CN111687413B - 一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光近净成形技术领域，并具体公开了一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法，其通过设计同轴设置的环形监测运动平台和360°旋转式加工台，并在激光加工头旁侧布置与其保持同步运动的熔池形态监测部和工件三维轮廓监测部，以及在环形监测运动平台上搭载激光超声监测部、熔池温度分布监测部、应力应变监测部和激光诱导击穿光谱监测部，并在环形监测运动平台旁侧搭载CT缺陷监测部，以此通过上述各部件的相互配合实现激光近净成形过程中工件各项参数的全方位实时在线监测。具有结构简单，操作方便，适用性强等优点。

Description

一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法

技术领域

本发明属于激光近净成形技术领域，更具体地，涉及一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法。

背景技术

激光近净成形技术作为一种新型生产工艺，将数控、计算机、激光等新型技术结合在内，通过激光逐层熔覆金属粉末颗粒的方法实现立体金属件的制造。相比于传统的加工方式，具有加工工序少、周期短、材料种类多以及能够加工形状复杂零件等优势，广泛应用于工业制造、生物医疗、航空航天等领域。

由于激光近净成形工艺逐层激光熔覆和金属粉末颗粒快速熔化凝固的加工特点，工件容易产生层分离、三维轮廓变形、未熔合、孔洞和裂纹等缺陷，严重影响产品的使用性能和工作寿命，特别是大型构件的制造过程，细微缺陷的累积最终将导致产品加工失败。因此，在加工过程中，需要对每一道加工步骤进行实时在线无损监测，尤其是对直接影响工件质量和性能的参数进行监测，例如熔池的温度分布、熔池形状变化、加工部位的三维轮廓变形、工件应力场分布以及内部缺陷等。

而目前本领域并未有可同时实现激光近净成形的上述多个参数在线实时监测的装置，因此，本领域有待进行研究与设计，以获得一种可适用于激光近净成形的实时监测装置，以实现激光近净成形过程中多个参数的实时在线测量，以指导后续的激光近净成形。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于激光近净成形的实时监测装置、成形设备及方法，其通过对关键组件如环形监测运动平台、360°旋转式加工台及多个监测部的具体装配关系的设计，可实现激光近净成形工件多个参数的全方位实时测量，具有结构简单、操作方便、适用性强等优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种用于激光近净成形的实时监测装置，其包括激光超声监测部、熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、工件三维轮廓监测部、应力应变监测部、激光诱导击穿光谱监测部、CT缺陷监测部、环形监测运动平台和360°旋转式加工台，其中：

所述激光超声监测部、熔池温度分布监测部、应力应变监测部和激光诱导击穿光谱监测部安装在所述环形监测运动平台上，并面向待监测工件；所述熔池形态监测部和工件三维轮廓监测部安装在用于执行激光近净成形的激光加工头的旁侧，并与激光加工头保持同步运动；所述CT缺陷监测部设于环形监测运动平台的旁侧，用于实现工件内部缺陷的监测；所述环形监测运动平台设置在所述360°旋转式加工台的外部并与其同轴设置，该360°旋转式加工台用于带动待测工件做360°旋转，以保证各监测部对工件进行360°全方位监测，进而实现激光近净成形的多参数在线实时测量。

作为进一步优选的，所述环形监测运动平台包括环形运动轨道和升降装置，在工件每成形一层高度时，所述升降装置对应的将环形运动轨道上升一层高度，以使得环形监测运动平台上的各监测部始终监测工件待监测的部分。

作为进一步优选的，所述激光超声监测部包括激发激光器和探测激光器，其中，所述激发激光器用于将脉冲激光束入射至待检测的工件表面以产生超声波信号，该超声波在工件近表面内部与缺陷相互作用，并反射回工件的表面，并被所述探测激光器接收。

作为进一步优选的，所述熔池形态监测部优选为抵近可见高光谱相机；所述熔池温度分布监测部优选为超高速光电测温仪；所述工件三维轮廓监测部优选为高速工业相机。

作为进一步优选的，所述应力应变监测部包括底部应变测量机构和侧面应变测量机构，其中，所述底部应变测量机构包括彼此相连的应变信号分析仪和应变测量传感器阵列，所述应变信号分析仪安装在360°旋转式加工台的底部，所述应变测量传感器阵列嵌装在用于放置工件的基板内，以对工件底部的应变进行测量；所述侧面应变测量机构为工业相机，其安装在环形监测运动平台上，并与工件之间设置有分光器；优选的，所述应变测量传感器阵列具有温度补偿功能。

作为进一步优选的，所述激光诱导击穿光谱监测部包括彼此相连的探测器和光谱摄制仪，所述探测器用于探测获取工件表面发射出的等离子光线，并将该等离子光线传送至光谱摄制仪中，以实现工件制备材料的元素成分及含量的检测。

