基于光谱分析的激光增材制造质量在线判别研究

发布时间：2020-08-14 16:22

【摘要】：在激光增材制造过程中,光致等离子体的辐射强度、温度及电子密度对入射激光能量的传输效率及增材的成形质量、组织性能都有很大影响,于此同时,增材过程中产生的成型缺陷,也与光致等离子体辐射强度的波动和变化相互对应,因此对光致等离子体进行分析具有重要意义。通过本文的研究,有助于理解激光增材制造过程光致等离子体形成机理及影响因素,为实现激光增材制造过程质量自动控制打下基础。本文从激光增材制造过程的质量控制出发,对出现在过程中的缺陷和成分变化进行判别。一方面,在316L不锈钢的激光定向能量沉积过程中,利用光谱诊断技术及辅助视觉传感技术,实现了对增材制造过程中缺陷的诊断。另一方面,在激光直接沉积制备功能梯度材料过程中,探究其增材制造工艺,同时通过光谱诊断技术实现了激光增材制造过程中成分变化的判别。首先,设计并进行316L不锈钢缺陷增材实验,采集、选取并分析光谱信息与增材缺陷间的对应关系,发现当增材过程由于参数波动或其他原因产生缺陷时,其对应的谱线相对辐射强度和等离子体温度会发生相对明显的变化或波动;另一方面,搭建辅助同轴视觉传感系统,基于熔池面积变化参量的分析,实现了对工艺参数发生较明显变化时增材缺陷的判别;进一步地,针对两种单一诊断方法中存在的不足,结合加权平均算法,实现了对单道多层增材制造实验中缺陷更加准确、稳定地诊断和监控。然后,对316L、AlSi10Mg粉末以不同梯度成分,进行了单道单层和单道多道层成型实验,理论分析了特征谱线强度、强度比对增材成分变化的预测原理,建立了光谱、梯度增材粉末成分及增材件实际成分含量之间的关系,验证了基于光谱信息对激光增材制造过程中成分变化分析的可行性。并且发现,增材成分由316L向AlSi10Mg过渡过程中,等离子体温度曲线呈先增后减趋势,峰值处于80%~90%316L之间;谱线强度比变化与增材制造过程中316L的质量分数变化间存在明显的对应关系。最后,进行了不同梯度间隔的316L/Inconel718功能梯度材料单道多层激光定向能量沉积实验,探究并优化了其增材制造工艺。同时,通过对等离子体温度、电子密度的计算,以及对不同FeI、NiI、NbI、CrI、TiI特征元素谱线的提取和相对强度比的计算,发现了光谱特征参量与Inconel 718质量分数间明显的相对关系。进一步,通过结合加权平均算法和BP神经网络算法,建立了多种谱线强度比融合信息与成分变化的量化关系,实现了对实际增材过程中成分变化更加准确的判别和预测。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG115.33
【图文】：

原理图,增材制造技术,金属零件,原理图

图 1-1 金属零件激光直接沉积增材制造技术原理图[14]及质量控制技术研究现状业和科学技术的发展，缺陷诊断和质量控制正日益受到重视。并且，对具有即时、在线监测，不损伤样品，无的研究和创新也在不断进行，在焊接、熔覆和增材制造。虽然大部分方法都已可以用于对成型材料的诊断及和生产效率的提升，对缺陷的在线即时诊断和质量控制在激光快速成型过程中，测量并采集了过程中的熔池参数对温度的不同影响，建立了熔池温度和数字图像间据处理，将送粉速度以及送粉焦点作为控制量，实现了制。张保森等[23]基于超声波衰减理论和当量法分析，对直径不同的预置通孔缺陷进行检测，实现了对熔覆层表明,缺陷位置不同时,缺陷尺寸与缺陷回波信号幅值

缺陷回波,模型预测,实验测量,慢度

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文计算获得了 Fe314 激光熔覆再制造涂层、45 钢基体两层介质中超声波探头辐射声场布特征，如图 1-2 所示。研究结果表明：材料的不同缺陷模型对入射声场的影响程材料的慢度值有关，声束的偏转方向由慢度面的法矢量决定，声束的聚焦、散焦行慢度面的曲率决定。

温度场分布,缺陷尺寸,预测图,熔池温度

波信号的模型预测与实验测量结果。(a)直径 6 mm 横量结果. (b)长度 10 mm 裂纹回波信号的模型预测与实验过测量并提取加工区域的熔池温度和几何特征熔覆层高度间的相关性，间接实现了对过程中量了加工过程中的熔池温度及其温度场分布，光快速成形过程的质量控制。Rometsch PA 等[2选择性激光熔融成型耐蚀镍基合金过程的射线率受试件中缺陷的影响，因此可以借助此相关

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