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CN109269986B - 相控阵激光超声检测系统 - Google Patents

相控阵激光超声检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相控阵激光超声检测系统，它包括超声相控阵发射系统、接收系统以及控制系统，超声相控阵发射系统包括用于产生多束延时射出的光路的激光器组件、将多束光路输出形成所需阵列的线阵光纤组件或面阵光纤组件，线阵光纤组件或面阵光纤组件激励产生的超声波束角度可调且焦距可变，控制系统包括数据采集卡以及与数据采集卡电路连接的计算机。本发明激光超声相控阵技术可以实现超声声束在二维平面内的任意入射角度的偏转和聚焦，从而完成不同深度区域的检测；基于激光超声相控阵检测技术可以实现熔池内部流动、熔池内部轮廓、底部未熔合、内部夹渣和气孔的检验；通过检测结果调整打印工艺可以实现零件制造质量。

Description

相控阵激光超声检测系统
技术领域
本发明属于增材制造在线监测技术领域，特别涉及一种相控阵激光超声检测系统。
背景技术
直接能量沉积(Direct Energy Deposition, DED)技术是金属增材制造的主流方法，通过激光、等离子、电子束等热源，在沉积区域产生熔池并高速移动，熔化同步送进的材料粉末或丝，逐层沉积从而实现任意复杂形状零件的净近成形。然而，由于制造工艺设计不合理、设备长期运行稳定性以及外界环境等因素，金属增材制件不可避免的存在工艺缺陷，制约金属增材制造技术的发展和应用。
国内外一直致力于增材制造在线监测技术的研究，期望实现制造过程的闭环控制，从而避免工艺缺陷的产生。如采用在线超声检测模块监测打印层孔隙率、采用超声表面波在线检测冶金缺陷等、采用光学摄像头和红外热像技术观察熔池表面形貌、温度场分布等。然而，熔池内部质量的监测才是实现高质量打印的关键，典型缺陷如气孔、裂纹和未熔等大多在熔化和凝固过程产生；熔池内部流动状态以及熔化和凝固过程的液固界面推移与打印参数密切相关。所以，在线监测熔池内部状态对实现增材制造在线监测和闭环控制的至关重要。
非接触式超声波检测技术，包括激光超声、电磁超声和空气耦合超声等是实现增材制造过程内部质量检验的潜在手段，特别是激光超声可以实现高空间分辨率的检测。但是应用到增材制造在线监测还需要考虑到如何激励激光以获得到指定角度、频率和波型的超声波、如何对熔池内部的超声信号进行分析以及检测系统如何与增材制造系统融合等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以实现金属增材制造过程中熔池深度、熔池底部未熔合、熔池内部气孔和夹渣的在线检测，从而调整打印工艺减小缺陷出现几率，提高工件的打印质量的相控阵激光超声检测系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种相控阵激光超声检测系统，它包括超声相控阵发射系统、接收系统以及控制系统，所述超声相控阵发射系统包括用于产生多束延时射出的光路的激光器组件、将多束所述光路输出形成所需阵列的线阵光纤组件或面阵光纤组件，线阵光纤组件或面阵光纤组件激励产生的超声波束角度可调且焦距可变，所述控制系统包括数据采集卡以及与数据采集卡电路连接的计算机。
优化的，所述激光器组件包括连续激光器、用于将所述连续激光器发射出的光路转换为多束光路并延时发出的皮秒激光开关以及用于连接连续激光器和线阵光纤组件或面阵光纤组件的光纤耦合接头。
优化的，所述激光器组件包括脉冲激光器、用于动态调节所述光纤阵列长度的压电膨胀器，至少有部分光纤的中段绕于所述压电膨胀器上，所有所述光纤的一端部与所述脉冲激光器连接，另一端部按线阵或面阵排布。
优化的，所述激光器组件包括脉冲激光器、与至少部分光纤连接的光学延迟线，所有所述光纤的一端部与所述光学延迟线连接，另一端部按线阵或面阵排布。
优化的，所述面阵光纤组件包括二维面阵光纤组，且二维面阵光纤组输出端为多根长度一致并按照一定间距排列成矩形阵列或环形阵列。
优化的，所述面阵光纤组件包括用来实现增材制造对象的表面的点聚焦、线聚焦或面聚焦的光阑和聚焦镜。
优化的，所述计算机具有相控阵超声延长法则控制模块、超声数据扇形成像模块以及信号分析反馈模块。
优化的，所述接收系统包括接受光纤、光纤耦合接头以及激光干涉仪；或其包括振镜组件和激光干涉仪，所述激光干涉仪为具有亚皮秒级精度的干涉仪或激光拾振仪，
优化的，所述激光干涉仪可以替换为：具有非接触式接收超声波功能的电磁超声探头和空气耦合超声探头。
