蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统与方法

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1.本发明属于铝合金材料的激光熔化沉积及在线监控领域，具体地，是一种针对蓝激光熔化沉积铝合金过程中的沉积状态监测与调控方法，可用于表面熔覆、沉积成形等加工技术中。

背景技术：

2.激光熔化沉积是一项重要的增材制造技术，具体是利用激光束的定向能量沉积技术，可用于金属零部件的直接成形、表面涂层熔覆和零部件修复等领域。铝合金作为重要的轻质合金材料在工业领域应用广泛，但利用激光熔化沉积技术进行高质量复杂结构铝合金构件加工时，还难以进行实际产业化应用。其中的一项重要原因是，铝合金高反射率、低熔点、高热传导、低粘度等物理特性，结合复杂构件的几何形状，共同导致了液态铝合金金属熔体形态的不稳定，进而使得最优工艺窗口过窄，沉积状态极易产生波动。因此，利用蓝激光解决铝合金高反射率问题，结合熔池监测对沉积状态进行识别，并制定快速优化策略，实时调控加工质量，可以大幅提高激光熔化沉积铝合金构件的能力，实现在其工业领域的大范围应用。
3.虽然针对激光熔化沉积铁合金、钛合金等材料熔池的监测与调控已有一些方法，但这些方法很难适用于铝合金，特别是蓝激光加工铝合金，这主要是因为铝合金熔池的过程特征表现与其它合金材料不同，单纯依靠传统的熔池面积、宽度、温度等来进行沉积状态的监测，很难达到工业应用要求。而且蓝激光会造成可见光波段的光谱干扰，使得熔池特征更加复杂化。因此，在激光熔化沉积增材制造技术及轻质铝合金材料在工业领域广泛应用的情况下，需要一套针对铝合金构件的蓝激光熔化沉积状态监控新系统与方法。
4.激光熔化沉积技术的基础工艺包括单层单道沉积、多层单道堆积、单层多道搭接等，其中，围绕单层单道沉积过程沉积状态的实时监测与实时调控方法，一方面可为其它复杂工艺提供监控基础，另一方面，也可用于最优工艺窗口的快速确定，减少后续所消耗的质量分析时间与资源等。
5.综上，在激光熔化沉积铝合金构件时，针对因材料自身高反、低熔点等特性所导致的沉积质量不稳定，以及目前熔池监控手段难以适用于铝合金沉积质量提升的难题，有必要提出一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统与方法，以此来对铝合金材料的单层单道沉积状态进行实时判断，给出工艺参数的快速优化方法，实现激光熔化沉积铝合金构件的高质量加工。

技术实现要素：

6.针对工业领域复杂结构铝合金构件的迫切需求，以及铝合金激光熔化沉积质量稳定能力不足，本发明提供了一种蓝激光熔化沉积铝合金的沉积状态监控系统与方法，可基于现有的熔池同轴监测技术，围绕铝合金自身的熔池特征，对蓝激光熔化沉积铝合金构件的沉积状态进行监测与调控，成本较低、系统简单、处理速度快，以解决现有技术中的不足。
7.为了达到上述目的，本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
8.一方面，提供一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，包括：
9.激光头单元，包括激光头，传输激光束和铝合金材料至待加工区域，形成液态金属熔池；
10.同轴监测单元，将熔池发出的图像信号经由同轴光路传输至单元出光口；
11.工业相机单元，采集所述同轴监测单元所传输的熔池图像信号；
12.图像在线处理单元，去除工业相机单元所采集熔池图像中的激光散射、粉末飞溅等噪声干扰，并提取沉积状态识别单元所需的关键图像特征；
13.沉积状态识别单元，根据图像在线处理单元处理后的图像数据对沉积状态进行识别判断，判断其属于哪类状态；以及，
14.实时反馈调控单元，根据沉积状态识别单元所得结果，判断异常状态所需的工艺参数调控策略，对于可调控异常状态，进行基于工艺参数的实时调控。
15.如所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，所述激光头单元采用同轴或旁轴方法进行送粉或送丝加工，加工技术包括涂层熔覆、直接成形与沉积修复。
16.如所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，所述同轴监测单元包括拐臂结构、45
°
分光镜、45
°
反射镜和拐臂集成镜头，所述45
°
分光镜位于所述激光头内，所述45
