CN112378930A - 一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法 - Google Patents

一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，属于激光增材制造工艺控制领域，其结构包括脉冲激光器、光谱仪、超声波探头等，本发明具有以下有益效果，通过脉冲激光器对熔覆层表面进行面扫分析，提取表面等离子体产生过程中的特征谱线，建立熔覆层表面的伪彩图，通过伪彩图判断熔覆层表面元素分布的异常点，进而判断熔覆层表面的瑕疵情况；脉冲激光器在诱导等离子体的过程中会产生激光超声波，在光谱仪采集光谱的同时利用压电传感器，来检测激光脉冲所产生的超声波，并利用信号采集装置和处理装置，来检测熔覆层深层的瑕疵情况，为激光增材制造领域提供一种检测内外部瑕疵的手段。

Description

一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，特别涉及一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法。
背景技术
在激光增材领域中，激光熔覆技术是一种绿色的、节约成本的先进再制造表面工程技术,它是通过金属合金或其他类型材料在基体上沉积,实现涂层和基体材料间的冶金结合,获得无孔、晶粒细小的显微组织以及良好力学性能的熔覆层，因此应用前景十分广阔。
激光诱导击穿光谱技术是一种用于化学多元素定性和定量分析的原子发射光谱。可实时广泛的应用于科研及工业等众多领域。可用于固态、液态、气态样本以及浆状物质的检测分析、无需接触且几乎无损、无需样本制备或仅需少量样本制备、空间和深度检测分析成为可能、远距离检测距离高达数米。从好奇者号到天问一号所搭载的元素探测技术正式激光诱导击穿光谱技术。激光超声是一种非接触,高精度,无损伤的新型超声检测技术。它利用激光脉冲在被检测工件中激发超声波,并用激光束探测超声波的传播,从而获取工件信息，比如工件厚度、内部及表面缺陷，材料参数等等。该技术接合了超声检测的高精度和光学检测非接触的优点,具有高灵敏度、高检测带宽的优点。
随着科学技术的飞速发展，激光熔覆技术也得到了改进，但是在熔覆过程中，工艺参数都是以往总结的结果。但在熔覆过程中受温度、环境、设备精度等影响会发生偏差，从而产生熔覆层缺陷，例如：内部裂纹、气泡等。这些缺陷的存在大大的影响了熔覆层的寿命、性能，降低了熔覆技术的发展，而目前缺乏一种行之有效的表面及内部检测手段。以上情况，都表现出了激光熔覆技术的表面与内部检测领域尚处于尝试阶段，还留有大片的技术空白，尤其是在熔覆后对熔覆层整体缺陷检测上，因此，基于以上原因，现阶段急需相关的行之有效的监测手段来提高激光熔覆技术的应用价值。
为了解决上述现有技术问题的不足，本项发明通过一台脉冲激光器对熔覆层表面进行面扫，面扫过程中激发样品表面形成等离子体光信号以及激光超声信号两种信号，提取表面等离子体产生过程中的特征谱线，建立熔覆层表面的伪彩图，通过伪彩图判断熔覆层表面元素分布的异常点，进而判断熔覆层表面的瑕疵情况；脉冲激光器在诱导等离子体的过程中会产生激光超声波，在光谱仪采集光谱的同时利用超声波探头，来检测激光脉冲所产生的超声波，并利用信号采集装置和处理装置，来检测熔覆层深层的瑕疵情况，达到一台脉冲激光器同时检测内外部瑕疵情况的目的，为激光增材制造领域提供一种检测内外部瑕疵的手段。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决上述现有技术问题的不足，本项发明通过一台脉冲激光器对熔覆层表面进行面扫，面扫过程中激发样品表面形成等离子体光信号以及激光超声信号两种信号，提取表面等离子体产生过程中的特征谱线，建立熔覆层表面的伪彩图，通过伪彩图判断熔覆层表面元素分布的异常点，进而判断熔覆层表面的瑕疵情况；脉冲激光器在诱导等离子体的过程中会产生激光超声波，在光谱仪采集光谱的同时利用超声波探头，来检测激光脉冲所产生的超声波，并利用信号采集装置和处理装置，来检测熔覆层深层的瑕疵情况，达到一台脉冲激光器同时检测内外部瑕疵情况的目的，为激光增材制造领域提供一种检测内外部瑕疵的手段。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：夹持：样件在经过激光熔覆后表面形成熔覆层，通过夹具固定于XYZ三维电移动平台；
步骤二：参数设置：根据样件的形状以及熔覆层的形状，规划检测路线并根据好的路线设置XYZ三维电移动平台的移动路径；根据样件、熔覆层的状态设置光谱仪的积分时间以及平均次数、脉冲激光器的重复频率以及激光能量、DG535数字延时脉冲发生器的延时时间；
