基于svr的激光直接金屬沉積過程元素濃度實時監(jiān)控方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于等離子光譜定量分析領域，特別涉及一種基于SVR的激光直接金屬沉 積過程元素濃度實時監(jiān)控方法及裝置。
【背景技術】
[0002] 自從激光被發(fā)明后，利用激光誘導等離子體光學發(fā)射光譜分析法已經(jīng)被廣泛地應 用和研究。其基本原理是激光使材料汽化，汽化的材料進一步接收激光能量激發(fā)為等離子 體態(tài)并輻射出光譜，然后通過對等離子體發(fā)射光譜進行分析，從而間接得到材料的成分信 息或者其它定性的信息。其中激光誘導等離子體擊穿光譜法（LIBS)應用的最為廣泛，其原 理是將高能脈沖激光束聚焦到材料表面，使材料表面的部分材料汽化并激發(fā)出等離子體以 及輻射光譜，利用該光譜可用于分析物質的元素組成。然而在激光材料加工過程中，等離子 體通常是自發(fā)產(chǎn)生的副產(chǎn)品，而不是像LIBS中用高能激光作為激發(fā)源誘導產(chǎn)生等離子體， 因此在整個激光加工過程中都會有等離子體存在，因此可以通過對等離子體光譜的實時分 析而實現(xiàn)對加工過程的實時控制。比如在激光焊接過程中，激光誘導等離子體已經(jīng)用于成 分損失和焊接質量監(jiān)控。
[0003] 激光直接金屬沉積是激光材料加工的一種，其原理是利用遠低于LIBS能量的激 光束熔化同軸送出的金屬粉末，再通過定位裝置將熔化的粉末通過點到線、線到面、面到體 的運行過程使零件成型。因此，在利用該方法加工加工成分梯度材料時，只需要通過實時調 整不同送粉器的送粉速率就可以方便快捷的連續(xù)加工成分梯度材料。然而，該方法的主要 缺陷在于由于激光加工過程中產(chǎn)生的高溫會使部分金屬元素汽化揮發(fā)，以及由于送粉器自 身送粉率的波動，而使得沉積層的成分濃度總是會偏離于理想的濃度，因此最終就會導致 工件服役性能的偏差甚至是性能失效。因此，對激光直接金屬沉積加工過程進行成分的實 時探測就變得尤為重要。
[0004] 目前，光譜定量分析方法中運用的最為廣泛的是標定曲線法，通過利用譜線相對 強度，或者不同元素的譜線強度比，或者等離子體溫度來獲得標定曲線，當?shù)玫綐硕ㄇ€ 后，通過計算譜線強度比并且與定標曲線對應就可以得到與之相對應的成分濃度。然而由 于該方法與成分關聯(lián)的光譜信號只有譜線強度比一種，再加上譜線自吸收效應和基體效應 對信號的影響，系統(tǒng)的魯棒性相對就會變差。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明提供了一種基于SVR的激光直接金屬沉積過程元素濃度實時監(jiān)控方法及 裝置，用以解決現(xiàn)有技術中激光直接金屬沉積過程中元素濃度實時定量探測不準和控制較 難的問題。
[0006] -種基于SVR的激光直接金屬沉積過程元素濃度實時監(jiān)控方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :在激光直接金屬沉積中，利用與基板處于同一水平面的探頭通過光纖逆 向打出的光斑，使得光斑與沉積層保持相切；
[0008] 步驟2 :提取特征光譜信號；
[0009] 從利用光譜儀獲取的激光直接金屬沉積過程中的光譜信號中，按照以下準則提取 材料中待分析元素A和B的兩組特征光譜信號IA1，IA2, IB1，IB2，并計算獲得元素特征譜線的 相對強度比IA1/IB1，IA1/IB2, IA2/IB1，IA2/IB2，以及每個特征光譜信號的積分強度I inte:
