有技術(shù)無法對微小材質(zhì)缺陷進(jìn)行在線檢測和消除的問題。
[0004]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，一種激光金屬成形中材質(zhì)缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法，按照以下步驟實(shí)施:
[0005]步驟1，在激光成型機(jī)送粉噴嘴的一側(cè)設(shè)置紅外熱成像檢測儀，在激光金屬成形中，每制作完固定間隔的層數(shù)時(shí)，暫停制作，通過計(jì)算機(jī)控制工作臺沿水平方向勻速移動(dòng)，使固定在送粉噴嘴旁邊的紅外熱成像檢測儀的鏡頭利用金屬零件的余溫，在成形平面上方沿水平方向?qū)饘俪尚伪砻孢M(jìn)行非接觸式掃描，并對金屬成形表面拍照；對拍到的紅外熱成像檢測圖像進(jìn)行在線分析，并結(jié)合鏡頭中心相對工作臺的移動(dòng)軌跡計(jì)算出缺陷的平面坐標(biāo)方位，并將該平面坐標(biāo)方位反饋給計(jì)算機(jī)；
[0006]步驟2，計(jì)算機(jī)根據(jù)缺陷處的平面坐標(biāo)方位，控制激光束對檢測出的缺陷進(jìn)行靶向重熔以消除缺陷；靶向重熔結(jié)束后再次通過紅外熱成像檢測儀對金屬成形表面進(jìn)行復(fù)檢，如果還有缺陷繼續(xù)進(jìn)行激光靶向重熔，如果沒有缺陷則繼續(xù)下一層的制作。
[0007]步驟I對拍到的紅外熱成像檢測圖像進(jìn)行在線分析，具體按照以下步驟實(shí)施:在紅外熱成像檢測儀的鏡頭拍照時(shí)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)反饋的鏡頭中心在成形平面中的坐標(biāo)為(m，η)，金屬成形表面坐標(biāo)原點(diǎn)位于工作臺左下角，紅外熱成像檢測圖像的像素原點(diǎn)位于圖像左上角，像素原點(diǎn)距離鏡頭中心的水平距離分別為X和y，每個(gè)像素在成形平面中代表的長度尺寸為PL ；
[0008]每次拍照所獲取的sX t像素的BMP圖像的各像素可用一個(gè)sX t的矩陣RG代表。用VC++2010提供的GetPixel函數(shù)依照BMP圖像中的像素順序依次獲取各像素的RGB值并進(jìn)行判斷，如果圖像中第i行j列的像素的RGB值的G值和B值均高于220，即判斷該像素點(diǎn)為缺陷點(diǎn)，則將矩陣RG的第(i，j)個(gè)元素的值賦1，否則矩陣RG的第(i，j)個(gè)元素的值賦O。矩陣RG中的所有元素賦值完成后，再查找出矩陣RG中所有值為I的元素，根據(jù)以下公式計(jì)算缺陷在金屬成形表面的坐標(biāo)方位(X，Y):
[0009]X = m-x+iXPL，Y = n-y-jXPL。
[0010]本發(fā)明還具有以下特點(diǎn):
[0011]優(yōu)選地，固定間隔的層數(shù)為1-10層。
[0012]優(yōu)選地，激光金屬增材制造中的層厚為0.02-0.2_。
[0013]優(yōu)選地，紅外熱成像檢測儀的分辨率是384X288像素，采用的鏡頭為0.5倍微距鏡頭。
[0014]優(yōu)選地，紅外熱成像檢測鏡頭與金屬成形表面的距離為5-lOcm。
[0015]優(yōu)選地，對金屬成形表面拍照為紅外熱成像檢測儀的鏡頭每掃過2-lOcm2拍照一次。
[0016]優(yōu)選地，激光靶向重熔的激光功率為激光金屬成形功率的1-1.5倍。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的方法是在激光金屬成形中利用了紅外熱成像檢測技術(shù)，自動(dòng)在線檢出金屬成形表面及近表面的材質(zhì)缺陷，并采用激光靶向重熔的方法消除缺陷，解決了現(xiàn)有技術(shù)無法對微小材質(zhì)缺陷進(jìn)行在線檢測和消除的問題。本發(fā)明的方法能夠有效提高激光成形金屬零件的疲勞強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)性能，對于提高激光成形金屬零件的使用性能和服役安全性，降低疲勞斷裂的風(fēng)險(xiǎn)具有重要的意義，在航空航天、精密制造、汽車制造等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明激光金屬成形中材質(zhì)缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法的流程示意圖；
