激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统与方法

技术特征：
1.一种激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，包括激光熔化沉积同轴监测系统、图像在线处理单元、形貌缺陷识别单元、原位反馈调控单元，激光熔化沉积同轴监测系统包括激光器、激光头、位移装置、材料进给装置、同轴监测单元和工业相机单元，所述激光器发出的激光束传输至所述激光头，再照射至铝合金基材或沉积层，同步进行铝合金粉末送粉，形成液态铝合金熔池熔体，所述激光头连接至所述位移装置上进行位移，在沉积过程中，利用所述同轴监测单元和所述工业相机单元进行熔池图像采集，最终将数据传输至所述图像在线处理单元中；所述图像在线处理单元去除所述工业相机单元所采集图像信号的激光散射或粉末飞溅干扰，提取所需的关键特征，所述形貌缺陷识别单元根据所述图像在线处理单元处理后的图像数据对形貌缺陷进行识别判断，判断其属于哪类缺陷及所处阶段，所述原位反馈调控单元根据所述形貌缺陷识别单元所得结果，判断上述缺陷是否具有通过原位调控进行抑制的可行性，对于可抑制缺陷进行基于工艺路径参数的原位调控。2.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，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，同时去除粉末飞溅中像素值小于3的粉末飞溅，所述视觉特征提取模块提取熔池图像内部区域面积特征、图像整体清晰度特征、熔池数量特征。3.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，所述形貌缺陷识别单元对内部区域面积特征及相关联特征是否超过给定阈值进行识别，对熔池图像整体清晰程度进行识别，并对熔池数量进行识别，最后综合判断目前是否存在形貌缺陷及其所处阶段。4.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，所述原位反馈调控单元的工艺路径参数包括激光功率、扫描速度、送粉量、两端停留时间、层间间歇时间、提升量。5.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，所述激光器包括半导体激光器或nd:yag激光器，所述激光器与所述激光头的连接方式为光纤连接。6.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，所述材料进给装置包括送粉装置或送丝装置。7.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，所述位移装置包括数控机床或机器人。8.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，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。9.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，所述同轴监测单元将激光加工熔池图像信号传输至所述工业相机单元中，所述工业相机单元位于所述同轴监测单元的单元出光口处。10.如权利要求1所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统，其特征在于，所述位移装置进行3轴～11轴位移。
11.一种激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控方法，其特征在于，基于如权利要求1至10中任意一项所述激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统实现，包括：a、尺寸标定：将工业相机放置于同轴监测单元出光口处，调节激光头与基板之间的距离l为实际最优加工距离l'，对焦后标定图像与实际尺寸的比例，得到图像像素值与实际尺寸的比例为k:1；b、清晰度-距离关系建立：调整激光头与基板之间距离为l'、l' 1、l' 2、l' 3、l' 