基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法技术

本发明专利技术提供一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其解决了现有激光增材制造缺陷诊断方法只能诊断零件在高度或宽度方向上的缺陷的技术问题；步骤1，利用CCD相机拍摄熔池图像；步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号导入计算机；步骤3，根据比色测温原理处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；步骤4，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；步骤5，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。本发明专利技术广泛应用于激光增材制造技术领域。

Defect diagnosis method of laser added material manufacturing based on temperature and size measurement of molten pool

The invention provides a laser augmented material manufacturing defect diagnosis method based on the measurement of molten pool temperature and size, which solves the technical problem that the existing laser augmented material manufacturing defect diagnosis method can only diagnose the defect of parts in the direction of height or width; step 1, taking molten pool image by CCD camera; step 2, transforming molten pool image In step 3, according to the principle of colorimetric temperature measurement, the digital image signal of molten pool is processed to get the time domain diagram of molten pool temperature and molten pool area; in step 4, judging whether the temperature of molten pool changes sharply according to the time domain diagram of molten pool temperature, the defect in the direction of height is indicated, otherwise, the defect in molten pool area is indicated. There is no defect in the height direction; step 5, judging whether the weld pool area has changed dramatically according to the time domain diagram of the weld pool area, indicates that the defect in the width direction is produced, otherwise it indicates that there is no defect in the width direction. The invention is widely applied to the field of laser material addition manufacturing technology.

【技术实现步骤摘要】
基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法
本专利技术涉及一种激光增材制造缺陷诊断方法，特别是涉及一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法。
技术介绍
激光增材制造技术是一种制造三维实体的数字化新技术，它能制造任意复杂结构的零件，也能制造梯度功能材料，且中间加工环节少，具有制造周期短和成本低等特点，目前已经应用在航空航天、汽车和医疗等领域。但是，通过研究由激光增材制造技术制造的零件结构和性能，发现零件的部分性能有时较难达到理想的效果，而且有些零件的外形也难以达到理论设计的宏观形貌，导致这些差异产生的主要原因便是在激光增材制造的过程中存在各种形式的内部缺陷，主要包括气孔、裂纹、夹渣和表面不平等，同时由于激光增材制造过程存在干扰等原因也会导致零件在高度和宽度方向上的不一致性，进而产生零件宏观形貌上的明显差异。由于制造过程存在着各种缺陷，激光增材制造零件也随之产生质量问题，这成为制约激光增材制造技术进一步发展的重要原因。因此，激光增材制造过程的质量控制成为该领域研究的一个重要方向，而质量控制的前提则是在激光增材制造过程中能诊断缺陷的产生，所以探究缺陷诊断方法对激光增材制造技术的发展尤为重要。目前，国内外对激光增材制造缺陷诊断方法的研究大多数是关于零件的宏观形貌缺陷，而且仅限于诊断零件在高度方向或宽度方向上的一种宏观形貌缺陷。例如，杨柳杉在“基于CCD的激光熔覆熔池宽度的在线检测研究”论文中指出，使用CCD相机实时采集熔池图像，并通过自主开发的图像处理软件对熔池图像进行一系列的处理，可以实时获得熔池宽度，从而能在线检测熔覆层的宽度变化。这种关于零件宏观形貌的缺陷诊断方法存在着不足之处，由于激光增材制造过程中激光熔覆头移动形成单道熔覆层，零件则是由单道熔覆层逐层累计形成，因此单道熔覆层的高度和宽度直接影响了零件最终的高度和宽度，然而由此种方法只能诊断单道熔覆层在宽度方向上存在着宏观形貌缺陷，而不能诊断出单道熔覆层在高度方向上存在着宏观形貌缺陷，以至于将此种方法作为基础的质量控制应用在激光增材制造过程中，最终得到的零件在高度方向上依然存在着宏观形貌缺陷。在激光增材制造过程中，基板表面由于高能激光的作用而变热形成熔池，熔池包含许多能反映零件成型质量的重要信息，如熔池的宽度和面积都可以反映出零件最终的宽度，熔池温度是零件成型质量的一个重要参考等。例如，雷剑波在“数字图像处理在激光再造熔池温度场检测中的应用”论文中指出，采用非接触式测温方法，将CCD相机拍摄到的熔池图像经过数字图像处理技术处理后，根据普朗克辐射定律可以计算得到激光熔池的温度场。又比如，姜淑娟在“金属粉末激光成形过程中的熔池温度场检测与控制研究”论文中指出，利用黑白CCD相机和两个不同波长的滤光片来采集激光熔池图像，采用比色测温法来计算熔池温度，再经PID-模糊复合控制熔池温度场，可以得到质量较好的零件。以上论文主要探究了激光增材制造过程中熔池温度场的检测方法，但是都没有对同时利用CCD相机测量熔池温度和尺寸来诊断激光增材制造过程产生的宏观形貌缺陷进行有关研究。
技术实现思路
本专利技术针对现有激光增材制造缺陷诊断方法只能诊断零件在高度或宽度方向上的缺陷的技术问题，提供一种能诊断零件在高度和宽度方向上的缺陷的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法。为此，本专利技术的技术方案是，其使用的装置设有CCD相机，CCD相机前端连接有相机镜头，CCD相机后端通过视频连接线连接有计算机；其特征是，包括以下步骤：步骤1，利用CCD相机实时拍摄熔池图像；步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号导入计算机内保存；步骤3，根据比色测温原理实时处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；步骤4，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；步骤5，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。优选地，CCD相机保持与激光束同轴安装在激光熔覆头上，CCD相机与激光熔覆头保持相对静止。优选地，CCD相机为彩色相机，最低照度小于或等于0.1Lux，帧率大于或等于12fps。优选地，步骤3的具体步骤是：1)读取熔池图像信息；2)裁剪熔池图像并使熔池处于图像的中央位置；3)滤波处理裁剪后的熔池图像以消除图像噪声；4)将滤波后的熔池图像进行灰度变换转化为灰度图像；5)阈值分割处理灰度图像以获得熔池的二值图像；6)利用开运算处理熔池的二值图像；7)计算开运算后的二值图像上白色像素点的个数从而得到熔池面积的大小；8)读取开运算后的二值图像上白色像素点所对应的坐标；9)获取开运算后的二值图像上白色像素点在滤波后的熔池图像上所对应的RGB值；10)根据RGB值计算熔池温度的大小。优选地，步骤10)具体指，选取RGB值中的G值和B值，其中G值为绿色像素值，B值为蓝色像素值，将熔池上每个点所对应的G值和B值代入维恩辐射定律公式，从而求得熔池上每个点的温度值，再对熔池上每个点的温度值进行求和，并除以白色像素点的个数得到熔池上每个点的平均温度，将平均温度作为这个时刻对应的熔池温度。优选地，步骤4中，还包括判断激光增材制造过程在高度方向上产生缺陷的类型，步骤是：根据熔池温度的时域图，判断熔池温度所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；如果是，则表明零件产生缺陷的类型为凸起；如果不是，则表明零件产生缺陷的类型为凹陷。优选地，步骤5中，还包括判断激光增材制造过程在宽度方向上产生缺陷的类型，步骤是：根据熔池面积的时域图，判断熔池面积所发生的急剧变化是否为突然升高的变化；如果是，则表明零件产生缺陷的类型为宽度变宽；如果不是，则表明零件产生缺陷的类型为宽度变窄。本专利技术的有益效果是：本专利技术利用彩色CCD相机实时拍摄熔池图像，通过对熔池图像进行图像处理以得到熔池温度和熔池面积的时域图，根据熔池温度的时域图，可以判断激光增材制造过程在高度方向上是否产生缺陷，以及缺陷产生的时刻和类型；根据熔池面积的时域图，可以判断激光增材制造过程在宽度方向上是否产生缺陷，以及缺陷产生的时刻和类型。在实际生产中能快速、准确和全面地诊断零件产生的宏观形貌缺陷，从而为进一步的激光增材制造过程的质量控制提供了必要的基础。附图说明图1为激光增材制造过程缺陷诊断系统连接示意图；图2为基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断流程图；图3为本实施例处理熔池数字图像信号流程图；图4为判断激光增材制造过程在高度方向上缺陷类型流程图；图5为判断激光增材制造过程在宽度方向上缺陷类型流程图；图6为激光增材制造过程零件产生宏观形貌缺陷的示意图；图7为激光增材制造过程中第六层熔覆层熔池温度的时域图；图8为激光增材制造过程中第六层熔覆层熔池面积的时域图。图中符号说明1.计算机；2.视频连接线；3.CCD相机；4.激光束；5.激光熔覆头；6.反光镜；7.金属粉末；8.工作台；9.基板；10.熔覆层；11.相机镜头；A.第一段；B.第二段；C.第三段。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步描述。如图1所示，在激光增材制造过程中，基板9放置在工作台8上，激光束4从激光熔覆头5中射出，垂直照射在基板9上，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其使用的装置设有CCD相机，所述CCD相机前端连接有相机镜头，所述CCD相机后端通过视频连接线连接有计算机；其特征是，包括以下步骤：步骤1，利用CCD相机实时拍摄熔池图像；步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号导入计算机内保存；步骤3，根据比色测温原理实时处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；步骤4，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；步骤5，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。