[0010] 1)按照材料待分析元素的兩組特征光譜線在所選波長范圍中呈正態(tài)分布且互不 重疊；
[0011] 2)材料待分析元素在對應波長下的特征光譜線為一級原子激發(fā)譜，并且譜線的精 度級別至少為B級；
[0012] 所述每個譜線信號的積分強度Iinte，即在所選擇的波長范圍內光譜強度信號對橫 坐標波長的積分；
[0013] 步驟3 :獲取預測模型訓練數(shù)據(jù)；
[0014] 利用元素成分已標識的材料按照元素的原子百分比依次按照設定的濃度梯度從 Oat. %到100at. %，按照步驟1所述的方法進行激光直接金屬沉積，利用光譜儀獲取激光 直接金屬沉積過程中的光譜信號，并按照步驟2提取特征光譜信號；
[0015] 步驟4 :采用SVR算法構建預測模型；
[0016] 利用步驟3中獲得的元素成分已標識的材料的特征光譜信號^和成分標識結果yi作為訓練數(shù)據(jù)，訓練材料元素成分預測模型g(Xl);
[0017] 其中，Xi - (I Ai/Ib1，Iai/!B2，！A2/Ib1，！A2/Ib2，Iinte) i ;
[0018] 步驟5 :按照步驟1進行激光直接金屬沉積時，利用光譜儀實時獲取步驟2所述的 待分析元素成分的特征光譜線相對強度比和積分強度信號，作為測試數(shù)據(jù)輸入步驟4獲得 的預測模型中，獲得元素成分預測結果，完成監(jiān)測過程。
[0019] 所述預測模型的構建方法還包括標定曲線法、秩和線性相關法、多元線性回歸法、 主元素回歸法、最小二乘法或神經(jīng)網(wǎng)絡法。
[0020] 所述步驟2提取的特征光譜信號還可以包括譜線相對強度、峰值強度與基線強度 比、等離子體溫度、電子密度。
[0021] 利用元素成分預測結果與元素成分設定閾值之差采用PID增量式算法對激光直 接金屬沉積中送粉器的電機轉速，具體過程如下：
[0022] 當A的原子濃度增加δ時，A粉對應送粉器的電機轉速減少δ，B粉對應送粉器 的電機轉速增加S。
[0023] 當材料待分析元素成分為三種或三種以上時，首先將待分析元素成分分為兩組， 作為兩組整體待分析的元素，按照權利要求1所述的方法對每組整體待分析的元素進行整 體預測，然后按照權利要求1所述的方法對每組整體待分析的元素中的每個元素成分進行 預測，完成每個待分析元素成分的監(jiān)測。
[0024] -種基于SVR的激光直接金屬沉積過程元素濃度實時監(jiān)控裝置，包括激光直接金 屬沉積加工頭、基板、光譜探頭、光纖、光譜儀、處理單元及控制單元；
[0025] 光譜探頭設置于與基板上的沉積層所在平面平行的平面，所述光譜探頭通過光纖 與光譜儀相連，所述光譜儀與控制單元均與所述處理單元相連，所述處理單元依照上述的 方法，輸出待分析元素成分的預測結果，控制單元基于預測結果對送粉器電機進行控制，實 現(xiàn)對激光直接金屬沉積過程的元素成分實時監(jiān)控。
[0026] 有益效果
[0027] 本發(fā)明提供了一種基于SVR的激光直接金屬沉積過程元素濃度實時監(jiān)控方法及 裝置，該方法首先完成加工現(xiàn)場標定樣品的等離子體的光譜采集，然后通過特征提取算法， 計算每個光譜信號中的譜線強度比和積分強度作為譜線的輸入信號，并將提取的光譜特征 信號和對應的成分濃度同時輸入支持向量回歸算法中進行訓練學習以得到成分預測模型， 最后應用該模型在激光直接金屬沉積過程中進行實時的成分探測。在探測得到成分后，成 分偏差反饋給實時處理器，將其轉化為對應送粉器的送粉速率并反饋給電機，實現(xiàn)成分的 閉環(huán)控制。整個裝置結構簡單，操作方便；本發(fā)明首次將支持向量回歸算法運用進了等離子 體光譜分析法，并且是對激光直接金屬沉積過程中的金屬成分進行實時的探測。