基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法，其步骤包括：1建立激光能量分布；2得到介质振动的速度；3得到粉末床的最大表面温度；4得到熔池的宽度；5构建激光熔化过程中多场耦合的热力学模型；6多源异构数据的稀疏编码；7得到在线监测模型。本发明专利技术能在激光增材制造过程进行实时监测与过程控制，从而在出现微小缺陷时就自动调整工艺参数以消除缺陷，进而提高零件成形质量，满足实际的精度和可靠性需求。

On-line Monitoring Method of Laser Addition Manufacturing Process Based on Multi-source Heterogeneous Data

The invention discloses an on-line monitoring method for laser material adding manufacturing process based on multi-source heterogeneous data, which comprises the following steps: 1. establishing laser energy distribution; 2. obtaining the velocity of medium vibration; 3. obtaining the maximum surface temperature of powder bed; 4. obtaining the width of molten pool; 5. constructing a thermodynamic model of multi-field coupling in laser melting process; 6. sparse coding of multi-source heterogeneous data; 7. On-line monitoring model. The invention can real-time monitor and process control in the manufacturing process of laser incremental material, thereby automatically adjusting the process parameters to eliminate defects when tiny defects occur, thereby improving the forming quality of parts and meeting the actual accuracy and reliability requirements.

【技术实现步骤摘要】
基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法
本专利技术属于传感器和监测
，更具体地说是一种大数据驱动的激光增材制造在线监测方法。
技术介绍
增材制造(3D打印/快速成形)技术正在逐渐改变人们传统的生活方式和生产方式，以其快速化、定制化、数字化和网络化等特点被认为将推动第三次工业革命。激光增材制造技术是目前应用范围最广、实用意义最大的金属增材制造工艺之一，该技术利用高能量激光束，按照预定的路径，熔化或烧结粉体，再经冷却凝固后成形，在复杂结构、自由曲面和薄壁等难加工零件制造上具有显著优势，如航空航天领域中高性能复杂构件、生物制造领域中多孔复杂结构制造以及功能梯度材料制造等。然而由于激光增材制造过程伴随复杂的物理化学等过程，成形件具有较大的温度梯度和热应力，成形过程容易产生球化、孔隙、裂纹等缺陷，影响了成形件的精度和可靠性，成形零部件易变形开裂，缺乏成形质量的过程控制，严重阻碍了激光增材制造技术的应用。然而，由于激光增材制造过程的动态特性复杂、传感器安装难度高和相关物理过程理解尚且不足等原因，激光增材制造过程的实时监测与过程控制不易进行，监测模型有限，多数利用红外线温度信息与加工质量进行建模。但温度在线测量误差较大，且粉体熔化或烧结过程缺陷的产生机理复杂，仅以温度信息进行质量测量可靠性不足，相关研究仍有待进一步推进。虽然喷砂、热处理等后处理能获得较好的表面光洁度并减少断裂和分层现象，但后处理会带来零件尺寸的变化，对于内部结构复杂零件、关键功能部位以及精密零件等，后处理的方法将不再适用。因此，在激光增材制造过程中实现在线监测、改善成形质量更为关键。专利
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的上述缺点/或改进需求，提供了一种基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法，以期能在激光增材制造过程进行实时监测与过程控制，从而在出现微小缺陷时就自动调整工艺参数以消除缺陷，进而提高零件成形质量，满足实际的精度和可靠性需求。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术一种基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法的特点是按如下步骤进行：步骤1、利用式(1)建立基于高斯分布的激光能量分布I(r)：式(1)中，r为激光光斑上的点到激光光斑中心的距离，ω为激光光斑的半径，Φ为激光光斑的中心能量密度；步骤2、利用式(2)得到介质振动的速度u：式(2)中，α为金属粉末材料对激光的吸收率；γ为气体的绝热指数，ρ0为金属粉末材料的密度；步骤3、利用式(3)得到粉末床的最大表面温度Tm：式(3)中，K为玻尔兹曼常数；k为金属粉末材料的导热系数；v为金属粉末材料的熔化速度；c为金属粉末材料的热熔比；步骤4、利用式(4)得到熔池的宽度δw：式(4)中，ΔHlv为金属粉末材料从固态到气态的潜热能；Tlv为金属粉末材料从固态到气态的平衡温度；Tsl为金属粉末材料从固态到液态的平衡温度；步骤5、构建激光熔化过程中多场耦合的热力学模型：步骤5.1、建立以粉末床的一个顶角为原点O，以与所述原点O相连接的两条边分别为X轴和Y轴，建立直角坐标系O-XY；步骤5.2、利用式(5)建立激光熔化过程中的温度场有限元模型：式(5)中，a为金属粉末材料的热扩散率，T(t)为t时刻金属粉末材料的瞬时温度，▽2为拉普拉斯算子；对于不随时间变化的稳定温度场，存在▽2T(x,y,z)＝0；T(x,y,z)为在点(x,y,z)处金属粉末材料的温度；步骤5.3、利用式(6)得到在激光照射区域沿法线方向n的温度梯度步骤6、多源异构数据的稀疏编码：步骤6.1、通过传感器组分别获得温度、声音和图像信号所构成的多源异构数据，记为f；步骤6.2、对所述多源异构数据f进行快速傅里叶变换得到变换后的多源异构数据fT；步骤6.3、利用冗余字典Φ对所述变换后的多源异构数据fT进行重构，得到式(8)所示的变换后的多源异构数据fT的稀疏表示，并通过式(7)所示的最优l0范数来约束稀疏因子f′T的个数：s.t.fT＝Φf′T,fT∈Rk(8)式(8)中，Rk表示k维的实数域；Φf′T表示稀疏编码后得到的信号原子集合，并有：表示稀疏编码后得到的第L个信号原子；L表示信号原子个数；步骤7、对稀疏编码后得到的信号原子集合进行特征融合得到观测序列V＝{v1,v2,...,vi,...,vn}，vi为第i个可视层的观测数据；i＝1,2,…,n；n表示可视层的层数；步骤8、利用式(8)得到在线监测模型E(V,H|θ)，并以所述在线监测模型E(V,H|θ)实现对激光增材制造过程的在线监测：式(8)中，θ＝{wij,ai,bj}是关于RBM神经网络模型的参数，其中，wij表示第i个可见层与第j个隐层的连接权值，ai表示第i个可见层的偏置，bj表示第j个隐藏层的偏置，hj表示第j个隐藏层；H表示隐藏层的集合，m表示隐藏层的层数。与已有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：1、本专利技术运用信号处理、图像分析等方法探究激光增材制造过程中声、温度与图像信号在不同加工状态下的特征，分析其与加工过程中缺陷产生的关系，揭示了激光增材制造过程的物理机理；建立新的金属粉末对激光光源的吸收模型，并对激光熔化过程进行热力学仿真，分析加工参数对加工温度的影响规律，为实现该过程的反馈控制提供研究基础；通过多源信号特征融合处理，提高了加工过程在线质量监测的准确性。本专利技术中对激光增材制造成形过程的在线监测也是研发复杂结构金属零件高精度高质量制造设备的核心技术之一，因而尤其适用于金属增材制造技术在航天、医疗以及材料制造等领域的应用场合。2、本专利技术基于对金属增材制造成形物理过程的分析，结合监测信息本身的多模态特性，研究监测中多源传感数据的融合与多维异构信息的一致性表示，利用稀疏分解的数学理论，对温度、声音、图像等异类传感信息进行稀疏编码，同时实现了对信息的压缩、去噪和一致性的特征表示，挖掘了多源异构数据内在的关联性，解决了对多源异构信息深度学习和融合的基本前提。具体实施方式本实施例中，一种基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法是按如下步骤进行：在选择性激光熔化过程中，激光与金属粉末相互作用产生熔化、气化和重建的过程。在这一激光融化过程中存在着多种信号源，包括声信号、等离子信号、超声波、红外辐射和电信号等。这些信号的形成与变化与熔池的形成与变化有着紧密关联，研究激光熔化过程中的声音、温度、图像形成与变化机理对于揭示激光熔化过程的热力学规律有着重要意义。研究激光熔化过程中的声音、温度、图像形成与变化机理，建立激光采用高斯分布时的激光能量分布，以建立揭示激光熔化过程的热力学规律的基础。步骤1、利用式(1)建立基于高斯分布的激光能量分布I(r)：式(1)中，r为激光光斑上的点到激光光斑中心的距离，ω为激光光斑的半径，Φ为激光光斑的中心能量密度；步骤2、利用式(2)得到介质振动的速度u：式(2)中，α为金属粉末材料对激光的吸收率；γ为气体的绝热指数，ρ0为金属粉末材料的密度；由于吸收高功率的激光束能迅速地发生热效应，表面温度会迅速上升到熔化温度。最大表面温度Tm会随着导热系数k，熔化速度v，以及材料的热熔比c，发生变化，所以有：步骤3、利用式(3)得到粉末床的最大表面温度Tm：式(3)中，K为玻尔兹曼常数；k为金属粉末材料的导热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、利用式(1)建立基于高斯分布的激光能量分布I(r)：