作为进一步优选的，所述CT缺陷监测部包括X射线源和X射线探测器，该X射线源和X射线探测器位于工件的两侧，其中，X射线源用于发出X射线，该X射线穿透工件后由所述X射线探测器接收。

作为进一步优选的，所述激光超声监测部采用波长为0.4mm～0.5mm的超声波进行检测，熔池形态监测部和熔池温度分布监测部采用波长为780nm～950nm的红外光进行检测，工件三维轮廓监测部和应力应变监测部采用波长为446mm～464mm的可见光进行检测，激光诱导击穿光谱监测部采用波长为530nm～540nm的激光进行检测，CT缺陷监测部采用波长为10^-3nm～10nm的X射线进行检测；优选的，对熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、工件三维轮廓监测部和应力应变监测部进行窄带通滤波设计。

按照本发明的第二个方面，提供了一种具有实时监测功能的激光近净成形设备，该成形设备包括激光加工装置、控制装置及所述的实时监测装置，其中，所述激光加工装置用于执行激光近净成形，所述实时监测装置用于在激光近净成形过程中实时监测工件，并将监测的数据反馈至控制装置中，所述控制装置则基于实时监测装置反馈的监测数据动态调整激光近净成形工艺参数，并基于动态调整后的参数控制激光加工装置动作，以此实现高质量激光近净成形工件的制备。

按照本发明的第三个方面，提供了一种具有实时监测功能的激光近净成形方法，其包括如下步骤：

1)利用激光加工装置进行待成形工件的单层熔覆层打印，在打印过程中，熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、应力应变监测部的底部应变测量机构实时工作，以实现熔池动态形貌轮廓、熔池温度分布以及工件底部应变的实时监测；

2)单层熔覆层打印完成后，激光加工装置回到预设原点并暂停，工件三维轮廓监测部、激光超声监测部、CT缺陷监测部、激光诱导击穿光谱监测部以及应力应变监测部的侧面应变测量机构开始同步或分时工作，实现工件三维轮廓形貌、工件近表面缺陷、工件内部缺陷、工件制备材料元素成分及含量、工件侧面应变的实时监测，检测过程中360°旋转式加工台带动工件进行360°旋转，保证各监测部全方位扫描工件，实现全方位实时在线监测的目的；

3)各监测部将监测的数据反馈至控制装置中，该控制装置基于实时监测装置反馈的监测数据动态调整激光近净成形的工艺参数，该动态调整后的工艺参数作为下一层熔覆层的打印工艺；

4)重复步骤1)～3)，以此实现所需工件的激光近净成形。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明研究设计了一种可适用于激光近净成形的实时监测装置，该装置可实现激光近净成形过程中多个参数(例如工件近表面缺陷、熔池动态形貌轮廓、熔池温度分布、工件三维轮廓形貌、工件底部和侧面的应变、工件材料元素成分、工件内部缺陷)的在线实时测量，利用这些参数数据可以指导后续的激光近净成形，进而提高激光近净成形工件的质量。

2.本发明通过搭建环形监测运动平台，可安装多个实时在线监测装置，当加工完一层后，可以带动安装在上面的监测装置上升一层打印层的高度，保证监测装置能够准确对焦于监测点，通过搭建与环形监测运动平台配的360°旋转式加工台，带动加工件进行360°旋转，保证加工件能够被全方位扫描到，实现对加工件轮廓的全方位实时在线监测的目的，同时通过将熔池形态监测部和工件三维轮廓监测部设计成与激光加工头保持同步运动，由此可保证熔池形态及工件三维轮廓的全方位准确扫描监测。

3.本发明采用激光超声检测技术进行工件近表面孔洞裂纹缺陷监测，其利用激光作用于加工件表面激发超声波的机理，超声波从加工件内部透射扩散，对激发点不同距离超声信号进行提取分析，从而判断加工件缺陷的位置及形貌分布，该方法在保证检测精度的同时可以对加工件内部进行无损的实时在线无损检测。

4.本发明在熔池形貌及温度监测过程中，使用与激光头同步动作的抵近可见高光谱相机进行形貌测量，以及超高速光电测温仪进行温度测量，熔池轮廓测量精度可达0.001mm，温度测量精度可大±5℃，可有效消除环境噪声的影响，快速准确的判断熔池区域。

5.本发明通过安装在基板内的应变测量传感器阵列对加工件进行底面应变的测量，通过工业相机记录激光光斑在样品侧面的散斑分布，实现加工件侧面应变的测量，其通过低成本的硬件组合，利用光测-电测复合即实现了工件的全方位应变测量，此外，可根据测得的应力结合现有有限元计算混合方法即可反演出应力，以此实现高效的实时非接触且无损的应力检测。

6.本发明采用激光诱导击穿光谱无损在线检测对加工件进行元素成分定性定量分析检测，利用脉冲激光对加工件的作用所产生的剥离现象，对金属熔池周围所诱发的等离子体光辐射进行探测和光谱分析，为控制增材制造构件质量提供环境洁净度支撑。