【技术特征摘要】
1.一种基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其使用的装置设有CCD相机，所述CCD相机前端连接有相机镜头，所述CCD相机后端通过视频连接线连接有计算机；其特征是，包括以下步骤：步骤1，利用CCD相机实时拍摄熔池图像；步骤2，将熔池图像转化为熔池数字图像信号导入计算机内保存；步骤3，根据比色测温原理实时处理熔池数字图像信号得到熔池温度和熔池面积的时域图；步骤4，根据熔池温度的时域图判断熔池温度是否发生急剧变化，是则表明产生高度方向上的缺陷，否则表明没有产生高度方向上的缺陷；步骤5，根据熔池面积的时域图判断熔池面积是否发生急剧变化，是则表明产生宽度方向上的缺陷，否则表明没有产生宽度方向上的缺陷。2.根据权利要求1所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述CCD相机保持与激光束同轴安装在激光熔覆头上，所述CCD相机与激光熔覆头保持相对静止。3.根据权利要求2所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述CCD相机为彩色相机，最低照度小于或等于0.1Lux，帧率大于或等于12fps。4.根据权利要求1所述的基于熔池温度和尺寸测量的激光增材制造缺陷诊断方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤是：1)读取熔池图像信息；2)裁剪熔池图像并使熔池处于图像的中央位置；3)滤波处理裁剪后的熔池图像以消除图像噪声；4)将滤波后的熔池图像进行灰度变换转化为灰度图像；5)阈值分割处理灰度图像以获得熔池的二值图像；6)利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，檀财旺，黄磊，谷涛，刘涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37