4mm，确定不同激光头与基板之间距离时的清晰度特征，即图像平均灰度梯度值h，建立两者之间的映射关系h＝f(l)；c、图像采集：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；d、预处理：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，处理速度为5～200ms；e、特征提取：提取熔池内部区域面积特征、图像整体清晰度特征、熔池数量特征，其中，熔池内部区域特征为获得实时的熔池内部区域面积像素值s，图像整体清晰度特征为获得的图像平均灰度梯度值h，熔池数量特征为现有图像范围内的液态熔池数量q；f、缺陷类型及所处阶段识别：根据步骤a中的标定比例k:1以及步骤c～e图像在线处理单元对特征图像的处理，熔池内部区域实际面积s＝s/k，判断激光熔化沉积形貌缺陷状态；薄壁结构形貌缺陷类型包括两端倾斜、沉积失败、局部塌陷、球化分离：1)两端倾斜来源于沉积层两端熔池的不稳定：初始阶段时，熔池内部区域面积较小，无法维持稳定，即每层起始或终止端的0.5s内，s的平均偏差其中，m为熔池图像数量，当大于给定阈值α1时，开始出现两端倾斜形貌缺陷的初始误差；发展阶段时，单层起始端熔池面积逐渐增加，终止端熔池面积逐渐减少，拟合位置与熔池面积的一次函数y＝ax b，当|a|大于给定阈值α2时，所在位置发生两端倾斜形貌缺陷且已处于发展阶段；2)无法堆积主要来源于激光头与沉积层之间距离l逐渐增加：初始阶段时，除去起始与终止端0.5s外的每层内部区域平均面积逐渐增加，以每隔一层的面积变化率来判断，当θ大于给定阈值β1时，开始出现沉积失败缺陷；发展阶段时，熔池图像逐渐远离工业相机单元焦点，除去起始与终止端0.5s外的每层图像平均灰度梯度值h逐渐增加，给定h的最优阈值范围，当所有图像的h均小于β2时，激光头与沉积层间的距离异常，已处于无法堆积的发展阶段；3)局部塌陷主要由熔池形态不稳定所导致：初始阶段时，单层熔池的内部区域面积s出现波动，s的平均偏差大于γ1小于γ2时为该形貌缺陷初始阶段；当大于γ2时，处于发展阶段；4)球化分离主要由铝合金薄壁构件两侧的烧结粉末层塌陷所导致：初始阶段时，单层内熔池内部区域面积会明显增加，s≥δ；发展阶段时，熔池数量q大于1；g、缺陷原位调控决策与执行：采用层间原位方式进行形貌缺陷的原位调控，包括：
1)针对两端倾斜缺陷，当处于初始阶段时，可在下一层通过增加两端停留时间来予以调控；处于发展阶段时，进行激光头与沉积层间的距离l与给定阈值α3的判定，距离l由步骤b的关系来计算，当l≥α3时，终止加工，已无法调控，当l<α3时，增加前两停留时间，依靠自优化负反馈来调解；2)针对无法堆积缺陷，当处于初始阶段时，可通过在下一层减少提升量、增加激光功率、减少扫描速度来调控；当处于发展阶段时，需要根据激光头与沉积层间的距离l，在下一层调节l至合理范围内，然后在后续加工中减少提升量、增加激光功率或减少扫描速度；3)针对局部塌陷，当处于初始阶段时，可通过在下一层减少提升量来解决，当熔池稳定后继续以原始提升量进行加工；当处于发展阶段时，需要在后几层仅进行微量提升，进行塌陷的填补，当填补回初始阶段时，再根据初始阶段调控策略来执行；如反复出现，则需要增加层间间歇时间，或者降低激光功率；4)针对球化分离，当处于初始阶段时，可通过在下一层减少激光功率或增加层间间歇时间来调控；当处于发展阶段时，加工已经失败，可终止加工。

技术总结
本发明公开了一种激光熔化沉积铝合金薄壁结构形貌缺陷监控系统与方法，包括激光熔化沉积同轴监测系统、图像在线处理单元、形貌缺陷识别单元、原位反馈调控单元，图像在线处理单元去除所采集图像信号的噪声干扰，提取用于形貌缺陷识别单元所需的关键特征；形貌缺陷识别单元根据图像在线处理单元处理后的图像数据对形貌缺陷进行识别判断，判断其属于哪类缺陷及所处阶段；原位反馈调控单元根据形貌缺陷识别单元所得结果，判断上述缺陷是否具有通过原位调控进行抑制的可行性，对于可抑制缺陷，进行基于工艺路径参数的原位调控。本监控系统与方法在现有监测系统基础上完成，成本低、适用性广，可解决激光熔化沉积铝合金时形貌缺陷难抑制的工业难题。难抑制的工业难题。难抑制的工业难题。


技术研发人员：唐梓珏 王洪泽 孙腾腾 王安 魏强龙 施祎 吴一 王浩伟
受保护的技术使用者：上海交通大学安徽（淮北）陶铝新材料研究院
技术研发日：2022.08.24
技术公布日：2022/11/11