基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法技术

本发明专利技术属于金属增材制造相关技术领域，其公开了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法，设备包括第一分光器、激光发生器、第二分光器、第三分光器、干涉仪及上位机系统，激光发生器与第二分光器相连接，第三分光器分别与第一分光器及第二分光器相连接，第一分光器及第三分光器分别连接于干涉仪，干涉仪连接于上位机系统。上位机系统用于对接收到的第一干涉图及第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，继而对待检测零件内部气孔缺陷及表面缺陷进行实时检测，由此实现定向能量沉积过程内部气孔缺陷及表面缺陷的原位在线无损检测。本发明专利技术实现了实时检测，灵活性较好。

Nondestructive testing equipment and method of directional energy deposition process based on coherent imaging

【技术实现步骤摘要】
基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法
本专利技术属于金属增材制造相关
，更具体地，涉及一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法。
技术介绍
金属增材制造过程是一种多物理场耦合的过程，成形过程中存在各种不稳定因素，温度变化剧烈，熔池凝固速率较大，成形零件易出现焊道偏移、驼峰、流淌等宏观缺陷，零件内部易出现裂纹、气孔、夹渣等不可预知的冶金缺陷。气孔等微小缺陷在交变应力的长期作用下逐渐扩展，最终有可能引发疲劳断裂事故，特别是在航空航天领域，一旦发生重要部件的疲劳断裂事故，将造成灾难性的后果。目前，金属增材制造零件的检测通常是在加工完毕后，对其进行超声波、射线、涡流、磁粉、渗透、红外热波等离线探伤检测。一方面由于零件结构的复杂性，整体检测会有检测盲区，例如结构重叠导致射线照不透，涡流的趋肤效应和边缘效应等造成零件漏检；另一方面，一旦检测发现工件内部存在缺陷，现有补焊、铣削等方法无法进行内部缺陷的修补，因此，加强质量控制，实时检测缺陷并处理，避免完工检测出现废品是当前电弧熔积增材制造迫切需要解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法，其基于现有增材制造零件的检测特点，研究及设计了一种能够实时在线检测的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法，将传统加工完毕后的整体检测，转变为加工过程中以当前焊道为检测对象的分散检测。所述无损检测设备通过检测激光与基准激光的光程差实时获取熔池深度变化趋势，预测零件内部气孔缺陷，同时通过实时获取当前焊道宽度和高度的变化趋势来检测焊道表面驼峰、偏移、流淌等缺陷，如此最终实现了定向能量熔积过程内部缺陷及表面缺陷的实时原位在线无损检测，适用性较强，灵活性较好。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，所述无损检测设备包括第一分光器、激光发生器、第二分光器、第三分光器、干涉仪及上位机系统，所述激光发生器与所述第一分光器相连接，所述第一分光器分别与所述第二分光器及所述第三分光器相连接，所述第二分光器及所述第三分光器分别连接于所述干涉仪，所述干涉仪连接于所述上位机系统；所述激光器用于发射激光束，所述第一分光器用于将所述激光束均分成两束，分别为检测光及基准光，所述第三分光器用于将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，且所述第一基准光及所述第二基准光分别传输给所述干涉仪；所述第二分光器用于将所述检测光分为第一检测激光及第二检激光，所述第一检测激光射入熔池底部并反射回所述干涉仪；所述第二检测激光射向所述熔池后方已经凝固的焊道的表面并反射回所述干涉仪；所述干涉仪用于根据所述第一检测光及所述第一基准光之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，还根据所述第二基准光与第二检测激光之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图；所述上位机系统用于对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，通过将不同焊道质量(正常焊道、包含内部气孔缺陷焊道、驼峰缺陷焊道、流淌缺陷焊道、偏移缺陷焊道)的特征信息(熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线)进行人工神经网络模型的建立及测试，得到内部气孔缺陷、焊道偏移、驼峰、流淌缺陷的分类识别模型，实现定向能量沉积过程中当前焊道的实时内部气孔缺陷及表面缺陷检测，由此实现定向能量沉积过程内部气孔缺陷及表面缺陷的原位在线无损检测。