°
分光镜支持正向通过激光束所在波段的光以及反向通过非激光束波段的光，所述拐臂结构用于传输光路进行同轴监测，所述45
°
反射镜位于所述拐臂结构内，所述45
°
反射镜反射非激光束波段光至所述激光头的出光口，所述拐臂集成镜头集成于所述拐臂结构上，将图像放大以便于所述工业相机单元采集。
17.如所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，所述工业相机单元包括普通工业相机、高动态工业相机、红外工业相机、高光谱工业相机。
18.如所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，所述图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块，所述灰度处理模块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，所述图像滤波降噪模块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5的粉末飞溅，所述视觉特征提取模块提取出熔池图像内部区域灰度特征、内部区域面积特征、外部区域熔渣分布特征。
19.如所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，所述沉积状态识别单元对内部区域灰度特征是否存在过曝进行识别，同时对内部区域面积是否超过给定阈值进行识别，并对外部区域是否存在大量熔渣进行识别，最后综合判断目前的沉积状态。
20.如所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，所述实时反馈调控单元的工艺参数包括激光功率、扫描速度、送粉量。
21.另一方面，提供一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控方法，基于如上述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统实现，包括以下步骤：
22.a、将工业相机放置于同轴监测单元的拐臂结构上，调整同轴监测单元内的拐臂集成镜头进行对焦，对焦时激光头与基板之间的距离为实际加工距离，对焦后标定图像与实际尺寸的比例，综合得到图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；
23.b、激光头加工时，工业相机实时采集加工过程中的图像，采集帧率范围为5～200fps；
24.c、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、熔池图像灰度分布特征提取、内部区域面积特征提取、熔渣分布特征提取，处理速度为5～200ms；
25.熔池图像灰度分布特征提取获得熔池内部区域灰度值，判断内部区域灰度值g是否明显处于持续高灰度的过曝情况；
26.内部区域面积特征提取获得实时的熔池内部区域面积像素值s1；
27.熔渣分布特征提取获得实时的熔池外部区域面积像素值s2；
28.d、根据步骤a中的标定比例n:1以及步骤c图像在线处理单元对特征图像的处理，判断激光熔化沉积状态：正常沉积时的熔池图像有两种可能，一是存在大量熔渣s2＝s2/n2》a，内部区域持续过曝，内部区域面积s1＝s1/n2》b1；二是没有大量熔渣s2＝s2/n2≤a，内部区域持续过曝，内部区域面积小于b2；不稳定沉积时的熔池图像有三种可能，一是外部区域存在大量熔渣，内部区域没有持续过曝；二是外部区域没有大量熔渣，内部区域没有持续过曝；三是外部区域存在大量熔渣，内部区域持续过曝，内部区域面积s1＝s1/n2≤b1；过渡沉积时的熔池图像只有一种形态，即外部区域不存在大量熔渣，内部区域持续过曝，内部区域面积s1＝s1/n2》b2；其中的a、b1、b2根据不同工作条件来确定，进而实现沉积状态的识别；
29.e、根据步骤d所识别的沉积状态，在面对不稳定沉积时，优先通过提高激光功率，其次是提高送粉量，最后是降低扫描速度来解决；而在面对过度沉积时，优先通过降提升扫描速度，其次是减少送粉量，最后是降低激光功率来解决，进而实现沉积状态的实时调控。
30.本发明技术方案的有益效果是：
31.1、可对蓝激光熔化沉积铝合金过程进行监测，识别铝合金熔池的冶金状态，在产生异常沉积状态时进行实时调控，解决激光熔化沉积铝合金材料质量难以稳定的问题；
