关键词：
激光增材制造
激光超声
表面缺陷检测
自适应阈值
邻波相关分析
摘要：
金属激光增材制造(LAM)技术近年来发展迅猛,凭借其材料利用率高、制造速度快以及易加工复杂形状样品的能力,在航空航天等高精尖领域得到了广泛应用。然而,由于金属LAM过程会经历快速反复熔凝,并涉及非平衡热动力过程,导致制造过程易出现孔隙、裂纹、未熔合等缺陷,大大降低了关键零部件的使役性能,使废品率增加,从而提高制件生产周期和成本,这极大阻碍了金属LAM技术的深入应用。金属LAM技术逐层搭建的特性为打印过程中无损在线监测提供了可能。其中激光超声检测技术,以其非接触性、高频带、适应恶劣环境以及可激发多种模态波形等优势,在LAM冶金缺陷的在线检测方面展现出较大的潜力。因此,基于激光超声技术对LAM过程冶金缺陷进行在线检测,是提高LAM关键零部件成形质量的重要途经之一,相关研究将有利于实现LAM成形过程中冶金缺陷的快速、准确、无损在线检测,大大提高航空航天等领域关键构件LAM产品可靠性,降低产品报废率,提高生产效率,具有极大的经济价值和社会效益。
针对激光超声在线检测过程中全矩阵数据采集所带来的庞大数据存储量,导致缺陷成像实时性受影响的问题,以及裂纹类缺陷检测时阴影区域较大带来的挑战,本文深入开展了金属LAM工艺中孔洞及裂纹类缺陷的激光超声在线检测及成像方法的研究。通过优化数据采集策略、提升数据处理效率以及改进成像算法,旨在提高缺陷成像的实时性和准确性。同时减小裂纹类缺陷检测时的阴影区,为金属LAM工艺的在线质量控制提供更为可靠的技术支持。
针对全矩阵数据采集存储量大带来的实时性问题,本文提出了一种基于变时窗强度映射及自适应2σ阈值降噪的激光超声检测方法。首先,对激光选区熔化(SLM)技术制造的Al Si10Mg合金进行了激光超声检测,并实时采集了超声信号。为了提升信号质量,采用了单点多次激励求平均以及经验模态分解(VMD)降噪算法对超声信号进行了降噪处理。随后,深入分析了表面波在遭遇缺陷时的传播路径以及幅值变化规律,观察到由于缺陷边界的反射作用,超声探测信号的幅值会显著降低。基于这一发现,进一步提出了变时窗强度映射成像方法,成功实现了SLM制造样品中孔洞缺陷的超声成像。为应对复杂环境下背景噪声和样品表面粗糙度带来的挑战,利用自适应2σ阈值降噪技术进行了有效的降噪处理,从而显著提高了缺陷检测的精度。最后,深入探讨了扫描步长以及激光光斑直径对缺陷尺寸检测精度的影响。实验表明,缺陷尺寸检测的精度与缺陷直径与扫描步长之比呈幂指数函数关系,对于高精度缺陷检测,扫描步长不应超过缺陷直径的十五分之一。同时,激光光斑直径显著影响表面孔缺陷的检测分辨率和精度,本文提出的检测方法可以检测到直径不小于激光光斑直径一半的孔缺陷,成像边缘清晰完整,检测精度超过85%。当缺陷直径小于激光光斑直径的一半时,会出现强烈的背景噪声,导致误检。
针对裂纹缺陷检测阴影区的问题,本文提出了一种基于邻波相关分析的裂纹缺陷检测成像方法。首先,分析了邻波相关分析方法的可行性,给出了皮尔逊相关系数与互相关系数两种相关分析方法的理论模型,并建立了缺陷特征提取算法。其次,分析了不同激励位置处激光超声A扫和B扫邻波信号特征,比较了两种相关分析方法在缺陷特征增强方面的有效性。最后,分析了扫描间距对成像精度和清晰度的影响,验证了该方法阈值成像的可行性,讨论了该方法对缺陷方向的敏感性。结果表明,利用缺陷边缘处邻波信号线性相关性显著低于无缺陷处邻波信号的相关性的特性,对相邻扫描点的超声波形进行皮尔逊相关分析,可以实现裂纹缺陷的超声成像显示。该方法不仅显著增强了缺陷边界特征,而且大幅减少了裂纹类缺陷检测中的阴影区。同时避免了强噪声环境下幅值检测不稳定性对缺陷检测精度的影响,且无需对超声波形的复杂模态进行分析,显著简化了缺陷信息的提取步骤,能够准确高效的表征缺陷的位置和边界信息,为缺陷检测与识别提供了更为便捷和高效的手段。
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