进一步地，所述检测设备还包括第一检测激光头及第二检测激光头，所述第一检测激光头及所述第二检测激光头分别位于所述第一分光器的下方，所述第一检测激光头与所述熔池相对设置。进一步地，所述检测设备还包括辅助导入装置，所述辅助导入装置与所述第一检测激光头同轴设置，其用于增强所述第一检测激光对所述熔池的穿透力。进一步地，所述上位机处理系统对所述第二干涉图进行处理以得到焊道高度变化曲线，进而对所述焊道高度变化曲线进行一阶求导并把导数不为零的点进行累加以得到焊道的像素宽度，由此得到焊道宽度变化曲线。进一步地，所述上位机系统根据熔池深度变化曲线与内部气孔缺陷的关系、以及所述熔池深度变化曲线来实时预测内部气孔缺陷。进一步地，所述检测设备还包括第一光导纤维，所述第二分光器通过所述第一光导纤维分别连接于所述第一分光器及所述第三分光器。进一步地，所述检测设备还包括第二光导纤维，所述第一分光器及所述第二分光器通过所述第二光导纤维分别连接于所述干涉仪，所述第一光导纤维的结构与所述第二光导纤维的结构相同。进一步地，所述第一光导纤维包括纤芯和包层，所述包层包覆所述纤芯，所述纤芯是由透明材料制成的，所述包层是由折射率低于所述纤芯的折射率的材料制成的。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测方法，所述方法包括以下步骤：(1)提供如上所述的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，并控制所述激光发生器发射激光束，所述第一分光器将所述激光束均分成检测光和基准光，所述检测光及所述基准光分别进入所述第二分光器及所述第三分光器；(2)所述第二分光器将所述检测光分为第一检测光及第二检测光，所述第一检测光射入熔池底部并反射回所述干涉仪，所述第二检测光射向熔池后方已经凝固的焊道的表面并反射回所述干涉仪；同时，所述第三分光器将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，并将所述第一基准光及所述第二基准光传输给所述干涉仪；(3)所述干涉仪依据所述第一检测光与所述第一基准光之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，还根据所述第二基准光与第二检测激光之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图；此外，所述干涉仪将得到的第一干涉图及所述第二干涉图传输给所述上位机系统；(4)所述上位机系统对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，继而对待检测零件内部气孔缺陷及表面缺陷进行实时检测，通过将不同焊道质量(正常焊道、包含内部气孔缺陷焊道、驼峰缺陷焊道、流淌缺陷焊道、偏移缺陷焊道)的特征信息(熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线)进行人工神经网络模型的建立及测试，得到内部气孔缺陷、焊道偏移、驼峰、流淌缺陷的分类识别模型，实现定向能量沉积过程中当前焊道的实时内部气孔缺陷及表面缺陷检测，由此实现定向能量沉积过程内部气孔缺陷及表面缺陷的原位在线无损检测。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备及方法主要具有以下有益效果：1.本专利技术是在定向能量沉积过程中进行的，将传统加工完毕后的整体检测，转变为加工过程中以当前焊道为检测对象的分散检测，不存在检测盲区，不受零件结构复杂性、定向能量沉积过程高温性、焊道表面粗糙度的影响，避免了漏检，提高了检测精度及可靠性；同时一旦发现缺陷可以及时进行补焊和铣削，加强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，其特征在于：/n所述无损检测设备包括第一分光器(9)、激光发生器(8)、第二分光器(7)、第三分光器(11)、干涉仪(13)及上位机系统(14)，所述激光发生器(8)与所述第二分光器(9)相连接，所述第三分光器(11)分别与所述第一分光器(7)及所述第二分光器(9)相连接，所述第一分光器(7)及所述第三分光器(11)分别连接于所述干