通过激光束定向能量沉积的多轴红外过程监控进行缺陷检测

制造形态

制造零件的照片如图所示。 6 对于设计高度为20毫米的三个交叉角。

图6

样品 (a) IW1、(b) IW4 和 (c) IW7 的竣工形态。 (c) 中的插图显示了沉积过程中形成的凹陷的位置。

采用 90° 交叉制造的样品，图 1 6a，呈现出基本上平坦的表面，具有凸起的壁端和平坦的接合区域。 60° 下制造的样品，图 1 6b、30°，如图 6c，类似地呈现凸起的壁端部以及接合处和壁端部之间的平坦表面。 然而，对于所有锐角样品，接合处的中心会形成凹陷，并在角度内部形成凸起。 30° 角样品的凹陷最深，如图 1 所示。 6c，并表现出粘附颗粒的积累。

这些结构特征与三个主要感兴趣位置相关，如图所示。 1，可分为：中间区域、墙体折返点、交界区域。 这些结构特征的特殊性仅与交叉角有关，而不是与设计高度有关，5 毫米和 20 毫米的样品表现出几乎相同的表面形貌。 这表明每个要素类的启动在构建过程的早期就开始了。 中间区域，熔池以恒定速度沿直线移动，体现了稳态沉积，几乎不受结构其他部分的影响，类似于 50% 的双轨宽薄壁的生产重叠。 转向点位于每个壁段的末端，沉积头在此处反转方向并返回相邻轨道，增加了在附近沉积材料所花费的时间，导致材料和热量在这些处积聚。地点。 墙的交界处是第三个也是变化最大的分析区域。

与所有样品相似的中间区域和转向点不同，连接区域根据壁之间的交叉角度表现出不同的形态。 用于从 CAD 模型生成样品刀具路径的 DCAM 切片软件会自动在壁之间创建圆角，因此，根据相交角度，圆角会改变激光和粉末点在接合区域的重叠程度。 在 90° 样品中，重叠部分均匀分散，并且接合处的高度变化最小。 对于 60° 样品，与周围的稳态区域相比，角度内部的圆角会导致多余材料的凸起。 此外，在连接处的中心也会形成凹陷，激光和粉末点的覆盖范围现在减少了。 这种凸起和凹陷对在 30° 样品中尤为突出，其中更深的凹陷还包含部分熔化颗粒的积累，类似于粘附在薄壁侧面的颗粒。 这表明施加到该区域的能量不足以有效熔化这些颗粒，导致该区域内形成内部缺陷。

圆角样品中接合处空隙的形成

对所有制造的样品进行了显微 CT 扫描。 图 1 提供了具有三个不同交叉角度的样品接合区域的代表性横截面图像。 7

图7

(a) IW1、(b) IW4 和 (c) IW7 样品的连接区域的孔隙率比较。 IW7 样品在整个连接处的中心轴上显示出近乎连续的孔隙率。

90°和60°样品中形成了一些孔隙，如图1所示。 7a、b，与 30° 样品中形成的样品相比，这些样品通常是分散的、圆形的，并且数量和尺寸都较小，如图 1 所示。 7C。 虽然在 90° 样品中检测到的最大孔隙长度约为 180 μm，但 30° 样品中的孔隙沿着接合区域的中心轴构成了近乎连续的空隙。 有些还呈现出不规则的形态，表明缺乏融合缺陷。 30° 样品凹陷中存在粘附颗粒，但 60° 样品中没有，表明热量不足以发生完全熔化，因此导致缺乏如图 1 所示的熔合孔隙率。 7C。 我们假设出现这种情况是由于刀具路径的自动圆角减少了较窄交叉角处连接中心的激光重叠，并在“使用修改的刀具路径消除连接缺陷”部分中证明了这种情况是可以避免的。

30° 样品交界处的孔隙率发生在与图 1 中观察到的凹陷相同的位置。 6C。 这表明在这些样品中观察到的表面凹陷表明了由于结中心的粉末和激光能量的耗尽而引起的内部缺陷。 然而，同样清楚的是，凹陷的仅仅存在并不构成空隙的形成。 60° 样品表现出浅凹陷，但与 90° 样品相比，接合处孔隙率仅略有增加。 内部缺陷的实际形成必须通过沉积后检查（例如，通过前面看到的显微CT）或通过过程监控来确认。

