基于熔池温度场相似性的在线缺陷检测方法与系统

长三角G60激光联盟导读

据悉，本研究提出了一种用于激光工程净成形（透镜）打印过程的在线熔池缺陷检测方法和系统。

摘要

增材制造是一种重要的生产趋势。同时，缺乏在线缺陷检测技术是限制AM进一步发展的关键问题。为了实现对缺陷的有效在线监测，本研究提出了一种用于激光工程净成形（透镜）打印过程的在线熔池缺陷检测方法和系统。提出了一种缺陷检测方法，称为温度分布相似性检测（TDSD）方法。TDSD方法主要基于熔体池中温度场的整体分布或前部加热区域的相似性。根据熔池温度场中表面缺陷引起的异常特征，可以有效地在线检测缺陷。提出了“外部边界对齐，内部相关检测”的相似性检测策略，可以建立打印质量数据库，包括在人工缺陷影响下熔池中所有点的时间和空间特征。该方法对在线表面缺陷检测具有实际应用前景，对AM过程中的异常反馈和质量控制具有重要意义。

1、介绍

激光工程净成形（透镜）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、能源和其他领域制造和维修零件的热门技术。然而，制造过程的在线质量控制还不成熟，这已经成为阻碍AM技术广泛应用和进一步发展的瓶颈。

热梯度等距三维重建。

孔隙对于大多数金属AM应用而言尤其重要，因为它们强烈影响打印样品的疲劳性能和裂纹扩展特性。气孔由熔融材料内部的空隙组成。这些空隙可以发现i）在一个打印层（内部孔隙）中，ii）在相邻打印层之间，和/或iii）在打印层表面（表面孔隙）。因此，对于打印过程中的每一层，内孔在层中，表面孔在层上。此外，在打印过程中固化后在每层中产生的表面孔隙影响样品的后续打印质量。

AM过程中，每个打印层上可能会出现不需要的表面孔隙，这对后续打印层有一定影响。如果在每一层打印后出现许多表面孔隙，打印的样品将具有较差的表面粗糙度和降低的机械性能。因此，在打印过程中，检测固化后各层的表面气孔具有重要意义。

近年来，已经开发了多种方法用于AM过程的在线检查。介绍了原位X射线成像技术和X射线衍射技术，以前所未有的时间和空间分辨率观察选择性激光熔化过程。这些已经被用来观察激光焊接过程中的动态熔池行为，以及静态激光诱导熔池中小孔孔隙的形成和演变。

激光束穿过光纤后的强度分布轮廓，作为径向坐标和横截面图的函数。

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，例如用高速摄像机记录打印过程。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。

此外，红外摄像机在获取打印信息方面比可见光摄像机更直观，可以监测瞬态热响应并记录制造过程中的温度分布。将采集速度为50 Hz的红外图像采集设备放置在粉床上方约30°处，以检测打印过程中的不稳定行为。然而，红外热像仪可能无法反映实际温度。实际温度受视野的辐射温度、发射度、透射率和大气透射率的影响。因此，一些研究人员利用现有的辐射温度特征提取有用信息，并获得红外图像中熔点的辐射温度或熔池周围的温度梯度分布，以确定熔池的边界。此外，通过使用熔体池中的平均温度校准红外摄像机，可以获得更精确的温度。然而，它无法解决发射率的不确定性问题。

从横截面图像中提取孔隙度的图像处理程序。

在本研究中，设计了一个带有单摄像机的熔池在线温度测量系统，并将其集成到透镜打印设备中，研究了熔池测温和边界提取技术。根据制造过程中测量的熔池温度和边界的特点，提出了一种基于熔池温度场相似性的缺陷检测方法TDSD。在TDSD方法中，首先发展了参考图像的构造方法，然后提出了“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。该方法可以准确检测实验中获得的熔池温度场中的异常，尤其是每个打印层上的表面缺陷。此外，该方法可以将温度场异常与缺陷关联起来，这对制造质量的反馈具有重要意义。

2、方法

提出的TDSD方法主要基于熔池中温度场分布的相似性来检测缺陷。研究表明，缺陷导致异常温度场，从而导致缺陷和正常熔池温度场之间的差异。通过获得与本研究中TDSD方法的相似性，定量计算差异；然后，可以使用相似度来判断缺陷。