7.本发明所述的CT缺陷监测部通过X射线源发出X射线穿透加工件并由X射线探测器接收，将信息传至计算机控制***即可获取加工件内部缺陷和几何轮廓图像，可直观检测加工件内部缺陷的类型、位置和尺寸大小，由于CT缺陷检测装置体积较大，本发明将其安装在环形监测平台旁侧，以减小环形监测平台的承重压力，提高装置稳定性。

8.由于本发明的监测装置中包含有多个监测部件，彼此之间会存在一定的干扰，为了使不同监测部件工作时互不干扰，避免各检测方法间光、振动的干扰，本发明对各监测部的检测方式和检测波长进行了研究与设计，具体的激光超声监测部采用波长为0.4mm～0.5mm的超声波进行检测，熔池形态监测部和熔池温度分布监测部采用波长为780nm～950nm的红外光进行检测，工件三维轮廓监测部和应力应变监测部采用波长为446mm～464mm的可见光进行检测，激光诱导击穿光谱监测部采用波长为530nm～540nm的激光进行检测，CT缺陷监测部采用波长为10-3nm～10nm的X射线进行检测；通过上述设计，可有效避免各监测部件间的干扰。

9.本发明还提出了搭载有本发明所述的实时监测装置的激光近净成形设备及方法，由此可基于实时监测装置实时监测的数据来动态调节激光近净成形的工艺，进而实现激光近净成形加工过程的闭环控制，从而整体提高加工件的质量和性能。

10.本发明中在打印过程中使得熔池形态监测部、熔池温度分布监测部和底部应变测量机构实时工作，在打印完成后使得工件三维轮廓监测部、激光超声监测部、CT缺陷监测部、激光诱导击穿光谱监测部和侧面应变测量机构开始同步或分步工作，以此实现分时段延迟测量，避免各部件之间的干扰及避开熔池对检测结果的影响，进而提高检测的精度。

11.此外，本发明还对对熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、工件三维轮廓监测部和应力应变监测部进行窄带通滤波设计，以消除激光热源的干扰，提高监测精确度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的具有实时监测功能的激光近净成形设备的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的环形监测运动平台与各监测部间的装配结构示意图；

图3是本发明实施例提供的应力应变监测部的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的激光诱导击穿光谱监测部的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-计算机控制***，2-机械臂控制柜，3-光纤耦合器，4-轴向机器人，5-机械臂，6-传输光纤，7-激光加工头，8-送粉装置，9-保护气供给装置，10-探测激光器，11-超高速光电测温仪，12-工作台，13-基板，14-应变测量传感器阵列，15-360°旋转式加工台，16-工件，17-高速工业相机，18-抵近可见高光谱相机，19-激发激光器，20-固定架，21-X射线源，22-X射线探测器，100-应力应变监测部，200-环形监测运动平台，300-激光诱导击穿光谱监测部，101-应变信号分析仪，102-分光器，103-工业相机，201-环形运动轨道，202-升降装置，301-等离子光线，302-探测器，303-光谱摄制仪，304-光纤线缆，305-等离子体。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种用于激光近净成形的实时监测装置，其包括激光超声监测部、熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、工件三维轮廓监测部、应力应变监测部、激光诱导击穿光谱监测部300、CT缺陷监测部、环形监测运动平台200和360°旋转式加工台15。

其中，激光超声监测部用于实现工件近表面孔洞裂纹等缺陷的监测，熔池形态监测部用于实现熔池动态形貌轮廓监测，熔池温度分布监测部用于实现熔池温度分布监测，工件三维轮廓监测部用于实现工件三维轮廓形貌的监测，应力应变监测部用于实现工件应力场分布的监测，激光诱导击穿光谱监测部用来实现工件制备材料元素成分的定性定量检测，CT缺陷监测部用于实现工件内部缺陷的监测。具体的，激光超声监测作用于打印件近表面内部的缺陷，通过分析超声波的信号来检测缺陷的大概位置、类型和大小，CT缺陷监测通过X射线穿透打印件，由X射线探测器接收后处理可以还原出打印件内部的图像，可以更加直观清晰的看到缺陷。

具体的，激光超声监测部、熔池温度分布监测部、应力应变监测部和激光诱导击穿光谱监测部安装在环形监测运动平台200上，并面向待监测工件；熔池形态监测部和工件三维轮廓监测部安装在用于执行激光近净成形的激光加工头的旁侧，并与激光加工头保持同步运动；CT缺陷监测部设于环形监测运动平台200的旁侧，用于实现工件内部缺陷的监测。环形监测运动平台200设置在360°旋转式加工台15的外部并与360°旋转式加工台同轴设置，该360°旋转式加工台15用于带动工件做360°旋转，以保证各监测部对工件进行360°全方位监测，进而实现激光近净成形的多参数在线实时监测。

