[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

说明书

本发明公开了一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统与方法，系统包括激光头单元、同轴监测单元、工业相机单元、图像在线处理单元、沉积状态识别单元、实时反馈调控单元。激光头单元传输激光束和铝合金材料至待加工区域；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；工业相机单元采集熔池图像信号；图像在线处理单元去除熔池图像噪声干扰，提取所需关键图像特征；沉积状态识别单元对沉积状态进行识别判断，判断其类型；实时反馈调控单元根据异常沉积状态类型进行基于工艺参数的实时调控。本监控系统与方法通过高实用性的同轴监测方式，实现铝合金这一难沉积材料的工艺参数快速优化与沉积状态实时调控。

技术领域

本发明属于铝合金材料的激光熔化沉积及在线监控领域，具体地，是一种针对蓝激光熔化沉积铝合金过程中的沉积状态监测与调控方法，可用于表面熔覆、沉积成形等加工技术中。

背景技术

激光熔化沉积是一项重要的增材制造技术，具体是利用激光束的定向能量沉积技术，可用于金属零部件的直接成形、表面涂层熔覆和零部件修复等领域。铝合金作为重要的轻质合金材料在工业领域应用广泛，但利用激光熔化沉积技术进行高质量复杂结构铝合金构件加工时，还难以进行实际产业化应用。其中的一项重要原因是，铝合金高反射率、低熔点、高热传导、低粘度等物理特性，结合复杂构件的几何形状，共同导致了液态铝合金金属熔体形态的不稳定，进而使得最优工艺窗口过窄，沉积状态极易产生波动。因此，利用蓝激光解决铝合金高反射率问题，结合熔池监测对沉积状态进行识别，并制定快速优化策略，实时调控加工质量，可以大幅提高激光熔化沉积铝合金构件的能力，实现在其工业领域的大范围应用。

虽然针对激光熔化沉积铁合金、钛合金等材料熔池的监测与调控已有一些方法，但这些方法很难适用于铝合金，特别是蓝激光加工铝合金，这主要是因为铝合金熔池的过程特征表现与其它合金材料不同，单纯依靠传统的熔池面积、宽度、温度等来进行沉积状态的监测，很难达到工业应用要求。而且蓝激光会造成可见光波段的光谱干扰，使得熔池特征更加复杂化。因此，在激光熔化沉积增材制造技术及轻质铝合金材料在工业领域广泛应用的情况下，需要一套针对铝合金构件的蓝激光熔化沉积状态监控新系统与方法。

激光熔化沉积技术的基础工艺包括单层单道沉积、多层单道堆积、单层多道搭接等，其中，围绕单层单道沉积过程沉积状态的实时监测与实时调控方法，一方面可为其它复杂工艺提供监控基础，另一方面，也可用于最优工艺窗口的快速确定，减少后续所消耗的质量分析时间与资源等。

综上，在激光熔化沉积铝合金构件时，针对因材料自身高反、低熔点等特性所导致的沉积质量不稳定，以及目前熔池监控手段难以适用于铝合金沉积质量提升的难题，有必要提出一种蓝激光熔化沉积铝合金材料沉积状态监控系统与方法，以此来对铝合金材料的单层单道沉积状态进行实时判断，给出工艺参数的快速优化方法，实现激光熔化沉积铝合金构件的高质量加工。

发明内容

针对工业领域复杂结构铝合金构件的迫切需求，以及铝合金激光熔化沉积质量稳定能力不足，本发明提供了一种蓝激光熔化沉积铝合金的沉积状态监控系统与方法，可基于现有的熔池同轴监测技术，围绕铝合金自身的熔池特征，对蓝激光熔化沉积铝合金构件的沉积状态进行监测与调控，成本较低、系统简单、处理速度快，以解决现有技术中的不足。

为了达到上述目的，本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一方面，提供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；