TDSD方法包括（1）构建参考图像，（2）提取和匹配熔池边界，（3）计算相似度并选择判断阈值，以及（4）构建打印质量数据库。

图1是执行过程的TDSD方法的流程图。

图1 TDSD方法中的缺陷检测流程图。

2.1. 参考温度结构

在之前的研究中，根据开发和优化的单摄像机双波长测温系统和方法，可以获得具有高时空分辨率的熔池温度场图像。图像通过校准调整到实际情况。在本研究中，基于之前的研究，通过保持图像纵向不变并将水平方向拉伸到原始长度的1.4倍，获得了图像校正方法。对下文显示的熔池温度场图像进行了校正。

对于透镜技术，当打印工艺参数、打印路径和粉末参数确定时，粉末材料熔化过程中熔池表面的理想温度场是一个相对稳定的二维近似高斯分布。然而，在实际的打印过程中，激光并不稳定，其能量密度分布可能会发生变化，导致熔池中峰值温度区域的波动。此外，还有不确定因素，如金属粉末或飞溅物的不规则移动，因此，熔池的温度场分布在一定范围内不同。因此，不可能直接选择熔体池中某一时刻的温度场作为参考图像。为了克服这一问题，在本研究中，在一定的打印条件P（激光功率、送粉速率和打印速度固定）和打印方向D下，使用不同时间t的众多温度场进行平均处理，以增强稳定的近高斯分布特性，并削弱由各种不稳定因素引起的波动。

基于图2，可以观察到稳定的近高斯分布的比例可以进一步加强，并且可以显著减弱由引起的影响。

图2 构建了打印实验下的参考温度场。

2.2. 边界提取和匹配

为了直观地比较和检测特定时间下每个熔池的温度场与参考温度场之间的差异，必须首先在位置上进行准确的对应。因此，提出了一种边界提取和匹配方法。

在理想条件下，使用同步检测过程在观察区域内固定熔池的坐标位置。因此，如果在相同条件下同步获得参考温度场和被测熔体池，则可以直接计算相似性和缺陷判断。为了使TDSD方法更加通用和准确，有必要精确匹配熔体池的边界，这可以使用以下技术实现：在提取参考边界和检测到的温度场后，选择左、右、上、下边界的最外层作为四个边界极值点，如图3所示。

图3 （a）待测铬镍铁合金625熔池的温度场（b）温度边界和极值点。

四点Ek（k = 1,2,3,4）表示边界极值点，如图4所示。绿色矩形区域表示检测区域的示意图范围。因此，根据相应边界极值点的相对距离的平均值形成匹配向量。根据图4，将参考温度场匹配到与待检测温度场相同的坐标。

图4 （a）匹配向量D⇀; （b）参考温度场和待检测温度场的边界匹配。

2.3. 相似度计算与判断阈值选择

为了准确评估打印质量并检测熔体池中温度场分布的异常，根据检测到的相对参考温度分布计算相似度。参考标准化协方差相关函数，计算待检测熔体池与边界匹配后参考温度场之间的温度分布协方差，并记录为相似性。

2.4. 打印质量数据库的构建

在打印过程中，根据上述方法计算收集的熔池的一系列相似性。

在打印和测量过程中，可以根据打印路径和速度定位熔池的空间位置，数据库记录熔池的当前质量。也就是说，在质量数据库的每个点上记录熔池的时间或位置以及温度检测（正常/异常）的评估结果。通过逐点汇总信息，构建了打印零件熔池质量的三维信息数据库，可用于打印过程的质量管理和异常信息的快速定位。

3、实验

3.1. 在线熔池检测系统

利用单摄像机比色测温技术，开发了熔池温度场在线测温系统，该系统可以同步实现熔池温度场。在线温度测量系统（如图5所示）包括双通道滤波装置、长焦距显微透镜和CMOS相机。双通道频谱滤波装置是独立设计和组装的，可以提取和传输双频信号（790 ± 10 nm和900 ± 10 nm）。长焦距显微透镜用于熔池图像的显微放大。

