顶刊《AM》：基于熔池中温度场相似性的在线缺陷检测方法及系统

导读：增材制造（AM）是一个重要的生产趋势。同时，缺乏在线缺陷检测技术是制约AM进一步发展的关键问题。为实现缺陷的有效在线监测，本文提出了一种激光工程网整形（LENS）打印工艺的在线熔池缺陷检测方法及系统。将带有单个相机的熔池的在线温度测量系统集成到LENS打印设备中。实现了对打印过程的同步监测，在线获得了高分辨率的熔池温度分布和演变图像。提出一种缺陷检测方法，称为温度分布相似性检测（TDSD）方法，可以在线高效检测缺陷。针对相似性检测提出了"外边界对齐、内相关检测"策略，可以建立打印质量数据库，包括熔池中人工缺陷影响下所有点的时空特征。实验结果表明，可以检测到直径大于25 μm的表面孔隙缺陷，缺陷检测精度超过90%，水平基板的相对位置误差约为6.4%。所开发的方法对在线表面缺陷检测具有实际应用前景，对增材制造过程中的异常反馈和质量控制具有重要意义。

激光工程网成型（LENS）是一种增材制造（AM）技术。由于其打印灵活性和大型部件的可加工性，它已成为航空航天，运输，医疗，能源等领域制造和维修零件的抢手技术。然而，制造过程的在线质量控制尚不成熟，这已成为阻碍增材制造技术广泛应用和进一步发展的瓶颈。一方面，激光功率、速度、舱口间距、扫描图案等加工参数需要根据经验进行设置，缺乏科学的理论依据。同时，打印参数调整缺乏反馈会导致质量问题，包括几何不准确和缺陷，例如，缺乏融合，残余孔隙率和飞溅。

孔隙对于大多数金属增材制造应用尤其重要，因为它们强烈影响印刷样品的疲劳性能和裂纹增长特性。孔隙由熔融材料主体内部的空隙组成。这些空隙可以在一个打印层（内孔）中找到，或在相邻打印层之间，或在层表面（表面孔隙）。因此，对于印刷过程中的每一层，内部孔隙都在该层中，表面孔隙在该层上。此外，在打印过程中凝固后每层产生的表面孔隙会影响样品的后续印刷质量。值得注意的是，随着打印，一旦覆盖了原始层，原始表面的孔隙可能会变成内部孔隙。因此，内部孔隙可能为整个打印样品产生更多。学者们发现，较慢的冷却和凝固速率允许孔隙生长，有时与相邻的孔隙合并。一旦孔隙达到临界尺寸，它们就会漂浮到凝固池的表面，成为表面孔隙。因此，由于LENS的冷却速率比选择性激光熔化（SLM）的冷却速率低4个数量级，因此LENS更容易出现表面孔隙。

在AM过程中，每个打印层上都可能出现不希望的表面孔隙，它对后续的印刷层有一定的影响。如果每层打印后出现许多表面孔隙，则打印的样品将具有较差的表面粗糙度和减少的机械行为。因此，在打印过程中，检测凝固后每层的表面孔隙是重要的。

近年来，已经开发了多种用于AM过程在线检测的方法。介绍了原位X射线成像技术和X射线衍射技术，以观察具有前所未有的时间（数十微秒）和空间（几微米）分辨率的选择性激光熔化过程。利用这些来观察激光焊接过程中的动态熔池行为，以及固定激光诱导熔池内锁孔孔的形成和演变。Cunningham et al .使用超高速同步加速器X射线成像来量化金属激光熔化过程中蒸汽凹陷（也称为钥匙孔）的现象，如AM中的做法。Schmeiser et al .提出了原位X射线衍射实验，以研究由Inconel 625制成的多层薄壁的选择性激光熔化过程中的应力。尽管具有精确的测量能力，但X射线成像体积庞大，难以集成且价格昂贵，并且不适合长期工业测试。

此外，激光超声检测和声发射已被提出适用于AM过程的原位监测。在后处理中，使用激光超声检测系统成功检测出亚毫米（0.8 mm人工直径）内孔缺陷。为了使检测结果更加直观，许多研究都集中在测量熔池现象周围的数据上，例如用高速相机记录印刷过程。可见光视觉采集可以检测熔池中的几何形状，形态和其他空间特征，以及工艺参数和微观结构。