本发明的有益效果在于：提出的激光超声相控阵技术可以实现超声声束在二维平面内的任意入射角度的偏转和聚焦，从而完成不同深度区域的检测；基于激光超声相控阵检测技术可以实现熔池内部流动、熔池内部轮廓、底部未熔合、内部夹渣和气孔的检验；通过检测结果调整打印工艺可以实现零件制造质量。
附图说明
图1 本发明的结构示意图；
图2 （a）本发明中二维面阵激光激励点延迟法则示意图；
图2 （b）一维线阵激光激励点延迟法则示意图；
图3 本发明的熔池深度测量原理图；
图4 本发明的熔池底部未熔合检测原理图；
图5 本发明的熔池内部夹渣和气体检测原理图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作以下详细描述：
实施例一
如图1所示，相控阵激光超声检测系统包括超声相控阵发射系统、接收系统以及控制系统。
所述超声相控阵发射系统包括用于产生多束延时射出的光路的激光器组件、将多束所述光路输出形成所需阵列的面阵光纤组件。
所述激光器组件可以有以下三种组成方案：
1.它包括连续激光器、用于将所述连续激光器发射出的光路转换为多束光路并延时发出的皮秒激光开关以及用于连接连续激光器和线阵光纤组件或面阵光纤组件的光纤耦合接头；2.它包括脉冲激光器、用于动态调节所述光纤阵列长度的压电膨胀器，至少有部分光纤的中段绕于所述压电膨胀器上，所有所述光纤的一端部与所述脉冲激光器连接，另一端部按线阵或面阵排布；3.它包括脉冲激光器、与至少部分光纤连接的光学延迟线，所有所述光纤的一端部与所述光学延迟线连接，另一端部按线阵或面阵排布。
在本实施例中，所述激光器组件包括连续激光器1、用于将所述连续激光器发射出的光路转换为多束光路的皮秒激光开关2、用于连接连续激光器1和线阵光纤组件或面阵光纤组件的光纤耦合接头3。面阵光纤组件可根据需求换成线阵光线组件，在本实施例中，面阵光纤组件包括二维面阵光纤组4、用来实现增材制造对象的表面的点聚焦、线聚焦或面聚焦的光阑5和聚焦镜6，聚焦镜也可根据需求换成柱镜，二维面阵光纤组4输出端为多根长度一致并按照一定间距排列成矩形阵列或环形阵列。二维面阵光纤组和接收光纤均与同轴送粉/丝喷嘴8固定，可以分布在其同侧或者异侧，以实现熔池熔化和凝固过程的在线和实时检测，也可以采用振镜系统跟随同轴送粉/丝喷嘴扫查。
所述接收系统包括接受光纤10、光纤耦合接头11、激光干涉仪12。激光干涉仪为具有亚皮秒级精度的干涉仪或激光拾振仪，亦或为具有非接触式接收超声波功能的电磁超声探头和空气耦合超声探头。
所述控制系统包括数据采集卡13以及与数据采集卡13电路连接的计算机14。计算机14具有相控阵超声延长法则控制模块、超声数据扇形成像模块以及信号分析反馈模块。
利用上述装备进行金属增材制造熔池内部质量在线监测方法包括以下步骤：
S1.根据增材制造工艺参数预估熔池深度范围；
S2.根据熔池参数设计相控阵超声聚焦法则；
S3.基于所设计的聚焦法则，利用计算机软件实现光开关的延时控制；
S4.利用激励光斑的延时控制，实现不同聚焦深度超声波的时序发射；
S5.利用非接触式超声拾振装置接收穿过熔池界面的超声信号；
S6.利用计算机软件对超声信号进行扇扫成像；
S7.对接收到的超声信号和图像进行实时分析，获得液固界面回波、缺陷回波等检测信息，并反馈打印系统；
S8.跟随喷嘴移动扫查，重复以上超声激励和接收步骤，完成打印检测。
具体而言，上述激光超声的激励过程为：首先连续激光器1发射具有一定波长和功率的激光束；激光束经过皮秒级光开关2分散成N束激光束，并且这N束激光是按照一定的延迟法则来实现不同激光束的发射时间；N束激光通过N条光纤组合4进入增材制造腔体9内部并按照二维阵列形式排列输出照射在打印工件7的表面；如果需要实现特殊的点聚焦、线聚焦或者矩阵聚焦，则通过光澜5和聚焦镜6进一步调节；由于阵列式激光按照一定的延时照射在打印工件7表面，则在打印工件7内部可以形成特定偏转角度和焦点位置的超声波，用于内部质量检测。激光超声的接收过程为：当超声进入熔池后，受到熔池内部气孔和夹渣的散射，以及底部液固界面的反射等，利用激光干涉仪12在工件表面接收这些信号、然后利用数据采集卡13进行数模转换，并将数据传输至计算机14，实现超声信号的成像和分析，并反馈检测结果。
激光超声相控阵延迟法则的设计原理如图2（a）所示，以二维激光激励点阵面的中心为原点o，激励点阵中心和熔池中心线间距a、预估熔池深度d，在深度2d范围内，设置K个不同深度焦点，焦点Fi(i=1…K)坐标为(a,0, -di)；计算二维整列上每个激光激励点(xn,yn,0)到焦点Fi处的声程，形成矩阵M*M矩阵Si；利用声程矩阵Si除以声速，即得到每个激光激励点到焦点Fi处的时间延迟法则；重复上述步骤，获得K组时间延迟法则，并导入控制软件实现相控阵超声激励。图2（b）为一维线阵情况，其延迟法则设计原理与二维情况一致。