如图2所示，环形监测运动平台200包括环形运动轨道201和升降装置202，该环形运动轨道201设置在360°旋转式加工台15的外部，并与360°旋转式加工台同轴设置，环形运动轨道201以工件为中心，可通过升降装置上下方向运动。环形运动轨道201上安装有激光超声监测部、熔池温度分布监测部、应力应变监测部100和激光诱导击穿光谱监测部。当工件16通过逐层熔覆加工时，每加工一层的高度，升降装置202将环形运动轨道201整体提升一层的铺粉高度，通过设计的360°旋转式工作台15带动工件16旋转使其能够被全方位扫描监测，通过升降装置202的动作使放置在环形运动轨道201上的各监测部始终聚焦于正在加工的部分，实现实时在线监测的目的。360°旋转式加工台通过电动马达提供动力旋转，其作用是带动基板及其上的工件一起绕中心旋转，使安装在周围的监测装置能够对基板上的工件进行无死角全方位监测，达到对加工件实时监测的目的。

由于所涉及的监测领域众多，包括对加工样品的激光超声监测、熔池温度分布监测、应力应变监测、激光诱导击穿光谱监测等，每加工完一层加工件就会升高一层金属粉末颗粒的高度，为解决监测装置的安装和定位问题，本发明设计了上述环形监测运动平台和360°旋转式加工台，以实现各监测装置的装配及工件旋转的旋转，实现全方位实时监测的功能。

参见图1和图2，激光超声监测部包括激发激光器19和探测激光器10，探测激光器安装在环形运动轨道201上，激发激光器19安装在探测激光器10上。其中，激发激光器19将脉冲激光束入射在待检测的工件表面，使得工件16表面局部产生快速热膨胀，激发的超声波在工件内部传播并与工件内部的缺陷相互作用，最终反射回工件的表面，探测激光器10接收相互作用后反射在工件表面的超声波信号，并传输至计算机控制***中进行处理，具有高分辨率、宽频段、高能量和无接触等特点，相较于传统监测方式具有更高的检测精度。通过探测激光器10所获取的超声波信号即可分析工件近表面是否存在缺陷(例如裂纹、孔洞、未熔合、应力集中)及种类和位置，并基于分析的结果以调整激光扫描策略和加工参数。具体分析方法可采用现有常规方法进行，在此不赘述。

具体的，熔池形态监测部优选为抵近可见高光谱相机18，其通过固定架20安装在激光加工头7的旁侧，与激光加工头同步运动，通过调整其角度可保证其与激光加工头扫描位置一致，对金属熔池的动态特征及形貌轮廓进行实时监测。该抵近可见高光谱相机可以消除环境噪声的影响，快速准确的判断熔池区域，所得到的图像信息传输至计算机控制***1中进行分析，该计算机控制***1基于获得的信息控制单通道扫描高度、激光功率和能量密度等参数以实时改善加工质量。

进一步的，熔池温度分布监测部优选为超高速光电测温仪11，其安装在环形运动轨道201上，用于对金属熔池周边部分的温度分布进行实时监测，判断熔池温度分布梯度是否过大，若温度分布梯度过大，可以反馈给计算机控制***，调节加工参数，如激光功率、扫描间距、激光光斑半径和扫描速度等，从而改善温度分布的情况。

参见图3，应力应变监测部包括底部应变测量机构和侧面应变测量机构，其中底部应变测量机构包括彼此相连的应变信号分析仪101和应变测量传感器阵列14，该应变信号分析仪101安装在360°旋转式加工台底部，通过线缆连接传输电信号。打印件底部有一定的面积大小，应变测量传感器阵列14进行阵列分布设计可以对每一部分的应变情况都进行测量，使得打印件底部应变情况测量更准确。应变测量传感器阵列14嵌装在基板13内，以对工件底部的应变进行测量。侧面应变测量机构优选为工业相机103，其安装在环形运动轨道201上，其与工件之间设置有分光器102。

在工件的加工初期，金属粉末颗粒直接在基板13上铺粉进行激光加工，工件的应变监测由预先安置在基板13内部的应变测量传感器阵列14感知，通过传感器的阵列式分布优化设计，获取基板的应变场分布。由于在打印最底层时需要对基板预热，温度升高会对传感器的测量效果有影响，故应变测量传感器阵列14设计成带温度补偿功能，以消除温度提高带来的影响。应变测量传感器阵列14测得的信号传输至应变信号分析仪101进行处理，结合有限元计算方法进行应力反演，实现工件底部的应力无损测量，具体如何实现应力反演，其为现有技术，在此不赘述。在加工中后期过程中，安装在环形运动轨道201上的工业相机103测量工件侧面应变，具体的，采用激光束照射在工件侧面以产生散斑，工业相机获取散斑图像，通过360°旋转式加工台带动工件旋转，对工件侧面应变进行全方位测量，然后通过常规数字相关分析方法根据工业相机获取的图像计算应变，结合应变数据与有限元计算方法进行应力反演，实现工件侧面的应力无损测量，具体如何实现应力反演，其为现有技术，在此不赘述。

