[发明专利]蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统与方法

权利要求书

1.一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，包括：

激光头单元，包括激光头，传输激光束和铝合金材料至待加工区域，形成液态金属熔池；

同轴监测单元，将熔池发出的图像信号经由同轴光路传输至单元出光口；

工业相机单元，采集所述同轴监测单元所传输的熔池图像信号；

图像在线处理单元，去除工业相机单元所采集熔池图像中的激光散射、粉末飞溅等噪声干扰，并提取沉积状态识别单元所需的关键图像特征；

沉积状态识别单元，根据图像在线处理单元处理后的图像数据对沉积状态进行识别判断，判断其属于哪类状态；以及，

实时反馈调控单元，根据沉积状态识别单元所得结果，判断异常状态所需的工艺参数调控策略，对于可调控异常状态，进行基于工艺参数的实时调控。

2.如权利要求1所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述激光头单元采用同轴或旁轴方法进行送粉或送丝加工，加工技术包括涂层熔覆、直接成形与沉积修复。

3.如权利要求2所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述同轴监测单元包括拐臂结构、45°分光镜、45°反射镜和拐臂集成镜头，所述45°分光镜位于所述激光头内，所述45°分光镜支持正向通过激光束所在波段的光以及反向通过非激光束波段的光，所述拐臂结构用于传输光路进行同轴监测，所述45°反射镜位于所述拐臂结构内，所述45°反射镜反射非激光束波段光至所述激光头的出光口，所述拐臂集成镜头集成于所述拐臂结构上，将图像放大以便于所述工业相机单元采集。

4.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，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。

5.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，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，去除粉末飞溅中像素值小于5的粉末飞溅，所述视觉特征提取模块提取出熔池图像内部区域灰度特征、内部区域面积特征、外部区域熔渣分布特征。

6.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述沉积状态识别单元对内部区域灰度特征是否存在过曝进行识别，同时对内部区域面积是否超过给定阈值进行识别，并对外部区域是否存在大量熔渣进行识别，最后综合判断目前的沉积状态。

7.如权利要求3所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统，其特征在于，所述实时反馈调控单元的工艺参数包括激光功率、扫描速度、送粉量。

8.一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控方法，其特征在于，基于如权利要求3-7中任意一项所述蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统实现，包括以下步骤：

a、将工业相机放置于同轴监测单元的拐臂结构上，调整同轴监测单元内的拐臂集成镜头进行对焦，对焦时激光头与基板之间的距离为实际加工距离，对焦后标定图像与实际尺寸的比例，综合得到图像像素值与实际尺寸的比例为n:1；

b、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；

c、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、熔池图像灰度分布特征提取、内部区域面积特征提取、熔渣分布特征提取，处理速度为5～200ms；

熔池图像灰度分布特征提取获得熔池内部区域灰度值，判断内部区域灰度值G是否明显处于持续高灰度的过曝情况；

内部区域面积特征提取获得实时的熔池内部区域面积像素值s₁；

熔渣分布特征提取获得实时的熔池外部区域面积像素值s₂；

d、根据步骤a中的标定比例n:1以及步骤c图像在线处理单元对特征图像的处理，判断激光熔化沉积状态：正常沉积时的熔池图像有两种可能，一是存在大量熔渣S₂＝s₂/n²a，内部区域持续过曝，内部区域面积S₁＝s₁/n²b₁；二是没有大量熔渣S₂＝s₂/n²≤a，内部区域持续过曝，内部区域面积小于b₂；不稳定沉积时的熔池图像有三种可能，一是外部区域存在大量熔渣，内部区域没有持续过曝；二是外部区域没有大量熔渣，内部区域没有持续过曝；三是外部区域存在大量熔渣，内部区域持续过曝，内部区域面积S₁＝s₁/n²≤b₁；过渡沉积时的熔池图像只有一种形态，即外部区域不存在大量熔渣，内部区域持续过曝，内部区域面积S₁＝s₁/n²b₂；其中的a、b₁、b₂根据不同工作条件来确定，进而实现沉积状态的识别；

e、根据步骤d所识别的沉积状态，在面对不稳定沉积时，优先通过提高激光功率，其次是提高送粉量，最后是降低扫描速度来解决；而在面对过度沉积时，优先通过提升扫描速度，其次是减少送粉量，最后是降低激光功率来解决，进而实现沉积状态的实时调控。