[0019]圖2為本發(fā)明中激光金屬成形中材質(zhì)缺陷紅外熱成像檢測的示意圖；
[0020]圖3為本發(fā)明中激光金屬成形中材質(zhì)缺陷靶向消除的示意圖。
[0021]圖中，1.計(jì)算機(jī)，2.數(shù)據(jù)線，3.材質(zhì)缺陷，4.紅外熱成像檢測儀，5.送粉噴嘴，6.金屬零件，7.工作臺，8.激光束。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0023]本發(fā)明提供了一種激光金屬成形中材質(zhì)缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法，參照圖1，為具體流程示意圖。
[0024]步驟1，在激光金屬成形中，每制作完固定間隔的層數(shù)時(shí)，暫停制作，通過計(jì)算機(jī)I控制工作臺7沿水平方向勻速移動(dòng)，使固定在送粉噴嘴5旁邊的紅外熱成像檢測儀4的鏡頭在金屬零件6的成形平面上方沿X、Y水平方向進(jìn)行非接觸式掃描，檢測成形表面及近表面的材質(zhì)缺陷3。通過紅外熱成像檢測鏡頭對金屬成形表面拍照，并對紅外熱成像檢測圖像進(jìn)行在線分析，檢測圖像中RGB值的R值以及G值均高于220的像素點(diǎn)即判定為缺陷，計(jì)算機(jī)I的運(yùn)算系統(tǒng)根據(jù)紅外熱成像檢測儀4的鏡頭相對于工作臺7的移動(dòng)軌跡以及紅外熱成像檢測圖像中缺陷像素點(diǎn)在整幅圖中的坐標(biāo)方位計(jì)算出缺陷3在成形平面的坐標(biāo)方位，并通過數(shù)據(jù)線2將該平面坐標(biāo)方位反饋給計(jì)算機(jī)I的控制系統(tǒng)。紅外檢測時(shí)各工作部件的結(jié)構(gòu)見圖2。
[0025]步驟2，通過計(jì)算機(jī)I的控制系統(tǒng)控制激光束8對檢測出的缺陷3進(jìn)行靶向重熔以消除缺陷。靶向重熔結(jié)束后再次通過紅外熱成像檢測儀的鏡頭4對金屬零件6的成形平面進(jìn)行復(fù)檢，如果還有缺陷則繼續(xù)進(jìn)行靶向消除，如果沒有缺陷則繼續(xù)下一層的制作。靶向消除缺陷時(shí)各工作部件的結(jié)構(gòu)見圖3。
[0026]步驟I對拍到的紅外熱成像檢測圖像進(jìn)行在線分析，具體按照以下步驟實(shí)施:在紅外熱成像檢測儀的鏡頭拍照時(shí)由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)反饋的鏡頭中心在成形平面中的坐標(biāo)為(m，η)，金屬成形表面坐標(biāo)原點(diǎn)位于工作臺左下角，紅外熱成像檢測圖像的像素原點(diǎn)位于圖像左上角，像素原點(diǎn)距離鏡頭中心的水平距離分別為X和y，每個(gè)像素在成形平面中代表的長度尺寸為PL ；
[0027]每次拍照所獲取的sXt像素的BMP圖像的各像素是否為缺陷可用一個(gè)sXt的矩陣RG代表。用VC++2010提供的GetPixel函數(shù)依照BMP圖像中的像素順序依次獲取各像素的RGB值并進(jìn)行判斷，如果圖像中第i行j列的像素的RGB值的G值和B值均高于220，即判斷該像素點(diǎn)為缺陷點(diǎn)，則將矩陣RG的第(i，j)個(gè)元素的值賦1，否則矩陣RG的第(i，j)個(gè)元素的值賦O。矩陣RG中的所有元素賦值完成后，再查找出矩陣RG中所有值為I的元素，根據(jù)以下公式計(jì)算缺陷在金屬成形表面的坐標(biāo)方位(X，Y):
[0028]X = m-x+iXPL，Y = n-y-jXPL。
[0029]上述固定間隔的層數(shù)可以為1-10層。
[0030]上述激光金屬增材制造的層厚可以為0.02-0.2mm。
[0031]優(yōu)選地，紅外熱成像檢測儀的分辨率是384 X 288像素，即s = 384，t = 288，采用的鏡頭為0.5倍微距鏡頭。紅外熱成像檢測鏡頭與金屬成形表面的距離可以為5-lOcm。
[0032]對金屬成形表面拍照為紅外熱成像檢測鏡頭每掃過2-lOcm2拍照一次。
[0033]優(yōu)選地，激光靶向重熔的