具体的，工件三维轮廓监测部优选为高速工业相机17，其安装在激光加工头的旁侧，与激光加工头同步运动。具体通过固定架20安装在激光加工头7旁侧，保证在加工时随机械臂同步运动，实时扫描所加工部分的外部轮廓获取工件图像，通过工件图像进行精确的边缘轮廓提取，与设计的工件理想轮廓尺寸进行对比，识别分析加工层面翘曲缺陷和表面轮廓尺寸误差，并将分析数据传输至计算机控制***1中以调整扫描轨迹。

参见图4，激光诱导击穿光谱监测部300包括彼此相连的探测器302和光谱摄制仪303，探测器302与光谱摄制仪303通过光纤线缆304相连，光谱摄制仪303安装在环形运动轨道201上。检测时，通过脉冲激光作用于工件16表面产生剥离现象，在材料表面产生寿命很短但具有很高亮度的等离子体305，等离子体305以超音速向外扩展并迅速冷却，在这段时间内，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的等离子光线301，通过高灵敏度的探测器302对等离子光线进行探测获取，并通过光纤线缆304将信息传送至光谱摄制仪303，光谱摄制仪303通过获取的信息可分析样品中存在何种元素，并可对光谱进行进一步的定性分析和定量分析，实现加工过程中元素成分和含量的检测，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析，可直接进行材料分析无需预处理样品，具有测量速度快、非接触测量、可同时分析多种元素等优点。具体分析方法可采用现有常规方法进行，在此不赘述。

继续参见图1，CT缺陷监测部包括X射线源21和X射线探测器22，通过X射线源21发出X射线穿透工件并由X射线探测器22接收，X射线探测器22将接收的信息传至计算机***中可获取工件内部缺陷和几何轮廓图像，可直观检测工件内部缺陷的类型、位置和尺寸大小。具体的，根据各个透射方向上各体积元的衰减系数不同，结合计算机信息处理和图像重建技术获得加工件内部缺陷和几何轮廓图像，将反馈信息与设定信息进行对比，发现误差后反馈给激光加工装置进行实时调控。由于CT缺陷监测装置体积较大，所以安装在环形监测运动平台200旁侧，具体将X射线源21和X射线探测器22设置在工作台12上，并位于环形运动轨道201的两侧。当前层加工和各监测完成后，通过360°旋转工作台15带动基板上的工件16旋转，使CT缺陷监测部能够对工件进行全方位三维扫描分析。

本发明还提供了具有实时监测功能的激光近净成形设备，其包括激光加工装置、控制装置及所述的实时监测装置，其中，激光加工装置用于执行激光近净成形，实时监测装置用于在激光近净成形过程中实时监测待成形工件的各项参数，并将监测数据反馈至控制装置中，控制装置则基于实时监测装置反馈的监测数据进行激光近净成形工艺参数的动态调整，具体的利用反馈的监测数据确定是否存在加工缺陷及缺陷类型和缺陷位置，并基于缺陷类型和缺陷位置及时调整优化激光加工参数，然后利用调整优化后的激光加工参数实现激光加工装置的控制，即使激光加工装置以调整后的激光加工参数执行激光近净成形，以此将每一加工步骤的缺陷误差控制在可接受的范围内，进而制备高质量无缺陷的工件。而具体如何基于缺陷类型和缺陷位置调整激光加工参数，其是本领域的常规技术，在此不赘述。

继续参见图1，激光加工装置包括激光加工头7、光纤耦合器3、送粉装置8、保护气供给装置9、工作台12、基板13和控制组件，其中，基板13和环形监测运动平台200设置在工作台12上方，基板13通过电动马达实现旋转，电动马达安装在工作台12内，激光加工头7通过传输光纤6与光纤耦合器3相连，控制组件包括依次相连的机械臂控制柜2、轴向机器人4和机械臂5，该机械臂控制柜2与计算机控制***1相连，该机械臂5与激光加工头7相连。成形时，将所设计的工件结构信息输入计算机控制***1，通过切片软件获得各层的加工轨迹并传输至机械臂控制柜2，从而控制轴向机器人4和机械臂5在空间六个自由度方向上的运动轨迹，带动安装在机械臂5上的激光加工头7运动，光纤耦合器3通过传输光纤6将光信号传至激光加工头7，通过聚焦透镜将光线聚焦于预定的工件16处，基板13设置在360°旋转式加工台15上，在加工前对基板13进行预热以改善应力集中等问题，送粉装置8以设定的速率和运动轨迹将金属粉末颗粒以一定的流量送至基板13上，保护气供给装置9在加工区域提供无氧环境防止加工时材料氧化，通过激光加工头7发射的激光快速熔化送粉装置8送出的固体金属粉末颗粒，熔池快速凝固逐层熔覆最终形成设计的工件形状。在成形过程中，360°旋转式加工台15带动基板及其上的工件16旋转，利用设计的各监测部对工件进行360°全方位无死角监测。