32.2、适用性强，适用于铝合金的激光熔覆、激光打标、激光焊接、激光切割等几乎任何激光束加工技术，同时，也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；
33.3、集成化程度高，可利用激光头的同轴监测能力，不需要新添加任何硬件设备，实现成本较低，仅依靠同轴所采集图像及图像在线处理单元、沉积状态识别单元、实时反馈调控单元等，便可以进行铝合金激光熔化沉积状态的监测与调控。
附图说明
34.为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细的描述。
35.图1为本发明较佳实施例系统结构与熔池区域划分示意图；
36.图2为本发明较佳实施例蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态识别流程示意图；
37.图3为本发明较佳实施例激光熔化沉积不同铝合金熔池图像时的沉积状态图；
38.图中：1、同轴监测单元；2、工业相机单元；3、激光头；4、激光器；5、位移装置；6、光纤；7、熔池内部区域；8、熔池外部区域；9、计算机。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
40.参看图1所示，本发明蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统包括激光头单元、同轴监测单元1、工业相机单元2、图像在线处理单元、沉积状态识别单元和实时反馈调控单元，激光头单元包括激光头3，传输激光束和铝合金材料至待加工区域，形成液态金属熔池，同轴监测单元1将熔池发出的图像信号经由同轴光路传输至单元出光口，工业相机单元2采集同轴监测单元1所传输的熔池可见光图像。图像在线处理单元去除工业相机单元2所采集熔池图像中的激光散射、粉末飞溅等噪声干扰，并提取沉积状态识别单元所需的关键图像特征。沉积状态识别单元根据图像在线处理单元处理后的图像数据对沉积状态进行识别判断，判断其属于哪类状态，实时反馈调控单元根据沉积状态识别单元所得结果，判断异常状态所需的工艺参数调控策略，对于可调控异常状态，进行基于工艺参数的实时调控。
41.较佳地，激光头单元采用同轴或旁轴方法进行送粉或送丝加工，加工技术包括涂层熔覆、直接成形与沉积修复。
42.继续参看图1所示，同轴监测单元1包括拐臂结构、45
°
分光镜、45
°
反射镜和拐臂集成镜头，45
°
分光镜位于激光头3内，45
°
分光镜支持正向通过激光束所在波段的光以及反向通过非激光束波段的光，拐臂结构用于传输光路进行同轴监测，45
°
反射镜位于拐臂结构内，45
°
反射镜反射非激光束波段光至激光头3的出光口，拐臂集成镜头集成于拐臂结构上，将图像放大以便于工业相机单元2采集。
43.本实施例所采用的粉末与基体材料均为alsi7mg，粉末直径为50～105um，基体尺寸为145
×
145
×
15mm，激光器4为450nm蓝激光器，激光头3的送粉形式为环形送粉，位移装置5为三轴位移台，光纤直径为0.6mm，工业相机为普通工业相机。
44.继续参看图1所示，激光器4发出激光束经由光纤6传输至激光头3，再由出光口照向铝合金基板或沉积层，激光光斑直径为2mm，同步进行送粉，生成液态铝合金熔池，其中7表示熔池内部区域，8表示熔池外部区域。在上述加工过程中，利用同轴监测单元1进行可见光波段的二维光学信号采集，传输至工业相机单元3中的普通工业相机中，通过光电信号转化，最终将数据传输至计算机9的图像在线处理单元中，图像为400
×
400pixels，每个像素点为8bit，灰度级为256个。图像在线处理单元滤除飞沫飞溅、杂质蒸发等干扰，获得熔池外部特征是否存在大量熔渣、内部区域是否过曝、内部区域面积等特征，然后将上述特征导入沉积状态识别单元中，具体识别流程见附图2，判断此时的铝合金沉积状态。最后，将识别结果传输至实时反馈调控单元中，实时或间歇期进行工艺参数调控，进而快速进行工艺参数优化，得到高质量的铝合金沉积层。
45.较佳地，图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块。灰度处理模块可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，图像滤波降噪模块可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5的粉末飞溅，视觉特征提取模块可提取出熔池图像内部区域灰度特征、内部区域面积特征、外部区域熔渣分布特征。
