一种三激光束智能增减材复合制造系统及方法技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种三激光束智能增减材复合制造系统及方法。本发明专利技术可有效减少激光熔化沉积增材制造中制件的裂纹、气孔、表面粗糙等缺陷，可应用在大型金属构件的增材制造工艺中，提高制造成品率，降低成本。本发明专利技术利用脉冲激光加工的特性对制件沉积层中出现的内部缺陷进行刻蚀以将其暴露出来，然后在其刻痕或微小缺口中进行脉冲激光熔化沉积以填充其缺失部分，且二次熔化沉积部分材料致密性高、原材料层与二次沉积材料粘结牢固，可有效提高制件性能质量。本发明专利技术结合图像采集与深度神经网络质量评估模型，系统鲁棒性高，准确率高。

【技术实现步骤摘要】
一种三激光束智能增减材复合制造系统及方法
本专利技术涉及增材制造
，具体涉及一种三激光束智能增减材复合制造系统及方法。
技术介绍
随着工业进程的加快，航空航天、核电、船舶等领域对零件结构的需求呈现大型整体化、构型拓扑化、梯度复合化、结构功能一体化的发展趋势，传统的“铸锻造+机加”的加工方法已难以满足要求，增材制造技术则为其提供了全新的解决方案。增材制造技术具有“多类型多工艺共存，材料体系众多”的特点，但目前存在着“制件精度低、制件稳定性差”等关键问题，限制了增材制造技术大规模工程应用。因此，迫切需要高精度智能化金属增材制造系统。简述增减材制造专利特点如增材+铣削，提高精度但不能对零件内部的流道内表面进行处理。目前，大型关键金属构件主要由激光熔化沉积(LaserMeltingDeposition，LMD)和激光选区熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)方式进行加工，增材制造装备是典型的光机电一体的复杂系统，涉及高温、密闭、粉尘等复杂工况，如何实现其工艺过程的长时间、无间断、稳定运行是一个非常重要的问题。增材制造与减材制造具有其各自的优点，目前关注的增减材复合制造技术主要集中在基于激光熔融沉积的增材制造与数控加工的复合，以及基于激光熔融沉积的增材制造与脉冲激光减材加工的复合，但对脉冲激光减材加工的应用止于修复制件毛刺、表面粗糙度等的表面缺陷，目前无法结合激光熔化沉积和脉冲减材技术，对气孔、裂缝等沉积层的内部缺陷进行修复，无法充分发挥脉冲激光加工的优势。r>
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种三激光束智能增减材复合制造系统及方法。可解决大型关键金属构件制造过程中易出现裂纹、气孔、空隙等内部缺陷以及常见表面质量等问题。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种三激光束智能增减材复合制造系统，包括第一、第二、第三激光单元、图像采集系统、质量评估系统、增减材修复控制系统；所述图像采集系统与所述第一激光单元同步运动，用于跟随获取熔化沉积过程中的工艺图像，实时地对所述工艺图像进行预处理，获得特征图像与熔池温度；所述质量评估系统用于对所述特征图像与熔池温度输入制件质量评估模型，输出组成包括缺陷类型、评估准确可信度以及缺陷坐标、大小、走向分部信息至少其中之一，并在沉积过程中记录存储包括出现内部缺陷的坐标值、缺陷的分布区域和深度信息；所述增减材修复控制系统用于对所述质量评估系统的评估结果与缺陷修复工艺的对应表放假行对照并制定修复计划；所述第二激光单元用于对制件修复工艺参数对材料层进行减材加工；所述第三激光单元用于对所暴露出的材料层内部缺陷进行增材修复。进一步地，所述第一激光单元包括激光发生器、送粉器和同轴送粉喷头的送粉装置和运动系统，所述激光发生器与所述图像采集系统由所述运动系统同步驱动位移。更进一步地，所述图像采集系统包括高速摄像机和红外热像仪，所述高速摄像机用于获取所述工艺图像，所述红外热像仪用于获取所述熔池温度。更进一步地，所述特征图像包括反应熔池、羽流、飞溅物的形状、大小、及表面形貌。更进一步地，所述第二、第三激光单元产生激光束的光源为脉冲激光源，所述脉冲激光源产生的脉冲激光频率为100KHz～10MHz；所述的脉冲激光源产生持续时间为10飞秒～600皮秒之间的脉冲。更进一步地，所述质量评估系统采用CNN或LSTM深度神经网络模型。本专利技术实施例还提供了一种使用上述系统进行制造的方法，包括以下步骤：S1：形成材料层：由第一激光单元产生连续的第一激光束，对材料粉末进行熔化沉积，形成沉积层；S2：图像信息采集：由图像采集系统对沉积过程中的熔池、羽流、飞溅物的表面形貌进行图像采集并进行预处理得到特征图像，用于后续成型件的质量评估模型和增减材修复控制系统的输入参数；S3：质量评估：通过质量评估系统对图像采集系统获取的特征图像进行评估，输出结果若评估准确可信度低于预设阈值，则沉积层无质量问题，则增材制造设备进入下一激光熔化沉积制造过程，否则，通过质量评估系统确定材料层存在的表面缺陷及内部缺陷，并存储当前工艺坐标及缺陷分布信息；S4：确定修复工艺参数：在步骤S3的质量评估系统评估材料层有质量问题后，通过增减修复控制系统确定各缺陷的修复工艺参数；S5：减材加工过程Ⅰ：若材料层经质量评估系统评估存在内部缺陷或同时存在内部缺陷与表面缺陷，则根据增减修复控制系统确定各缺陷的修复工艺参数使用第一激光单元对材料层进行激光刻蚀减材加工，将内部气孔、裂纹暴露出来；若材料层质量评估系统经评估只存在表面质量缺陷，则根据增减修复控制系统确定各缺陷的修复工艺参数对材料层进行表面减材加工，去除材料层表面的毛刺、飞边，减小表面粗糙度，切除沉积层多余材料部分，保持表面形貌尺寸合格，并且增材制造设备进入下一激光熔化沉积制造过程；S6：增材加工过程：通过对步骤e)的激光刻蚀后的材料层表面刻痕、空腔或切口进行激光熔化沉积增材加工，使用第二激光单元修复材料层以恢复其期望的表面形貌特征；S7：减材加工过程Ⅱ：当沉积层存在内部缺陷时，修复过程包括所述减材加工过程Ⅰ、所述增材加工过程，使沉积层存在的内部缺陷经过激光刻蚀暴露出来、增材加工以填补刻痕或空腔、减材加工以光整沉积层表面。实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：(1)本专利技术基于现有增材制造工艺，吸收了脉冲激光加工技术的非热熔性、准确性、加工材料的广泛性及低能耗性等特征优势，可有效减少激光熔化沉积增材制造中制件的裂纹、气孔、表面粗糙等缺陷，可应用在大型金属构件的增材制造工艺中，提高制造成品率，降低成本。(2)本专利技术利用脉冲激光加工的特性对制件沉积层中出现的内部缺陷进行刻蚀以将其暴露出来，然后在其刻痕或微小缺口中进行脉冲激光熔化沉积以填充其缺失部分，且二次熔化沉积部分材料致密性高、原材料层与二次沉积材料粘结牢固，可有效提高制件性能质量。(3)本专利技术结合图像采集与深度神经网络质量评估模型，系统鲁棒性高，准确率高。附图说明图1为本专利技术的系统示意图。图2为本专利技术的方法流程示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。本实施例提出一种基于送粉的激光熔化沉积的增减材智能复合加工系统，系统组成如图1所示。第一激光单元，第一激光单元用于产生第一激光束，协同送粉装置按加工数据进行熔化沉积，形成材料层。第一激光单元包括必要的可产生连续激光源的激光发生器，用于激光传导的光纤；还包括送粉器和同轴送粉喷头的送粉系统；包括运动系统，如包含激光准直和聚焦系统的六轴关节型焊接机器人，控制第一激光单元的移动。第二激光单元，包括可产生脉冲激光源的激光发生器，可调控激光束开/关和激光功率变化的声光调制器；包括如准直和聚焦的光学系统，对激光束进行准直、偏转与聚焦；包括自动高精度三维线性平台的运动系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三激光束智能增减材复合制造系统，其特征在于，包括第一、第二、第三激光单元、图像采集系统、质量评估系统、增减材修复控制系统；/n所述图像采集系统与所述第一激光单元同步运动，用于跟随获取熔化沉积过程中的工艺图像，实时地对所述工艺图像进行预处理，获得特征图像与熔池温度；/n所述质量评估系统用于对所述特征图像与熔池温度输入制件质量评估模型，输出组成包括缺陷类型、评估准确可信度以及缺陷坐标、大小、走向分部信息至少其中之一，并在沉积过程中记录存储包括出现内部缺陷的坐标值、缺陷的分布区域和深度信息；/n所述增减材修复控制系统用于对所述质量评估系统的评估结果与缺陷修复工艺的对应表放假行对照并制定修复计划；/n所述第二激光单元用于对制件修复工艺参数对材料层进行减材加工；/n所述第三激光单元用于对所暴露出的材料层内部缺陷进行增材修复。/n