具体的，本发明中控制装置为计算机控制***1，用于对激光加工装置、激光超声监测部、熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、工件三维轮廓监测部、应力应变监测部、激光诱导击穿光谱监测部、CT缺陷监测部、环形监测运动平台和360°旋转式加工台进行控制，将获取的熔池图像信息、温度分布信息、工件三维形貌信息、加工件材料成分定性定量信息、工件近表面缺陷分析检测信息、工件内部缺陷分析检测信息、工件应力分析检测信息等进行处理分析，判断是否存在加工缺陷，并确定缺陷类型和缺陷位置，及时调整优化激光加工参数，对正在进行的加工件质量进行改良，如果出现较大的缺陷信息无法改良，控制装置停止所有的加工部分并报警提示以免继续加工损坏机器。

该激光近净成形设备具体工作流程如下：

1)首先控制激光加工装置完成单层材料熔融，形成打印熔覆层，此为检测对象，在打印过程中，熔池形态监测部、熔池温度分布监测部和底部应变测量机构实时工作，以实现熔池动态形貌轮廓、熔池温度分布以及工件底部应变的实时监测；

2)单层熔覆层打印完成后，激光加工装置回预设原点，暂停，等待其它检测部工作，为避免各检测手段间光、振动的干扰，工件三维轮廓监测部、激光超声监测部、CT缺陷监测部、激光诱导击穿光谱监测部、侧面应变测量机构，按先后顺序错时工作，当然也可以同时工作，在此检测过程中360°旋转式加工台15带动工件旋转，实现工件全方位实时在线监测；

3)各监测部将监测的数据(包括工件近表面孔洞裂纹缺陷数据、熔池动态形貌轮廓数据、熔池温度分布数据、工件三维轮廓形貌数据、工件应力场分布数据、工件制备材料元素成分及含量数据、工件内部缺陷数据等)反馈至控制装置中，该控制装置基于实时监测装置反馈的监测数据进行激光近净成形工艺参数的动态调整，例如调整激光功率、扫描速度、扫描间距、激光光斑半径和送粉流量等，动态调整后的工艺参数作为下一层熔覆层的打印工艺；

4)重复步骤1)～3)，以此实现所需工件的激光近净成形，即完成当前层加工与检测工作后，进入下一层的“加工-检测-反馈优化-加工”循环，以此类推，直至完成整个工件的激光近净成形。

其中，熔池形态监测部、熔池温度分布监测部和应力应变监测部的底部应变测量机构在打印过程中实时测量，工件三维轮廓监测部、激光超声监测部、CT缺陷监测部、激光诱导击穿光谱监测部和应力应变监测部的侧面应变测量机构在熔覆层打印后进行测量，以此实现分时段延迟测量，以避免各监测方法之间的干扰，并有效避开熔池对检测结果的影响，提高检测的精度。

具体操作时，计算机控制***1控制机械臂控制柜2和光纤耦合器3，进而控制激光加工头7的运动轨迹，送粉装置8提供金属粉末颗粒，保护气供给装置9提供保护气体避免金属粉末颗粒熔化过程中氧化，在基板13完成单层材料熔融，形成打印熔覆层并以此为检测对象；高速工业相机17对工件16的三维轮廓尺寸变形进行监测，抵近可见高光谱相机18对熔池的动态形貌进行监测，与激光加工头7同步运动工作；同时安装在环形监测运动平台200上的激光诱导击穿光谱监测部300、侧面应变测量机构、超高速光电测温仪11、探测激光器10和激发激光器19对工件16分别进行材料元素定性定量分析检测、应力场分布检测、熔池温度分布检测和内部缺陷检测，结合安装在基板13内部的应变测量传感器阵列14对加工工件底部的应变结果进行检测分析，测量应变结果与有限元计算结果比，反演工件的应力分布。通过搭建360°旋转式加工台15，带动加工件进行360°旋转，保证各监测装置能够全方位扫描加工件侧面，达到对加工件轮廓的全方位实时在线监测的目的。

为整合七种不同的监测模块正常工作互不干扰，避免各检测方法间光、振动的干扰，除采用分时段测量，本发明还对各监测部的检测方式和检测波长进行了研究与设计，以实现分波段错开统一调控。具体的，对于激光超声监测部采用波长为0.4mm～0.5mm(优选为0.48mm)的超声波进行检测，对于熔池形态监测部和熔池温度分布监测部采用波长为780nm～950nm的红外光进行检测，对于工件三维轮廓监测部和应力应变监测部采用波长为446mm～464mm的可见光进行检测，激光诱导击穿光谱监测部采用波长为530nm～540nm(优选为532nm)的激光进行检测，CT缺陷监测部采用波长为10^-3nm～10nm的X射线进行检测。