熔池深度测量原理如图3所示，激励点和接收点的间距为2a，斜入射的超声波经过底部液固界面反射到接收点，通过记录超声传播时间，乘以超声传播速度得到声程s，利用三角函数关系，得到熔池深度。
熔池底部未熔合检测原理如图4所示，当不存在未熔合时，熔池与基体液固界面完好，对超声反射作用强烈，当存在未熔时，未熔粉末对超声具有吸收作用，则反射波幅会大大降低，所以根据反射波幅可以判断是否存在未熔合。检测时，将完全熔合位置的超声反射回波设置屏幕的80%，进行扫查监测，如果反射波幅低于40%，即可判定出现未熔合，不低于40%，即可判定熔合。
熔池内部气孔和夹渣检测示意图如图5所示，通过阵列激光可以控制超声发射至不同深度的聚焦点，即具有一定的发射角度。通过收集发射到每个聚焦点的波形数组，并以相应的角度对波形数组进行旋转，构建二维矩阵成扇扫图，如图5所示，通过工件与图像的叠合，可以快速判断缺陷的深度、位置，并动态地观察缺陷在熔池中的运动。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，相控阵激光超声检测系统包括超声相控阵发射系统、接收系统以及控制系统，其特征在于：所述超声相控阵发射系统包括用于产生多束延时射出的光路的激光器组件、将多束所述光路输出形成所需阵列的线阵光纤组件或面阵光纤组件，线阵光纤组件或面阵光纤组件激励产生的超声波束角度可调且焦距可变，所述控制系统包括数据采集卡以及与数据采集卡电路连接的计算机，利用相控阵激光超声检测系统进行金属增材制造熔池内部质量在线监测方法包括以下步骤：
S1.根据增材制造工艺参数预估熔池深度范围；
S2.根据熔池参数设计相控阵超声聚焦法则；
S3.基于所设计的聚焦法则，利用计算机软件实现光开关的延时控制；
S4.利用激励光斑的延时控制，实现不同聚焦深度超声波的时序发射；
S5.利用非接触式超声拾振装置接收穿过熔池界面的超声信号；
S6.利用计算机软件对超声信号进行扇扫成像；
S7.对接收到的超声信号和图像进行实时分析，获得液固界面回波、缺陷回波检测信息，并反馈打印系统；
S8.跟随喷嘴移动扫查，重复以上超声激励和接收步骤，完成打印检测。
2.根据权利要求1所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述激光器组件包括连续激光器、用于将所述连续激光器发射出的光路转换为多束光路并延时发出的皮秒激光开关以及用于连接连续激光器和线阵光纤组件或面阵光纤组件的光纤耦合接头。
3.根据权利要求1所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述激光器组件包括脉冲激光器、用于动态调节所述光纤阵列长度的压电膨胀器，至少有部分光纤的中段绕于所述压电膨胀器上，所有所述光纤的一端部与所述脉冲激光器连接，另一端部按线阵或面阵排布。
4.根据权利要求1所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述激光器组件包括脉冲激光器、与至少部分光纤连接的光学延迟线，所有所述光纤的一端部与所述光学延迟线连接，另一端部按线阵或面阵排布。
5.根据权利要求1所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述面阵光纤组件包括二维面阵光纤组，且二维面阵光纤组输出端为多根长度一致并按照一定间距排列成矩形阵列或环形阵列。
6.根据权利要求1所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述面阵光纤组件包括用来实现增材制造对象的表面的点聚焦、线聚焦或面聚焦的光阑和聚焦镜。
7.根据权利要求1所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述计算机具有相控阵超声延长法则控制模块、超声数据扇形成像模块以及信号分析反馈模块。
8.根据权利要求1所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述接收系统包括接受光纤、光纤耦合接头以及激光干涉仪；或其包括振镜组件和激光干涉仪，所述激光干涉仪为具有亚皮秒级精度的干涉仪或激光拾振仪。
9.根据权利要求8所述的利用相控阵激光超声检测系统进行监测的方法，其特征在于：所述激光干涉仪可以替换为：具有非接触式接收超声波功能的电磁超声探头和空气耦合超声探头。
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