【技术特征摘要】
1.一种三激光束智能增减材复合制造系统，其特征在于，包括第一、第二、第三激光单元、图像采集系统、质量评估系统、增减材修复控制系统；
所述图像采集系统与所述第一激光单元同步运动，用于跟随获取熔化沉积过程中的工艺图像，实时地对所述工艺图像进行预处理，获得特征图像与熔池温度；
所述质量评估系统用于对所述特征图像与熔池温度输入制件质量评估模型，输出组成包括缺陷类型、评估准确可信度以及缺陷坐标、大小、走向分部信息至少其中之一，并在沉积过程中记录存储包括出现内部缺陷的坐标值、缺陷的分布区域和深度信息；
所述增减材修复控制系统用于对所述质量评估系统的评估结果与缺陷修复工艺的对应表放假行对照并制定修复计划；
所述第二激光单元用于对制件修复工艺参数对材料层进行减材加工；
所述第三激光单元用于对所暴露出的材料层内部缺陷进行增材修复。


2.根据权利要求1所述的三激光束智能增减材复合制造系统，其特征在于，所述第一激光单元包括激光发生器、送粉器和同轴送粉喷头的送粉装置和运动系统，所述激光发生器与所述图像采集系统由所述运动系统同步驱动位移。


3.根据权利要求2所述的三激光束智能增减材复合制造系统，其特征在于，
所述图像采集系统包括高速摄像机和红外热像仪，所述高速摄像机用于获取所述工艺图像，所述红外热像仪用于获取所述熔池温度。


4.根据权利要求1所述的三激光束智能增减材复合制造系统，其特征在于，所述特征图像包括反应熔池、羽流、飞溅物的形状、大小、及表面形貌。


5.根据权利要求1所述的三激光束智能增减材复合制造系统，其特征在于，所述第二、第三激光单元产生激光束的光源为脉冲激光源，所述脉冲激光源产生的脉冲激光频率为100KHz～10MHz；所述的脉冲激光源产生持续时间为10飞秒～600皮秒之间的脉冲。


6.根据权利要求1所述的三激光束智能增减材复合制造系统，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奉涛，李凯强，牛小东，耿文豹，毛忠发，魏华贤，蔡雄航，杨守华，
申请(专利权)人：汕头大学，
类型：发明
国别省市：广东;44