图5 （a）双通道滤波装置的光路；（b）在线温度测量系统的组件。

在该系统中，设计了单摄像机和双通道温度测量光路来同步获取熔体池的图像，并根据比色温度测量原理计算温度场分布。

在线温度测量系统可以随着打印头的移动同时测量熔体池中的温度场，如图6所示。经过现场组装研究，选择底座和转换板进行固定，如图7所示，可以稳定维护在线测温系统。根据打印速度，采样频率优化为每秒125帧（FPS）。

开发的在线温度测量系统通过铝合金底座模具集成到透镜打印设备的机械臂中。

图6 在线温度测量系统与透镜系统集成的示意图。

图7 底座和转换板的装配位。

视野设置为25 × 25 mm2，空间分辨率为16.7 µm/像素。为了适应透镜工艺的打印和集成条件，并确保可以在无盖的情况下观察熔池，将熔池辐射在光路中的入射方向设置为与打印激光器的出口方向成45°。这样的布置可以使检测系统与打印头平行，节省工作空间。

3.2 实验条件和人工孔隙缺陷

本实验中使用的金属粉末为Inconel 625合金材料，熔点为1290–1350 °C。铬镍铁合金625粉末的直径范围为50–150 µm。在打印过程中，光纤激光器的波长为1064 nm，扫描速度为18 选择了适合打印设备和粉末的最佳打印参数，激光头底部到打印平面的距离为12 毫米，激光聚焦在打印平面上的光斑直径约为3.50 毫米，激光功率设置为2400 W的恒定功率。为了验证熔池缺陷在线检测方法的可行性，通过激光蚀刻设计并制造了人工孔隙缺陷。设计人工孔隙缺陷以模拟表面孔隙，如图8所示，并在线监测打印过程。

图8 人工气孔缺陷：（a）打印前（b）打印后。

4、结果与讨论

使用上述方法，在线测量了含有人工缺陷的透镜打印过程中熔池中的温度场，并分析了熔池轮廓、温度场异常以及温度场与缺陷之间的相关性。

4.1. 含缺陷温度场的演化

上述多孔性缺陷基板的打印实验对熔池进行了在线检测和分析。图9显示了三个缺陷(200 μ m和100 μ m)在不同间距接触过程中不同时间熔池的温度场分布与演化。随着熔池沿打印方向的运动，温度场有规律地运动。可以看出熔池各时刻的温度场边界近似为椭圆且稳定。每个熔池宽度范围约为4.0-4.5 mm，长度范围约为6.5-7 mm。根据温度分布的分析，在一定的时间范围内，每个椭圆区域都存在一个异常高温区域。

图9 有缺陷时熔池温度场的演变：（a）200 µm；（b） 100 µm

4.2. 异常分析和类型确定

4.2.1. 缺陷处温度异常

以图9(b)演变为例，在t = 592-688 ms时，熔池覆盖区域出现异常高温区域。根据TDSD方法，计算图9(b)中熔池的相似度，选取异常阈值Thr (P)为150。大于150处为异常，用红色棱镜表示，如图10所示，用椭圆线表示同一缺陷引起的异常。因此，根据图9和图10,TDSD方法可以检测出缺陷。

图10 图9（b）中熔池温度的相似性检测。

此外，从图9、图10可以看出，缺陷引起的异常位于高温区域，即缺陷处的热导率降低，发射率增加。进一步分析了异常类型。使用TDSD方法检测异常后，提取异常的中心位置。如果在某个阶段中心位置相同，则异常的原因可归因于缺陷。

单线打印200 μ m缺陷的测试结果验证了缺陷引起的异常特征。图11 (a)为尺寸为200 μ m的人为孔隙缺陷。(b)为检测结果中缺陷①和④时刻的温度场。(c)为固定坐标异常区域提取位置。图(a)和(c)的缺陷具有相同的空间周期位置，图(b)的时间在异常发生的时间内，如图(c)所示。

图11 人工孔隙缺陷的定位结果。

4.2.2. 早期异常反应

另外，在图9(a)中，t = 384 ms时，可以看到在熔池温度场的前端出现了一个与熔池面积不相连的异常点。在随后的400 ms和408 ms内，根据打印速度和路径，熔池内温度场应不接触异常点。然而，有一个用黄色箭头标记的“连接”。这种情况也发生在200 μ m缺陷的打印过程中(图9(b))，从t = 552-568 ms开始出现并存在“连接”的情况。当这种异常点被温度场覆盖时，就成为高温区域。