46.沉积状态识别单元中，对内部区域灰度特征是否存在过曝进行识别，对内部区域面积是否超过给定阈值进行识别，对外部区域是否存在大量熔渣进行识别。
47.实时反馈调控单元的工艺参数包括激光功率、扫描速度、送粉量。
48.本较佳实施例中的激光熔化沉积铝合金构件沉积状态监控流程如下：
49.a、将工业相机放置于同轴监测单元1的拐臂结构上，调整同轴监测单元1内的拐臂集成镜头进行对焦，对焦时激光头与基板之间的距离为实际加工距离11mm，对焦后标定图像与实际尺寸的比例，综合得到图像像素值与实际尺寸的比例为35pixel:1mm；
50.b、激光头3加工时，工业相机实时采集加工过程中的图像，采集帧率为30fps；
51.c、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、熔池图像灰度分布特征提取、内部区域面积特征提取、熔渣分布特征提取，处理速度为198ms；
52.图3为熔池图像及沉积层轮廓，最终结果如下：
[0053][0054][0055]
经过前期经验积累，图2的判定流程中的a为1.0mm2；b1为1.6mm2；b2为4.0mm2。可识别出，图3中(a)部分的外部区域不存在大量熔渣，内部区域也没有过曝情况，所以属于不稳定沉积；图3中(b)部分的外部区域存在大量熔渣，内部区域存在过曝情况，内部区域面积为2.514mm2》b1＝1.6mm2，所以属于正常沉积；图3中(c)部分的外部区域不存在大量熔渣，内部区域存在过曝情况，内部区域面积为4.490mm2》b2＝4.0mm2，所以属于过度沉积。识别效果与最终结果相同。
[0056]
最后，在面对图3中(a)部分的熔池图像和沉积状态时，通过提高功率至900w，可以转变为正常沉积；面对图3中(c)部分的熔池图像和沉积状态时则可以提升扫描速度至420mm/s，可以转变为正常状态。
[0057]
d、根据步骤c所识别的沉积状态，在面对不稳定沉积时，优先通过提高激光功率，其次是提高送粉量，最后是降低扫描速度来解决；而在面对过度沉积时，优先通过提升扫描速度，其次是减少送粉量，最后是降低激光功率来解决，进而实现沉积状态的实时调控。
[0058]
本实施例中可适用于蓝激光加工alsi7mg基体与alsi7mg粉末，且基体为水平平面，与激光头垂直时。实施例获得了可根据不同同轴图像进行沉积状态判断方法，明确了此工况下的识别特征阈值范围。
[0059]
本发明也可对铝合金激光焊接、激光切割、激光选区熔化等领域提供重要参考
[0060]
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替
换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，包括：激光头单元，包括激光头，传输激光束和铝合金材料至待加工区域，形成液态金属熔池；同轴监测单元，将熔池发出的图像信号经由同轴光路传输至单元出光口；工业相机单元，采集所述同轴监测单元所传输的熔池图像信号；图像在线处理单元，去除工业相机单元所采集熔池图像中的激光散射、粉末飞溅等噪声干扰，并提取沉积状态识别单元所需的关键图像特征；沉积状态识别单元，根据图像在线处理单元处理后的图像数据对沉积状态进行识别判断，判断其属于哪类状态；以及，实时反馈调控单元，根据沉积状态识别单元所得结果，判断异常状态所需的工艺参数调控策略，对于可调控异常状态，进行基于工艺参数的实时调控。2.如权利要求1所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述激光头单元采用同轴或旁轴方法进行送粉或送丝加工，加工技术包括涂层熔覆、直接成形与沉积修复。3.如权利要求2所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述同轴监测单元包括拐臂结构、45
°
分光镜、45
°
反射镜和拐臂集成镜头，所述45
°
分光镜位于所述激光头内，所述45
°
分光镜支持正向通过激光束所在波段的光以及反向通过非激光束波段的光，所述拐臂结构用于传输光路进行同轴监测，所述45
°
反射镜位于所述拐臂结构内，所述45
°