步骤三：仪器校正：开启光谱仪以及超声波探头，对检测背景进行校正,矫正后关闭光谱仪与超声波探头；
步骤四：检测：开启脉冲激光器、超声波探头开始检测，DG535数字延时脉冲发生器根据设置好的延迟时间，自动开启光谱仪进行光谱数据采集；
步骤五：数据处理：光谱仪记录每一个位置的特征谱线后，根据谱线强度建立伪彩图，根据伪彩图判断熔覆层表面瑕疵情况；超声波探头记录每一个位置的振幅情况，提取最大振幅情况图，建立时域振幅情况动态图，根据最大振幅情况图以及时域振幅情况动态图判断熔覆层内部瑕疵情况；
步骤六：结束检测。
进一步的，还包括：光纤探测器、激光器控制装置、隔振光学平台、计算机、光学底板固定块。
进一步的，所述超声波探头通过光学平台支撑杆固定于隔振光学平台。
进一步的，所述样件在经过激光熔覆后表面形成熔覆层，通过夹具固定于XYZ三维电移动平台。
进一步的，所述脉冲激光器通过光学底板固定块固定于隔振光学平台。
进一步的，所述光纤探测器、光谱仪通过光学平台支撑杆固定于脉冲激光器上方；光纤探测器收集角度与脉冲激光器光路夹角为45°。
进一步的，所述光纤探测器、光谱仪之间通过光纤进行传导；超声波探头通过超声高速A/D采集卡与计算机相连进行数据传输；光谱仪通过USB与计算机相连进行数据传输。
进一步的，所述DG535数字延时脉冲发生器连接脉冲激光器、光谱仪；激光器控制装置连接脉冲激光器。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1)、为解决熔覆层表面瑕疵检测，通过脉冲激光器对熔覆层表面进行面扫，面扫过程中激发样品表面形成等离子体光信号以及激光超声信号两种信号，提取表面等离子体产生过程中的特征谱线，建立熔覆层表面的伪彩图，通过伪彩图判断熔覆层表面元素分布的异常点，进而判断熔覆层表面的瑕疵情况。
2)、为解决熔覆层内部瑕疵检测，通过在，脉冲激光器在诱导等离子体的过程中会产生激光超声波，在光谱仪采集光谱的同时利用超声波探头，来检测激光脉冲所产生的超声波，并利用信号采集装置和处理装置，来检测熔覆层深层的瑕疵情况。
3)、本项发明达到一台脉冲激光器同时检测内外部瑕疵情况的目的，为激光增材制造领域提供一种检测内外部瑕疵的手段。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的实施示例检测路径示意图；
图3为本发明的原理示意图；
图4为本发明的工作流程示意图；
图中：XYZ三维电移动平台-1、超声波探头-2、样件-3、熔覆层-4、光纤探测器-5、脉冲激光器-6、光谱仪-7、DG535数字延时脉冲发生器-8、激光器控制装置-9、隔振光学平台-10、计算机-11、夹具-12、光学底板固定块-13。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3与图4，本发明提供一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：夹持：样件在经过激光熔覆后表面形成熔覆层，通过夹具固定于XYZ三维电移动平台；
步骤二：参数设置：根据样件的形状以及熔覆层的形状，规划检测路线并根据好的路线设置XYZ三维电移动平台的移动路径；根据样件、熔覆层的状态设置光谱仪的积分时间以及平均次数、脉冲激光器的重复频率以及激光能量、DG535数字延时脉冲发生器的延时时间；
步骤三：仪器校正：开启光谱仪以及超声波探头，对检测背景进行校正,矫正后关闭光谱仪与超声波探头；
步骤四：检测：开启脉冲激光器、超声波探头开始检测，DG535数字延时脉冲发生器根据设置好的延迟时间，自动开启光谱仪进行光谱数据采集；
步骤五：数据处理：光谱仪记录每一个位置的特征谱线后，根据谱线强度建立伪彩图，根据伪彩图判断熔覆层表面瑕疵情况；超声波探头记录每一个位置的振幅情况，提取最大振幅情况图，建立时域振幅情况动态图，根据最大振幅情况图以及时域振幅情况动态图判断熔覆层内部瑕疵情况；
步骤六：结束检测。
其中，还包括：光纤探测器、激光器控制装置、隔振光学平台、计算机、光学底板固定块。
其中，所述超声波探头通过光学平台支撑杆固定于隔振光学平台。
其中，所述样件在经过激光熔覆后表面形成熔覆层，通过夹具固定于XYZ三维电移动平台。
其中，所述脉冲激光器通过光学底板固定块固定于隔振光学平台。
其中，所述光纤探测器、光谱仪通过光学平台支撑杆固定于脉冲激光器上方；光纤探测器收集角度与脉冲激光器光路夹角为45°。