监控系统特征识别

由两个离轴相机测量的垂直位移被绘制为距每层起点距离的函数，如图 1 所示。 8。

图8

在样品 IW7 的制造过程中，两个离轴相机从最后一层获得的分层数据。 关键特征已被识别并标记。 (a) 1M 相机测量的距焦平面的垂直位移（沿 j 轴观察）。 (b) 05M 相机测量的距焦平面的垂直位移（沿 i 轴观察）。 (c) 垂直位移的对称转向峰值示例。 当相机垂直于墙端时发生。 (d) 不对称周转峰示例。 当相机与墙端对齐时发生。

可以在所示的位移图中识别特征特征并将其归因于相交壁样本的三个感兴趣位置。 首先，薄壁的中间区域显示出主要平坦的基线值，正如稳态沉积所预期的那样，如图 1 所示。 8a、b。 在同轴相机测量的熔池面积中也观察到了类似的恒定基线值区域（补充图 1）。 S1），尽管该传感器的噪声较高。 从离轴相机可以清楚地看出，这种稳态沉积发生在距喷嘴工作距离平面正向位移处。 使用两个离轴相机测量中间区域的这些过度建筑，测量墙端和沿较长墙的交界区域之间的 5 毫米跨度，并与相同位置的微型 CT 扫描获得的测量结果进行比较。 表中提供了平均过度建造值 3。 可以看出，虽然离轴相机提供类似的测量结果，但微型 CT 数据提供的过度构建测量结果始终是两个离轴相机的估计值的两倍。

表 3 沿最长墙的中部区域跨度为 5 毫米的超建。

微型 CT 的过度构建测量与熔池跟踪的估计之间存在差异的主要原因可能是构建形状的演变。 当基线值取第一层质心时，基材是平坦的，并且熔化区域被限制在其表面。 随着构建的进行，先前的层有可能熔化，从而使质心相对于实际构建表面向下移动。 因此，虽然质心跟踪确实很好地告知了表面形貌，但如果不调整此偏移，它可能无法完全捕获实际的过度构建估计。 对于本研究中生成的样本，恒定值校正因子 2.1 准确地解释了偏移。 然而，可能需要进一步的工作来阐明质心位置和表面高度增量之间的进一步关系。

总体而言，趋势是为了获得更高的设计高度而增加过度建造，但预计这种趋势不会无限制地继续增加，而是达到 Donadello 等人讨论的稳定的过度建造条件。26。

图 1 中还明显存在另外两类特征。 8a、b，作为中断稳态的峰和谷。 在离轴相机的测量中，转向峰值始终是位移的最高值，在所有三个转向点之间具有大致相等的值。 它们的特征还在于从同轴相机获得的最大面积值（补充图 1）。 S1）。 经过仔细检查，这些峰可以根据其特征形状进一步分类，分为形状对称或不对称的双峰，如图 1 所示。 8分别为c、d。 不对称峰分裂是由自阻挡造成的，当熔池沿相机光轴移动时会发生这种情况。 当熔池远离相机时，熔池最热和最大的部分被沉积轨迹的尾部部分遮挡，从而产生较低的次峰值。 当熔池到达壁的最末端并部分下降到边缘以下时，就会形成局部最小值，从相机中变得更加模糊，并且垂直位移减小。 随着熔池反转方向并向相机移动，熔池现在在相机视野中达到最大，并且沉积了更多材料，导致双合峰中的子峰更高。 类似地，由于熔池在末端部分地倾斜到壁的边缘，也会发生对称峰分裂，但在这种情况下，相机的光轴垂直于熔池的横向方向。 因此，熔池位置的视图几乎没有差异，并且两个峰呈现相同的值。

与“圆角样品”中描述的接合处空隙形成相关圆角样品中接合处空隙的形成”部分，一些样品中也可能存在较小的单峰。 这些通常表明在壁之间的成角度的交叉点的内部存在凸起，因此在 90° 样品中不存在，并且在 30° 样品中最明显。 根据观察摄像机和横向方向，该峰可以是孤立的，也可以与尖锐的波谷相邻。 当熔池向下移动到该凹陷时，该波谷出现在接合区中心呈现凹陷的样品中。 这些耦合信号中波峰和波谷的顺序表明激光光斑在该点的移动路径，无论是先经过凸出部分还是先经过凹陷部分。