【技术特征摘要】
1.一种基于多源异构数据的激光增材制造过程的在线监测方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、利用式(1)建立基于高斯分布的激光能量分布I(r)：式(1)中，r为激光光斑上的点到激光光斑中心的距离，ω为激光光斑的半径，Φ为激光光斑的中心能量密度；步骤2、利用式(2)得到介质振动的速度u：式(2)中，α为金属粉末材料对激光的吸收率；γ为气体的绝热指数，ρ0为金属粉末材料的密度；步骤3、利用式(3)得到粉末床的最大表面温度Tm：式(3)中，K为玻尔兹曼常数；k为金属粉末材料的导热系数；v为金属粉末材料的熔化速度；c为金属粉末材料的热熔比；步骤4、利用式(4)得到熔池的宽度δw：式(4)中，ΔHlv为金属粉末材料从固态到气态的潜热能；Tlv为金属粉末材料从固态到气态的平衡温度；Tsl为金属粉末材料从固态到液态的平衡温度；步骤5、构建激光熔化过程中多场耦合的热力学模型：步骤5.1、建立以粉末床的一个顶角为原点O，以与所述原点O相连接的两条边分别为X轴和Y轴，建立直角坐标系O-XY；步骤5.2、利用式(5)建立激光熔化过程中的温度场有限元模型：式(5)中，a为金属粉末材料的热扩散率，T(t)为t时刻金属粉末材料的瞬时温度，为拉普拉斯算子；对于不随时间变化的稳定温度场，存在T(x,y,z)为在点(x,y,z)处金属粉末材料的温度；步骤5.3、利...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱锟鹏，傅盈西，段现银，林昕，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34