其中，所述光纤探测器、光谱仪之间通过光纤进行传导；超声波探头通过超声高速A/D采集卡与计算机相连进行数据传输；光谱仪通过USB与计算机(11)相连进行数据传输。
其中，所述DG535数字延时脉冲发生器连接脉冲激光器、光谱仪；激光器控制装置连接脉冲激光器。
工作原理：
假设对热作模具钢H13的磨损部分熔覆镍基合金进行修复。将熔覆好的热作模具钢H13通过夹具固定于XYZ三维电移动平台；根据热作模具钢H13的形状以及熔覆层的形状，规划检测路线并根据好的路线设置XYZ三维电移动平台的移动路径；根据热作模具钢H13的形状以及熔覆层的状态设置光谱仪的积分时间以及平均次数、脉冲激光器的重复频率以及激光能量、DG535数字延时脉冲发生器的延时时间；开启光谱仪以及超声波探头，对检测背景进行校正,矫正后关闭光谱仪与超声波探头。开启脉冲激光器、超声波探头开始检测，DG535数字延时脉冲发生器根据设置好的延迟时间，自动开启光谱仪进行光谱数据采集；光谱仪记录每一个位置的特征谱线后，根据谱线强度建立伪彩图，根据伪彩图判断熔覆层表面瑕疵情况；超声波探头记录每一个位置的振幅情况，提取最大振幅情况图，建立时域振幅情况动态图，根据最大振幅情况图以及时域振幅情况动态图判断熔覆层内部瑕疵情况；结束检测XYZ三维电移动平台移动到初始位置。
本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。
本发明的控制方式是通过控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：夹持：样件(3)在经过激光熔覆后表面形成熔覆层(4)，通过夹具(12)固定于XYZ三维电移动平台(1)；
步骤二：参数设置：根据样件的形状以及熔覆层的形状，规划检测路线并根据好的路线设置XYZ三维电移动平台(1)的移动路径；根据样件(3)、熔覆层(4)的状态设置光谱仪(7)的积分时间以及平均次数、脉冲激光器(6)的重复频率以及激光能量、DG535数字延时脉冲发生器(8)的延时时间；
步骤三：仪器校正：开启光谱仪(7)以及超声波探头(2)，对检测背景进行校正,矫正后关闭光谱仪与超声波探头；
步骤四：检测：开启脉冲激光器(6)、超声波探头(2)开始检测，DG535数字延时脉冲发生器(8)根据设置好的延迟时间，自动开启光谱仪(7)进行光谱数据采集；
步骤五：数据处理：光谱仪(7)记录每一个位置的特征谱线后，根据谱线强度建立伪彩图，根据伪彩图判断熔覆层表面瑕疵情况；超声波探头(2)记录每一个位置的振幅情况，提取最大振幅情况图，建立时域振幅情况动态图，根据最大振幅情况图以及时域振幅情况动态图判断熔覆层内部瑕疵情况；
步骤六：结束检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，其特征在于：还包括：光纤探测器(5)、激光器控制装置(9)、隔振光学平台(10)、计算机(11)、光学底板固定块(13)。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，其特征在于：所述超声波探头(2)通过光学平台支撑杆固定于隔振光学平台(10)。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，其特征在于：所述样件(3)在经过激光熔覆后表面形成熔覆层(4)，通过夹具(12)固定于XYZ三维电移动平台(1)。
5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，其特征在于：所述脉冲激光器(6)通过光学底板固定块(13)固定于隔振光学平台(10)。
6.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，其特征在于：所述光纤探测器(5)、光谱仪(7)通过光学平台支撑杆固定于脉冲激光器(6)上方；光纤探测器收集角度与脉冲激光器光路夹角为45°。
7.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，其特征在于：所述光纤探测器(5)、光谱仪(7)之间通过光纤进行传导；超声波探头(2)通过超声高速A/D采集卡与计算机(11)相连进行数据传输；光谱仪(7)通过USB与计算机(11)相连进行数据传输。
8.根据权利要求1所述的一种基于脉冲激光的熔覆层表面及深层瑕疵检测方法，其特征在于：所述DG535数字延时脉冲发生器(8)连接脉冲激光器(6)、光谱仪(7)；激光器控制装置(9)连接脉冲激光器(6)。
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