激光金屬成形中材質缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于激光金屬增材制造技術領域，具體涉及一種激光金屬成形中材質缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法。
【背景技術】
[0002]激光金屬增材制造俗稱激光金屬3D打印，又稱激光金屬成形。由于激光金屬增材制造過程是一個多物理場耦合的過程，成形過程中溫度變化劇烈，成形零件中易出現裂紋、氣泡、夾渣、層間孔隙、球化等微小材質缺陷，材質缺陷的尺寸范圍通常從幾十微米至幾百微米。金屬零件中的材質缺陷一方面將可能影響零件的使用性能；另一方面，在零件服役初期即使不影響使用性能，但在交變載荷的長期作用下裂紋等微小缺陷會逐漸擴展，最終有可能引發疲勞斷裂事故。特別是在航空航天領域，一旦發生重要金屬部件的疲勞斷裂事故，將引發災難性的后果。目前國內外金屬增材制造缺陷檢測與控制技術的研究，仍主要集中在對熔池物理參數進行在線檢測和反饋控制以減少零件的外形尺寸缺陷上。對于裂紋、氣泡等微小材質缺陷，目前還沒有有效的在線檢測和消除方法。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種激光金屬成形中材質缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法，在激光金屬成形中利用紅外熱成像檢測技術，在線檢出金屬成形中表面及近表面的材質缺陷，并采用激光靶向重熔的方法消除缺陷，解決了現有技術無法對微小材質缺陷進行在線檢測和消除的問題。
[0004]本發明采取的技術方案是，一種激光金屬成形中材質缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法，按照以下步驟實施:
[0005]步驟1，在激光成型機送粉噴嘴的一側設置紅外熱成像檢測儀，在激光金屬成形中，每制作完固定間隔的層數時，暫停制作，通過計算機控制工作臺沿水平方向勻速移動，使固定在送粉噴嘴旁邊的紅外熱成像檢測儀的鏡頭利用金屬零件的余溫，在成形平面上方沿水平方向對金屬成形表面進行非接觸式掃描，并對金屬成形表面拍照；對拍到的紅外熱成像檢測圖像進行在線分析，并結合鏡頭中心相對工作臺的移動軌跡計算出缺陷的平面坐標方位，并將該平面坐標方位反饋給計算機；
[0006]步驟2，計算機根據缺陷處的平面坐標方位，控制激光束對檢測出的缺陷進行靶向重熔以消除缺陷；靶向重熔結束后再次通過紅外熱成像檢測儀對金屬成形表面進行復檢，如果還有缺陷繼續進行激光靶向重熔，如果沒有缺陷則繼續下一層的制作。
[0007]步驟I對拍到的紅外熱成像檢測圖像進行在線分析，具體按照以下步驟實施:在紅外熱成像檢測儀的鏡頭拍照時由計算機實時反饋的鏡頭中心在成形平面中的坐標為(m，η)，金屬成形表面坐標原點位于工作臺左下角，紅外熱成像檢測圖像的像素原點位于圖像左上角，像素原點距離鏡頭中心的水平距離分別為X和y，每個像素在成形平面中代表的長度尺寸為PL ；
[0008]每次拍照所獲取的sX t像素的BMP圖像的各像素可用一個sX t的矩陣RG代表。用VC++2010提供的GetPixel函數依照BMP圖像中的像素順序依次獲取各像素的RGB值并進行判斷，如果圖像中第i行j列的像素的RGB值的G值和B值均高于220，即判斷該像素點為缺陷點，則將矩陣RG的第(i，j)個元素的值賦1，否則矩陣RG的第(i，j)個元素的值賦O。矩陣RG中的所有元素賦值完成后，再查找出矩陣RG中所有值為I的元素，根據以下公式計算缺陷在金屬成形表面的坐標方位(X，Y):
[0009]X = m-x+iXPL，Y = n-y-jXPL。
[0010]本發明還具有以下特點:
[0011]優選地，固定間隔的層數為1-10層。
[0012]優選地，激光金屬增材制造中的層厚為0.02-0.2_。
[0013]優選地，紅外熱成像檢測儀的分辨率是384X288像素，采用的鏡頭為0.5倍微距鏡頭。
[0014]優選地，紅外熱成像檢測鏡頭與金屬成形表面的距離為5-lOcm。
[0015]優選地，對金屬成形表面拍照為紅外熱成像檢測儀的鏡頭每掃過2-lOcm2拍照一次。