然而，熔池的温度分布信息与印刷部件的成型质量密切相关。适当的打印参数将稳定熔池的温度分布特性，而印刷中存在缺陷或残余应力较大的熔池则显示出异常的温度分布。I.B 。证明缺陷可以通过与熔池中的温度场相关的光谱信息来识别。快速准确地获取熔池中的温度场对于在线检测缺陷非常重要。它正在成为具有实际应用价值的研究方向。与上述研究相比，在线印刷过程中仍无法实现高分辨率、高精度的熔池质量检测。

本研究设计了一种单摄像头熔池在线测温系统，并将其集成到LENS打印设备中，研究了熔池测温与边界提取技术。

北京理工大学航天学院、AECC北京航空材料研究所、上海航天装备制造有限公司、清华大学工程力学系、武汉大学动力与机械工程学院针对制造过程中测得的熔池温度和边界的特性，基于熔池温度场的相似性，提出了一种称为TDSD的缺陷检测方法。在TDSD方法中，首先开发了参考图像的构建方法，然后提出了一种"外部边界匹配和内部相关检测"的二维异常温度检测方法。根据温度场空间分布的变化来识别是否存在异常，根据异常位置温度场的时空演变来识别缺陷类型。该方法能够准确检测实验得到的熔池温度场中的异常，特别是各印刷层的表面缺陷。此外，该方法可以将温度场的异常与缺陷相关联，这对制造质量的反馈具有重要意义。本研究以题“Online defect detection method and system based on similarity of the temperature field in the melt pool“发表在金属刊物ADDITIVE上。

本研究在LENS打印设备中集成了一种单相机熔池在线测温系统，提出了一种称为温度分布相似性检测（TDSD）方法的缺陷检测方法。TDSD方法基于熔池（或前加热区）温度场的相似性，实现了LENS打印过程中熔池质量的在线检测。特别是，参考温度是使用熔池的多个正常打印的温度场作为判断标准来构建的。此外，提出了"外部边界对齐和内部相关检测"策略进行相似性检测;具体而言，相似性是根据检测到的温度相对于参考温度分布的协方差或残差计算得出的。根据TDSD方法，通过整个印刷过程中熔池的同时评估结果，可以建立质量数据库，为反馈修复和后期检测提供印刷质量评估和缺陷定位。

与传统的单点检测方法（如光强度检测）相比，TDSD方法充分利用了熔池中温度场的空间分布和时间演变。同时，通过可选的位置优化可以排除峰值温度区域的影响;因此，由缺陷引起的异常特征更为显著。

图 1.TDSD方法缺陷检测流程图。

图 2.印刷实验下参考温度场的构建

图 3.（a） 待测铬镍铁合金625熔池的温度场（b）温度边界和极端点。

图 4.（a） 匹配载体D⇀;（b） 参考温度场与待检测温度场的边界匹配。

图 5.（a） 双通道滤波装置的光路;（b） 在线温度测量系统的组成部分。

通过具体实验，该TDSD方法证实了以下规律：对不同尺寸的人工孔隙缺陷的打印实验表明：（1）熔池的在线温度测量系统可以得到具有高时空分辨率的温度场分布。可以得到和发现温度场异常的演变，并且可以在该实验中区分孔隙度缺陷和飞溅物的异常特征。即缺陷引起的异常位置相对于熔池中的移动温度场固定，并且由飞溅引起的异常被改变。（2）TDSD方法对孔隙度缺陷引起的异常具有很高的识别能力，识别准确率超过90%

对异常特性的一步分析表明：（1）在熔池温度场前方，缺陷处的低导热系数延缓了散热，缺陷处的热量积聚明显高于相邻正常区域。因此，当熔池未到达缺陷区域时，会提前出现明显的异常温度信号，这可以作为缺陷检测的突出特征。（2）根据积热效应，熔池接触并逐渐填充缺陷期间仍存在高温异常。此外，通过选择前部加热区域作为检测覆盖，可以减弱高温峰值的影响，并将异常温度灵敏度提高到146%。

图 6.在线测温系统与LENS系统集成的示意图。

图 7.底座和转换板的装配位置。

图 8.孔隙率缺陷：（a）打印前（b）打印后。

图 9.有缺陷的熔池温度场演变：（a） 200 μm;（b） 100μm

最后，根据上述特征，可以识别孔隙度缺陷的位置，验证了与熔池直接接触的表面孔隙检测能力，在水平基板的情况下，相对位置误差约为6.4%。结果表明，TDSD方法不仅能检测缺陷，还能提供缺陷的高精度解剖信息。本研究为增材制造印刷过程的质量监测提供了一种有前景的在线测量方法。