4.2

.3

. 喷溅温度

异常

如图9(b)所示，在t = 648 ms到t = 672 ms时，熔池出现一个或多个突然出现又消失的异常，用蓝色箭头标记，这与缺陷的特征不符。能量输入和熔池的不稳定可能引起飞溅。因此，突然出现且仅在某一时刻存在的异常被认为是飞溅。

进一步计算单行打印过程中每时每刻的飞溅数，如图12所示，其中演变过程如图9(a)所示。通过比较飞溅点坐标与熔池温度场的关系，将飞溅点分为上下两部分。A、B溅射次数为1次，与图9(A)中t = 368 ms、t = 488 ms时的异常情况相同。

图12 在打印过程缺陷中检测到的飞溅数量。

4.3. 检测覆盖的位置优化

图13显示了具有400 µm打印过程中的孔隙缺陷。第一区域A是前加热区域，第二区域B是高温峰值区域，第三区域C是冷却区域，如图13所示。此外，由于激光中心能量密度的波动，在该系统中，能量较大区域的温度测量超出了摄像机的接收范围；然而，激光中心位置基本固定，因此不影响检测。

图13熔体池中温度场的特征。

此外，由于打印过程中的蓄热效应，冷却区域C的形状在不同时间、打印速度和建筑高度下将不一致。上述因素引起的温度场分布变化影响TDSD方法检测缺陷异常的准确性。

此外，由于打印激光并非始终处于理想的输出状态，因此在实际打印过程中，熔池的高温峰值区域不可避免地波动。

对于本实验，如图13所示，异常温度区域、整个熔体池和熔体池中温度场的前部加热区域的平均温度计算为2350.9 ℃, 1775.1 ℃和1597.9 ℃。对于整个熔池和前加热区域作为检测覆盖范围，异常温度灵敏度分别为0.3244和0.4712。可以得出结论，异常温度敏感性增加到145%，这反映了TDSD方法异常判断能力的提高。因此，位置优化后的TDSD方法可以进一步提取异常特征并进行定量检测。

4.4. 异常区域的大小

可以看出，宽度为250 μ m的异常区域的尺寸比缺陷的尺寸大。即熔池内的温度场放大了较小缺陷造成的影响，可用于准确识别缺陷。

图14为打印过程中气孔缺陷为25 μ m的熔池温度场，左侧以黑线标示异常区域放大图。

图14 25 μ m缺陷导致熔池温度场异常。

图15中25 μ m缺陷引起的异常面积小于图9中200 μ m和100 μ m的异常面积。可以看出，异常面积与缺损直径之间存在一定的关系。

图15给出了气孔缺陷为25 μ m时熔体熔池接触过程中的温度场分布及演化。

图15缺陷为25 μ m时熔池温度场的演变。

4.5. 异常区域与缺陷直径的相关性

由检测到的不同直径缺陷覆盖的温度场减去参考温度场，计算出残余温度分布，如图16所示。可以看出，当缺陷小于200µm时，异常区域反映了整个缺陷的影响。但当缺陷大于200 μ m时，熔池逐渐修复并覆盖缺陷，异常区域反映未修复的缺陷。

图16不同直径缺陷时推进区温度场的残余分布。

区域选择后，TDSD方法计算出的相似度值随着不同直径缺陷的变化而变化，如图17所示。相似度的变化与图16中异常区域的相似度变化一致。即缺陷直径越大，相似度越大。

图17 不同孔隙缺陷尺寸引起的相似性变化曲线。

4.6. 缺陷位置检测

根据所提出的基于熔池温度场相似度的缺陷检测方法，建立了熔池质量数据库。以直径为0.40 mm的多孔性缺陷打印质量数据库为例，从单行打印过程中提取质量数据。

人工气孔缺陷(打印前)和单线打印件(打印后)结构如图18所示。整体打印长度为22 mm，覆盖四个间距为2.03 mm的气孔缺陷。

图18人工制备多孔性缺陷(打印前)和单行打印。

图19(a)所示为该结构的时间质量数据库(图18)，打印时间为150 ~ 800 ms，采样间隔为8 ms。在检测到异常后，根据4.2.1节所述的其中心位置，识别出气孔缺陷，如图19(b)所示。