此外，对熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、工件三维轮廓监测部和应力应变监测部还进行窄带通滤波设计，具体而言，在熔池形态监测部(即抵近可见高光谱相机18)与熔池之间设置滤波片进行解耦，以保留与抵近可见高光谱相机检测光波长一致的红外监测光，消除激光热源的光影响。在熔池温度分布监测部(即超高速光电测温仪11)与熔池之间设置滤波片进行解耦，以保留与超高速光电测温仪检测光波长一致的红外监测光，消除激光热源的光影响。在工件三维轮廓监测部(即高速工业相机17)与待测工件之间设置滤波片进行解耦，以保留与高速工业相机检测光波长一致的可见光，消除激光热源的光影响，同时将单波长(460nm)蓝光作为高速工业相机的投影光源。对于应力应变监测部而言，在工业相机103与分光器102之间设置滤波片进行解耦，以保留与工业相机103检测光波长一致的可见光，消除激光热源的光影响。

本发明所涉及的激光近净成形实时在线无损监测包括对工件近表面缺陷检测、加工件材料元素成分定性定量检测、工件外部三维轮廓尺寸误差变形检测、加工熔池动态形貌检测、加工熔池温度分布检测、工件应力场分布检测。通过在加工件***安装多套监测装置，围绕加工中心进行实时在线监测，将监测所得的数据实时传输至计算机进行加工件质量和缺陷分析，并将分析结果实时反馈至激光加工装置对加工工艺进行调节，例如激光功率、激光扫描速度、激光扫描间距、激光光斑半径、单层熔覆高度、金属粉末颗粒出粉量等，以此将每一层每一步的加工参数进行最优化处理，将每一个加工步骤的缺陷误差控制在可接受的范围内。此外，还可以利用激光重熔技术对加工已产生的缺陷进行改善和消除，对于超出预定范围内的严重误差，可对激光加工装置发出停止信号并发出警报信号，以免持续加工造成材料浪费和损坏装置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种控制缺陷误差的激光近净成形方法，其特征在于，所述成形方法采用激光近净成形设备实现，所述成形设备包括激光加工装置、控制装置和实时监测装置，所述实时监测装置包括用于实现工件近表面缺陷监测的激光超声监测部、用于实现熔池动态形貌轮廓监测的熔池形态监测部、用于实现熔池温度分布监测的熔池温度分布监测部、用于实现工件三维轮廓形貌监测的工件三维轮廓监测部、用于实现工件底部和侧面应变测量的应力应变监测部（100）、用于实现工件制备材料元素成分定性定量检测的激光诱导击穿光谱监测部（300）、用于实现工件内部缺陷监测的CT缺陷监测部、环形监测运动平台（200）以及360°旋转式加工台（15），其中，所述环形监测运动平台（200）包括环形运动轨道（201）和升降装置（202），所述激光超声监测部、熔池温度分布监测部、应力应变监测部和激光诱导击穿光谱监测部安装在所述环形运动轨道（201）上，并面向待监测工件；所述熔池形态监测部和工件三维轮廓监测部安装在用于执行激光近净成形的激光加工头的旁侧，并与激光加工头保持同步运动；所述CT缺陷监测部设于环形运动轨道（201）的旁侧，用于实现工件内部缺陷的监测；所述环形运动轨道（201）设置在所述360°旋转式加工台（15）的外部并与其同轴设置，该360°旋转式加工台（15）用于带动待测工件做360°旋转，以保证各监测部对工件进行360°全方位监测；所述应力应变监测部（100）包括底部应变测量机构和侧面应变测量机构，在工件加工初期，采用底部应变测量机构测量工件底部应变；在加工中后期，采用侧面应变测量机构测量工件侧面应变；所述方法包括如下步骤：

1）利用激光加工装置进行待成形工件的单层熔覆层打印，在打印过程中，熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、底部应变测量机构实时工作，以实现熔池动态形貌轮廓、熔池温度分布以及工件底部应变的实时监测；

2）单层熔覆层打印完成后，激光加工装置回到预设原点并暂停，工件三维轮廓监测部、激光超声监测部、CT缺陷监测部、激光诱导击穿光谱监测部以及侧面应变测量机构开始同步或分时工作，实现工件三维轮廓形貌、工件近表面缺陷、工件内部缺陷、工件制备材料元素成分及含量、工件侧面应变的实时监测，并将实时监测的数据反馈至控制装置中，检测过程中360°旋转式加工台带动工件进行360°旋转，保证各监测部全方位扫描工件，实现全方位实时在线监测的目的；