此外，實現(xiàn) 了同時將特征譜線強度比和積分強度同時作為訓練數(shù)據(jù)輸入支持向量回歸進行學習得到 成分預測模型。該發(fā)明避免了線下成分檢測方法需要磨樣、制樣、電鏡分析的費時費力的過 程，并且實現(xiàn)了在加工成分梯度材料時由于無法避免的送粉波動和成分揮發(fā)而造成沉積層 成分變化而需要進行成分閉環(huán)控制的目的。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明專利實施例的流程圖；
[0029] 圖2為提取分析的光譜數(shù)據(jù)；
[0030] 圖3為激光直接金屬沉積的原理圖；
[0031] 圖4為雙送粉器加工成分梯度材料的結構示意圖；
[0032] 圖5為不同探測方法的實時探測的結果；
[0033] 標號說明：1、加工頭，2、水冷，3、保護氣體，4、金屬粉末，5、等離子體，6、沉積層，7、 基板，8、光譜探頭，9、光纖，10、光譜儀，11、處理單元，12、送粉器I，13、送粉器II，14、送粉 器電機，15、送粉管路。
【具體實施方式】
[0034] 下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明。
[0035] 如圖1所示，一種基于SVR的激光直接金屬沉積過程元素濃度實時監(jiān)控方法，包括 以下步驟：
[0036] 步驟1 :在激光直接金屬沉積中，利用與基板處于同一水平面的探頭通過光纖逆 向打出的光斑，使得光斑與沉積層保持相切；
[0037] 步驟2 :提取特征光譜信號；
[0038] 從利用光譜儀獲取的激光直接金屬沉積過程中的光譜信號中，按照以下準則提取 材料中待分析元素A和B的兩組特征光譜信號IA1，IA2, IB1，IB2，并計算獲得元素特征譜線的 相對強度比IA1/IB1，IA1/IB2, IA2/IB1，IA2/IB2，以及每個特征光譜信號的積分強度I inte:
[0039] 1)按照材料待分析元素的兩組特征光譜線在所選波長范圍中呈正態(tài)分布且互不 重疊；
[0040] 2)材料待分析元素在對應波長下的特征光譜線為一級原子激發(fā)譜，并且譜線的精 度級別至少為B級；
[0041] 所述每個譜線信號的積分強度Iinte，即在所選擇的波長范圍內光譜強度信號對橫 坐標波長的積分；
[0042] 步驟3 :獲取預測模型訓練數(shù)據(jù)；
[0043] 利用元素成分已標識的材料按照元素的原子百分比依次按照設定的濃度梯度從 Oat. %到100at. %，按照步驟1所述的方法進行激光直接金屬沉積，利用光譜儀獲取激光 直接金屬沉積過程中的光譜信號，并按照步驟2提取特征光譜信號；
[0044] 步驟4 :采用SVR算法構建預測模型；
[0045] 利用步驟3中獲得的元素成分已標識的材料的特征光譜信號^和成分標識結果yi作為訓練數(shù)據(jù)，訓練材料元素成分預測模型g(Xl);
[0046] 其中，Xi - (I Ai/Ib1，Iai/Ib2，Ia2,Ib1，Ia2,Ib2，Iinte) i ;
[0047] 步驟5 :按照步驟1進行激光直接金屬沉積時，利用光譜儀實時獲取步驟2所述的 待分析元素成分的特征光譜線相對強度比和積分強度信號，作為測試數(shù)據(jù)輸入步驟4獲得 的預測模型中，獲得元素成分預測結果，完成監(jiān)測過程。
[0048] 以加工Ti-Al成分梯度合金為例，對一種基于SVR的激光直接金屬沉積過程元素 濃度實時監(jiān)控方法進行闡述。
[0049] 步驟一：加工現(xiàn)場設備架設