[0016]優選地，激光靶向重熔的激光功率為激光金屬成形功率的1-1.5倍。
[0017]本發明的有益效果是:本發明的方法是在激光金屬成形中利用了紅外熱成像檢測技術，自動在線檢出金屬成形表面及近表面的材質缺陷，并采用激光靶向重熔的方法消除缺陷，解決了現有技術無法對微小材質缺陷進行在線檢測和消除的問題。本發明的方法能夠有效提高激光成形金屬零件的疲勞強度等關鍵力學性能，對于提高激光成形金屬零件的使用性能和服役安全性，降低疲勞斷裂的風險具有重要的意義，在航空航天、精密制造、汽車制造等產業領域，具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明激光金屬成形中材質缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法的流程示意圖；
[0019]圖2為本發明中激光金屬成形中材質缺陷紅外熱成像檢測的示意圖；
[0020]圖3為本發明中激光金屬成形中材質缺陷靶向消除的示意圖。
[0021]圖中，1.計算機，2.數據線，3.材質缺陷，4.紅外熱成像檢測儀，5.送粉噴嘴，6.金屬零件，7.工作臺，8.激光束。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明做進一步的詳細說明。
[0023]本發明提供了一種激光金屬成形中材質缺陷紅外熱成像檢測及靶向消除方法，參照圖1，為具體流程示意圖。
[0024]步驟1，在激光金屬成形中，每制作完固定間隔的層數時，暫停制作，通過計算機I控制工作臺7沿水平方向勻速移動，使固定在送粉噴嘴5旁邊的紅外熱成像檢測儀4的鏡頭在金屬零件6的成形平面上方沿X、Y水平方向進行非接觸式掃描，檢測成形表面及近表面的材質缺陷3。通過紅外熱成像檢測鏡頭對金屬成形表面拍照，并對紅外熱成像檢測圖像進行在線分析，檢測圖像中RGB值的R值以及G值均高于220的像素點即判定為缺陷，計算機I的運算系統根據紅外熱成像檢測儀4的鏡頭相對于工作臺7的移動軌跡以及紅外熱成像檢測圖像中缺陷像素點在整幅圖中的坐標方位計算出缺陷3在成形平面的坐標方位，并通過數據線2將該平面坐標方位反饋給計算機I的控制系統。紅外檢測時各工作部件的結構見圖2。
[0025]步驟2，通過計算機I的控制系統控制激光束8對檢測出的缺陷3進行靶向重熔以消除缺陷。靶向重熔結束后再次通過紅外熱成像檢測儀的鏡頭4對金屬零件6的成形平面進行復檢，如果還有缺陷則繼續進行靶向消除，如果沒有缺陷則繼續下一層的制作。靶向消除缺陷時各工作部件的結構見圖3。
[0026]步驟I對拍到的紅外熱成像檢測圖像進行在線分析，具體按照以下步驟實施:在紅外熱成像檢測儀的鏡頭拍照時由計算機實時反饋的鏡頭中心在成形平面中的坐標為(m，η)，金屬成形表面坐標原點位于工作臺左下角，紅外熱成像檢測圖像的像素原點位于圖像左上角，像素原點距離鏡頭中心的水平距離分別為X和y，每個像素在成形平面中代表的長度尺寸為PL ；
[0027]每次拍照所獲取的sXt像素的BMP圖像的各像素是否為缺陷可用一個sXt的矩陣RG代表。用VC++2010提供的GetPixel函數依照BMP圖像中的像素順序依次獲取各像素的RGB值并進行判斷，如果圖像中第i行j列的像素的RGB值的G值和B值均高于220，即判斷該像素點為缺陷點，則將矩陣RG的第(i，j)個元素的值賦1，否則矩陣RG的第(i，j)個元素的值賦O。矩陣RG中的所有元素賦值完成后，再查找出矩陣RG中所有值為I的元素，根據以下公式計算缺陷在金屬成形表面的坐標方位(X，Y):
[0028]X = m-x+iXPL，Y = n-y-jXPL。
[0029]上述固定間隔的層數可以為1-10層。
[0030]上述激光金屬增材制造的層厚可以為0.02-0.2mm。
[0031]優選地，紅外熱成像檢測儀的分辨率是384 X 288像素，即s = 384，t = 288，采用的鏡頭為0.5倍微距鏡頭。紅外熱成像檢測鏡頭與金屬成形表面的距離可以為5-lOcm。
[0032]對金屬成形表面拍照為紅外熱成像檢測鏡頭每掃過2-lOcm2拍照一次。
[0033]優選地，激光靶向重熔的