其中，所述激光超声监测部将脉冲激光束入射在工件表面，使得工件表面局部产生快速热膨胀，激发的超声波在工件内部传播并与工件内部的缺陷相互作用，最终反射回工件的表面，将相互作用后反射在工件表面的超声波信号传输至控制装置中；

所述熔池形态监测部对金属熔池的动态特征及形貌轮廓进行实时监测，并将图像信息传输至控制装置中；

所述熔池温度分布监测部对金属熔池周边部分的温度分布进行实时监测，判断熔池温度分布梯度是否过大，若温度分布梯度过大，反馈给控制装置；

所述工件三维轮廓监测部实时扫描所加工部分的外部轮廓获取工件图像，通过工件图像进行精确的边缘轮廓提取，并与预设的工件理想轮廓尺寸进行对比，以识别分析加工层面翘曲缺陷和表面轮廓尺寸误差，并将分析数据传输至控制装置中；

所述激光诱导击穿光谱监测部通过脉冲激光作用于工件表面产生剥离现象，并在表面产生等离子体，等离子体向外扩展并迅速冷却，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的等离子光线，通过获取等离子光线的信息分析样品中存在何种元素，实现加工过程中元素成分和含量的检测；

所述CT缺陷监测部用于发出穿透工件的X射线并接收该X射线，然后将接收的X射线信息传输至控制装置中；

3）控制装置基于各监测部实时反馈的数据动态调整激光近净成形的工艺参数：控制装置根据激光超声监测部传输的超声波信号分析工件近表面是否存在缺陷及种类和位置，并基于分析结果调整激光加工装置的激光扫描策略和加工参数；控制装置对熔池形态监测部传输的图像信息进行分析，并基于分析获得的信息控制激光加工装置的单通道扫描高度、激光功率和能量密度；控制装置根据熔池温度分布监测部反馈的信息调节激光加工装置的激光功率、扫描间距、激光光斑半径和扫描速度；控制装置根据工件三维轮廓监测部传输的分析数据调整激光加工装置的扫描轨迹；控制装置根据CT缺陷监测部传输的信息获取工件内部缺陷和几何轮廓图像，以直观检测工件内部缺陷的类型、位置和尺寸大小，并将检测信息与预设信息进行对比，发现误差后实时调控激光加工装置的工艺参数；

4）将动态调整后的激光近净成形工艺参数作为下一层熔覆层的打印工艺，所述升降装置（202）将环形运动轨道（201）整体提升一层铺粉高度，所述360°旋转式加工台带动工件旋转使其被全方位扫描监测，通过升降装置（202）的动作使放置在环形运动轨道（201）上的各监测部始终聚焦于工件正在加工的部分，以此将每一加工步骤的缺陷误差控制在预设范围内；

5）重复步骤1）~4)，以此实现激光近净成形工件缺陷误差的控制，制备高质量无缺陷的工件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光超声监测部采用波长为0.4mm~0.5mm的超声波进行检测，熔池形态监测部和熔池温度分布监测部采用波长为780nm~950nm的红外光进行检测，工件三维轮廓监测部和应力应变监测部采用波长为446mm~464mm的可见光进行检测，激光诱导击穿光谱监测部采用波长为530nm~540nm的激光进行检测，CT缺陷监测部采用波长为10^-3nm~10nm的X射线进行检测。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光超声监测部包括激发激光器（19）和探测激光器（10）。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔池形态监测部为抵近可见高光谱相机（18）；所述熔池温度分布监测部为超高速光电测温仪（11）；所述工件三维轮廓监测部为高速工业相机（17）。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述底部应变测量机构包括彼此相连的应变信号分析仪（101）和应变测量传感器阵列（14），所述应变信号分析仪（101）安装在360°旋转式加工台（15）的底部，所述应变测量传感器阵列（14）嵌装在用于放置工件的基板内，以对工件底部的应变进行测量；所述侧面应变测量机构为工业相机（103），其安装在环形监测运动平台（200）上，并与工件之间设置有分光器（102）；所述应变测量传感器阵列（14）具有温度补偿功能。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光诱导击穿光谱监测部（300）包括彼此相连的探测器（302）和光谱摄制仪（303），所述探测器（302）用于探测获取工件表面发射出的等离子光线，并将该等离子光线传送至光谱摄制仪（303）中，以实现工件制备材料的元素成分及含量的检测。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述CT缺陷监测部包括X射线源（21）和X射线探测器（22），该X射线源（21）和X射线探测器（22）位于工件的两侧，其中，X射线源（21）用于发出X射线，该X射线穿透工件后由所述X射线探测器（22）接收。

8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，对熔池形态监测部、熔池温度分布监测部、工件三维轮廓监测部和应力应变监测部进行窄带通滤波设计。

9.一种控制缺陷误差的激光近净成形设备，用于实现如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，该成形设备包括所述激光加工装置、控制装置和实时监测装置。

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