从离轴垂直位移图来看，波谷的出现也更加明显，如图所示。 8a、b，比同轴面积图（补充图1） S1）。 这表明，虽然熔池面积在通过凹陷时可能会减小，但与转向峰处面积的急剧明显增加相比，这种变化很小，这是由于激光的停留时间增加和在这几点。 当经过凹陷时，与中间区域相比，停留时间没有变化，只是垂直位移减少，这对同轴相机的表观面积影响很小。 这说明，虽然同轴相机能够在没有透视畸变的情况下监测熔池的几何形状，并且还能够清楚地显示转向点的位置，但其他几何特征不如离轴记录中明显。相机。

通过高度监测及早发现缺陷

相机信号中的这些特征及其与制造样品中的物理现象的联系表明了早期检测空洞缺陷的潜力。 通过检查摄像机馈送生成的信号，可以识别样本中较低层（因此在构建的早期阶段）类似数据特征的出现。 特别令人感兴趣的是凹陷槽的存在，这在前一节中指出与结区域内空隙的形成相关。 如表所示 4，可以在相对于样品中总层数的早期层数处识别凹陷槽。 需要注意的是，这里报告的“层距离”是自相机首次检测到熔池以来熔池所经过的距离，并且每层的起始位置与其他层的起始位置不同。 图 1 中显示了 IW7 样本的早期检测示例。 9。

表 4 三个 30° 样品的离轴相机数据中槽特征识别的第一个实例。图 9

早期检测样品 IW7 中的缺陷（功率：480 W，移动速度：800 mm/s）。 使用微型 CT 扫描的结点垂直横截面（标明了第 7 层样品的大致高度）(a)，CLAMIR 相机测量熔池面积 (b)，1M 相机中距焦平面的垂直位移 (c)，以及05M 相机 (d) 均位于第 7 层。最清晰的凹陷指示点在垂直位移图中用绿色圆圈标记。

桌子 4 表明可以在这些样品的制造过程中尽早检测到凹陷的存在，并且似乎存在用于使用两个离轴相机识别该槽的优先扫描方向。 最早的检测总是发生在奇数层，激光逆时针传播； 因此，05M 摄像机在穿过长壁部分的不间断扫描时观察熔池的尾部。 因此，当熔池到达凹陷时，熔池的前部被部分遮挡，并且质心位置的下降对于相机来说更加清晰。 在偶数层上，熔池将向05M相机移动，并且熔池的明亮前端增加了检测到的颗粒的尺寸，降低了质心位置跟踪的灵敏度。

样品的显微 CT 扫描，图 1 9a，确认在检测到的凹陷位置处已形成空隙。 对于样品 IW7，第一次检测到凹陷发生在第 7 层，其中样品的预期高度（因此焦平面）已增加到基板上方 1.5 毫米。 1M 和 05M 相机检测到的波谷，图 1 9c、d 显示该平面上方 0.1 mm 的垂直位移。 如图所示 9a，在基材上方 1.6 mm 处有一个孔隙，但是，该孔隙不是最大的，也不是迄今为止第一个出现的。 这表明在可检测到凹陷之前，样品主体可能需要达到一个最低高度。 图 9b为同轴相机在同一层中采集的数据，虽然该数据中孔隙缺陷不明显，但所看到的尖锐峰值与相机视图中熔池较大的折返位置相对应。

相机限制

在了解从监控系统获得的信息时，必须承认摄像机的局限性和观看条件。

同轴相机的一个重要限制是喷嘴孔径将视场 (FOV) 限制在直径约为 5 毫米的区域。 因此，FOV 可以决定用于加工的激光光斑直径。 根据内部研究，所使用的激光光斑直径为 1.5 毫米，在大多数情况下，熔池尾部在孔径内可见。 同轴相机的另一个限制是红外光可以从喷嘴内部反射和散射，在所需的感兴趣区域周围形成光环，如图所示。 2b，这会干扰图像分析。 这也对应用于处理区域的能量密度施加了软限制。 能量密度越高，熔池温度越高，尺寸越大。 这也会增加喷嘴内部反射的红外辐射量，并进一步减小相机的视场角。 同样，较长的熔池尾部也可以被截断。 因此，虽然不失真的同轴视图有利于在较小熔池尺寸下进行精确的熔池面积和几何测量，但处理参数超出有限范围的任何扩展都需要添加至少一台其他离轴相机。

离轴相机会受到透视扭曲的影响，如“几何校正” 部分，必须予以考虑。 此外，从某个角度观察熔池可能会导致沉积过程中熔池暂时或部分堵塞。 阻塞可能是由构建环境中的其他物体造成的，例如沉积喷嘴或同一样品的其他区域。