图19 图18中的质量数据库和气孔缺陷检测。

结合目前18 mm/s的打印速度，可以计算出缺陷间距为2.02 mm、2.16 mm、2.30 mm。因此，平均相对定位误差为6.4%，误差的来源可能是缺陷的早期温度响应引起的。验证了该方法的可行性和准确性。

从图19的质量数据库和气孔缺陷检测中可以看出，气孔缺陷在熔池中产生异常的不同时间分别为256 ms、368 ms、488 ms和616 ms，计算出相邻异常的时间间隔分别为112 ms、120 ms和128 ms。

4.7. 限制和前景

相似度是缺陷识别的主要计算参数。因此，对于其他使用热能的AM过程，可以使用TDSD方法计算温度场相似度是否在常规范围内。值得注意的是，对于不同的打印工艺，检测系统的设计需要考虑集成方法的适用性。

本研究分析了TDSD缺陷检测方法的准确性，以及熔池在接触和填充缺陷时熔池的异常行为。

进一步的工作是发现不同类型缺陷引起的熔池异常的差异，从而提高检测能力。考虑到尺寸较大的缺陷会对熔池温度场造成较大程度的异常，该方法还能够识别毫米级缺陷。对于传统的直接能量沉积（DED）制造方法，在水平面上进行逐层累积打印，这与本研究中的实验条件相同。然而，在倾斜或多角度平面的打印中，熔池温度场的分布特征会发生变化。一种适应性更强（但精度较低）的算法可以用作TDSD方法中的相似性计算方法。在实际打印情况下，由于更多因素，TDSD方法对熔池质量的检测精度将降低。

该研究证明了该方法和系统对表面孔隙的检测能力。

（a）不同缺陷类型周围的温度场（单位：K）；（b）根据激光功率为450 W时的黑体发射光谱确定的步长（上排第三个图像）的平均温度。相应地，蓝线和红线是来自表面元素和黑体拟合函数的光谱之和。

5、结论

TDSD方法基于熔池（或前加热区）温度场的相似性，实现了透镜打印过程中熔池质量的在线检测。根据TDSD方法，可以通过整个打印过程中熔体池的同时评估结果建立质量数据库，从而为反馈修复和后续检测提供打印质量评估和缺陷位置。

在本研究中，将一个带有单个摄像机的熔池在线温度测量系统集成到透镜打印设备中，并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。

同时，通过优化位置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。

与传统的单点检测方法（如光强检测）相比，TDSD方法充分利用了熔体池中温度场的空间分布和时间演化。

对不同尺寸的人工气孔缺陷的打印实验表明：（1）熔体池在线温度测量系统可以获得高时空分辨率的温度场分布。在本实验中，可以获得并发现温度场异常的演变，并将异常特征区分为孔隙缺陷和飞溅。也就是说，缺陷引起的异常相对于熔体池中移动的温度场的位置是固定的，而飞溅引起的异常是改变的。（2） TDSD方法对孔隙度缺陷引起的异常具有很高的识别能力，识别精度超过90%。

对异常特征的进一步分析表明：（1）在熔池温度场前方，缺陷处的低导热系数延迟了散热，缺陷处的蓄热明显高于相邻正常区域。（2）根据蓄热效应，在熔池接触并逐渐填充缺陷期间，仍然存在高温异常。此外，通过选择前部加热区域作为检测覆盖范围，可以减弱高温峰值的影响，将异常温度灵敏度提高到146%。

最后，根据上述特征，可以识别孔隙缺陷的位置，验证了检测与熔池直接接触的表面孔隙的能力，在水平基板的情况下，相对位置误差约为6.4%。结果表明，TDSD方法不仅可以检测缺陷，而且可以提供高精度的缺陷位置信息。

本研究为增材制造打印过程的质量监控提供了一种有前途的在线测量方法。

来源：Online defect detection method and system based on similarity of the temperature field in the melt pool, Additive Manufacturing, doi.org/10.1016/j.addma.2022.102760

参考文献：3D spatial reconstruction of thermal characteristics in directed energy deposition through optical thermal imaging, J. Mater. Process. Technol., 2015 (221) (2015), pp. 172-186