涉仪(13)，所述干涉仪(13)连接于所述上位机系统(14)；/n所述激光发生器(8)用于发射激光束，所述第一分光器(9)用于将所述激光束均分成两束，分别为检测光及基准光，所述第三分光器(11)用于将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，且所述第一基准光及所述第二基准光分别传输给所述干涉仪(13)；所述第二分光器(7)用于将所述检测光分为第一检测激光(16)及第二检激光，所述第一检测激光(16)射入熔池(15)底部并反射回所述干涉仪(13)；所述第二检测激光(18)射向所述熔池(15)后方已经凝固的焊道(2)的表面并反射回所述干涉仪(13)；所述干涉仪(13)用于根据所述第一检测光及所述第一基准光之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，还根据所述第二基准光与第二检测激光(18)之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图；所述上位机系统(14)用于对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，继而实现定向能量沉积过程中当前焊道的实时内部气孔缺陷及表面缺陷的检测，由此实现定向能量沉积零件的内部气孔缺陷及表面缺陷的整体在线无损检测。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，其特征在于：
所述无损检测设备包括第一分光器(9)、激光发生器(8)、第二分光器(7)、第三分光器(11)、干涉仪(13)及上位机系统(14)，所述激光发生器(8)与所述第二分光器(9)相连接，所述第三分光器(11)分别与所述第一分光器(7)及所述第二分光器(9)相连接，所述第一分光器(7)及所述第三分光器(11)分别连接于所述干涉仪(13)，所述干涉仪(13)连接于所述上位机系统(14)；
所述激光发生器(8)用于发射激光束，所述第一分光器(9)用于将所述激光束均分成两束，分别为检测光及基准光，所述第三分光器(11)用于将所述基准光分为第一基准光及第二基准光，且所述第一基准光及所述第二基准光分别传输给所述干涉仪(13)；所述第二分光器(7)用于将所述检测光分为第一检测激光(16)及第二检激光，所述第一检测激光(16)射入熔池(15)底部并反射回所述干涉仪(13)；所述第二检测激光(18)射向所述熔池(15)后方已经凝固的焊道(2)的表面并反射回所述干涉仪(13)；所述干涉仪(13)用于根据所述第一检测光及所述第一基准光之间的相位光程差所引起的电场相位差来生成第一干涉图，还根据所述第二基准光与第二检测激光(18)之间相对光程差所引起的电场相位差来生成第二干涉图；所述上位机系统(14)用于对接收到的所述第一干涉图及所述第二干涉图进行处理以得到熔池深度变化曲线、熔池高度变化曲线及熔池宽度变化曲线，继而实现定向能量沉积过程中当前焊道的实时内部气孔缺陷及表面缺陷的检测，由此实现定向能量沉积零件的内部气孔缺陷及表面缺陷的整体在线无损检测。


2.如权利要求1所述的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，其特征在于：所述检测设备还包括第一检测激光头(5)及第二检测激光头(6)，所述第一检测激光头(5)及所述第二检测激光头(6)分别位于所述第二分光器(7)的下方，所述第一检测激光头(5)与所述熔池(15)相对设置。


3.如权利要求2所述的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，其特征在于：所述检测设备还包括辅助导入装置(4)，所述辅助导入装置(4)与所述第一检测激光头(5)同轴设置，其用于增强所述第一检测激光(16)对所述熔池(15)的穿透力。


4.如权利要求1所述的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，其特征在于：所述上位机处理系统对所述第二干涉图进行处理以得到焊道高度变化曲线，进而对所述焊道高度变化曲线进行一阶求导并把导数不为零的点进行累加以得到焊道的像素宽度，由此得到焊道宽度变化曲线，从而实现焊道偏移、驼峰、流淌缺陷的分类识别。


5.如权利要求1所述的基于相干成像的定向能量沉积过程无损检测设备，其特征在于：所述上...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海鸥，陈曦，宋豪，唐尚勇，王桂兰，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42