一台离轴相机中的透视畸变问题可以通过比较剖面（与相机轴对齐的熔池横向方向）和横向（与相机轴垂直的熔池横向方向）测量的熔池长度来说明。 以 IW2 样品的第一层为例，以消除零件过度生长对测量的影响。 当熔池呈轮廓时，向 Optris 1M 相机移动，10 毫米拉伸范围内的平均长度约为 1.9 毫米（校正透视角），而 Optris 05M 和 CLAMIR 的未扭曲视图测量该值为分别为 1.6 毫米和 1.3 毫米。 同样，在相同方向上，Optris 1M 相机在未扭曲轮廓中测量的熔池宽度为 1.3 毫米，与 CLAMIR 测量的 1.3 毫米一致，而 Optris 05M 相机在扭曲视图中测量的宽度为 2.4 毫米。毫米。

一般来说，如果没有发生自阻挡（即沉积在先前沉积的相邻轨道后面），则成角度相机沿图像 y 轴的长度或宽度测量通常会高估由配套相机沿图像 y 轴测量的相同值。不受畸变影响的相机。 然而，随着组件的几何形状变得越来越复杂，因此更加需要使用多个相机来捕获沿多个轴的测量结果。

使用修改后的刀具路径消除连接缺陷

为了确认相机检测不仅仅是相交角的伪影，并且由于窄角相交的刀具路径规划而发生了接合处空洞缺陷的形成，使用修改后的刀具路径生成了另一组样本，消除了相交处的圆角。 理论上，与原始样品相比，这种修改应该在接合处保持更一致的激光光斑重叠水平。 这些修改后的样品均按照 20 毫米的相同设计高度生产，因为仅研究了结缺陷的形成，并且之前的样品已表明这些样品不受样品设计高度的影响。 使用 Keyence 数码显微镜获得了连接区域的形貌图像，并对样品进行了显微 CT 扫描，结果如图 1 所示。 10。

图10

将 30° 样品中的连接区域与 (a) 原始 IW7 和 (b) 修改后的 IW7-Mod 刀具路径的地形图像进行比较，这些图像由 Keyence VHX-5000 3D 数字显微镜以 50 倍放大倍率成像。 显微 CT 图像显示 IW7-Mod 中结区的横截面，但孔隙率与 IW7 相同。 (a,b) 中均突出显示了连接区域，表明 IW7-Mod 样品中不存在凹陷。

修改后的刀具路径样本呈现出与原始样本相似的表面，除了连接处中心没有凹陷，如图 1 的比较所示。 10a、b，尽管在 60° 和 30° 样品的成角度交叉点的内部仍然看到形成凸起。

对从监控装置中提取的信号的检查也显示，修改后的刀具路径样本中没有形成凹陷的迹象，但确实表明在 60° 和 30° 样本中仍然存在凸起的形成。 当检查显微 CT 结果时，最终确认了 30° 样品的接合区域不存在缺陷，如图 1 所示。 10C。 总之，对这些修改样本的观察结果说明了两个重要的发现。

首先，发现接合处空洞缺陷的形成机制是刀具路径消耗激光辐照度和原料接合处的结果，导致材料沉积减少。 因此，刀具路径规划必须考虑复杂几何形状部件中交界区域重叠减少的影响。 如果角圆角阻止路径完全重叠，则小于 60° 的相交角可能会导致孔隙率增加。 由于圆角是一种最小化几何形状尖角的方法，因此从结构部件中去除这些尖角通常是不切实际的，否则部件可能会因疲劳或裂纹而增加失效风险37。 因此，根据预期设计，必须考虑确保窄角交叉口完全熔化的其他方法。 这些可能包括在连接处的中心进行额外的内部扫描，只要这不会过度增加该位置的热量和材料积累。 或者，可能建议更改刀具路径以增加距实施圆角的交点的距离，从而减少激光在交点区域停留时间增加的影响。 这可以与内部扫描相结合，以进一步加固连接； 然而，这将以增加时间、重量和材料为代价。

其次，基于图像的跟踪系统中对这种凹陷的检测被证明与交叉角度无关，并且成像中的任何伪影都不能被认为提供角度和凹陷信号之间的错误相关性。

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2024-02-16 03:33:45
#通过激光束定向能量沉积的多轴红外过程监控进行缺陷检测