反射镜反射非激光束波段光至所述激光头的出光口，所述拐臂集成镜头集成于所述拐臂结构上，将图像放大以便于所述工业相机单元采集。4.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述工业相机单元包括普通工业相机、高动态工业相机、红外工业相机、高光谱工业相机。5.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述图像在线处理单元包括灰度处理模块、图像滤波降噪模块和视觉特征提取模块，所述灰度处理模块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，所述图像滤波降噪模块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5的粉末飞溅，所述视觉特征提取模块提取出熔池图像内部区域灰度特征、内部区域面积特征、外部区域熔渣分布特征。6.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述沉积状态识别单元对内部区域灰度特征是否存在过曝进行识别，同时对内部区域面积是否超过给定阈值进行识别，并对外部区域是否存在大量熔渣进行识别，最后综合判断目前的沉积状态。7.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述实时反馈调控单元的工艺参数包括激光功率、扫描速度、送粉量。8.一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控方法，其特征在于，基于如权利要求3-7中任意一项所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统实现，包括以下步骤：a、将工业相机放置于同轴监测单元的拐臂结构上，调整同轴监测单元内的拐臂集成镜头进行对焦，对焦时激光头与基板之间的距离为实际加工距离，对焦后标定图像与实际尺寸的比例，综合得到图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；
b、激光头加工时，工业相机实时采集加工过程中的图像，采集帧率范围为5～200fps；c、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、熔池图像灰度分布特征提取、内部区域面积特征提取、熔渣分布特征提取，处理速度为5～200ms；熔池图像灰度分布特征提取获得熔池内部区域灰度值，判断内部区域灰度值g是否明显处于持续高灰度的过曝情况；内部区域面积特征提取获得实时的熔池内部区域面积像素值s1；熔渣分布特征提取获得实时的熔池外部区域面积像素值s2；d、根据步骤a中的标定比例n:1以及步骤c图像在线处理单元对特征图像的处理，判断激光熔化沉积状态：正常沉积时的熔池图像有两种可能，一是存在大量熔渣s2＝s2/n2>a，内部区域持续过曝，内部区域面积s1＝s1/n2>b1；二是没有大量熔渣s2＝s2/n2≤a，内部区域持续过曝，内部区域面积小于b2；不稳定沉积时的熔池图像有三种可能，一是外部区域存在大量熔渣，内部区域没有持续过曝；二是外部区域没有大量熔渣，内部区域没有持续过曝；三是外部区域存在大量熔渣，内部区域持续过曝，内部区域面积s1＝s1/n2≤b1；过渡沉积时的熔池图像只有一种形态，即外部区域不存在大量熔渣，内部区域持续过曝，内部区域面积s1＝s1/n2>b2；其中的a、b1、b2根据不同工作条件来确定，进而实现沉积状态的识别；e、根据步骤d所识别的沉积状态，在面对不稳定沉积时，优先通过提高激光功率，其次是提高送粉量，最后是降低扫描速度来解决；而在面对过度沉积时，优先通过提升扫描速度，其次是减少送粉量，最后是降低激光功率来解决，进而实现沉积状态的实时调控。

技术总结

本发明公开了一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统与方法，系统包括激光头单元、同轴监测单元、工业相机单元、图像在线处理单元、沉积状态识别单元、实时反馈调控单元。激光头单元传输激光束和铝合金材料至待加工区域；同轴监测单元将熔池发出的图像信号经由同轴光路传输至单元出光口；工业相机单元采集熔池图像信号；图像在线处理单元去除熔池图像噪声干扰，提取所需关键图像特征；沉积状态识别单元对沉积状态进行识别判断，判断其类型；实时反馈调控单元根据异常沉积状态类型进行基于工艺参数的实时调控。本监控系统与方法通过高实用性的同轴监测方式，实现铝合金这一难沉积材料的工艺参数快速优化与沉积状态实时调控。调控。调控。