[发明专利]基于SVR的激光直接金属沉积过程元素浓度实时监控方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于等离子光谱定量分析领域，特别涉及一种基于SVR的激光直接金属沉积过程元素浓度实时监控方法及装置。

背景技术

自从激光被发明后，利用激光诱导等离子体光学发射光谱分析法已经被广泛地应用和研究。其基本原理是激光使材料汽化，汽化的材料进一步接收激光能量激发为等离子体态并辐射出光谱，然后通过对等离子体发射光谱进行分析，从而间接得到材料的成分信息或者其它定性的信息。其中激光诱导等离子体击穿光谱法(LIBS)应用的最为广泛，其原理是将高能脉冲激光束聚焦到材料表面，使材料表面的部分材料汽化并激发出等离子体以及辐射光谱，利用该光谱可用于分析物质的元素组成。然而在激光材料加工过程中，等离子体通常是自发产生的副产品，而不是像LIBS中用高能激光作为激发源诱导产生等离子体，因此在整个激光加工过程中都会有等离子体存在，因此可以通过对等离子体光谱的实时分析而实现对加工过程的实时控制。比如在激光焊接过程中，激光诱导等离子体已经用于成分损失和焊接质量监控。

激光直接金属沉积是激光材料加工的一种，其原理是利用远低于LIBS能量的激光束熔化同轴送出的金属粉末，再通过定位装置将熔化的粉末通过点到线、线到面、面到体的运行过程使零件成型。因此，在利用该方法加工加工成分梯度材料时，只需要通过实时调整不同送粉器的送粉速率就可以方便快捷的连续加工成分梯度材料。然而，该方法的主要缺陷在于由于激光加工过程中产生的高温会使部分金属元素汽化挥发，以及由于送粉器自身送粉率的波动，而使得沉积层的成分浓度总是会偏离于理想的浓度，因此最终就会导致工件服役性能的偏差甚至是性能失效。因此，对激光直接金属沉积加工过程进行成分的实时探测就变得尤为重要。

目前，光谱定量分析方法中运用的最为广泛的是标定曲线法，通过利用谱线相对强度，或者不同元素的谱线强度比，或者等离子体温度来获得标定曲线，当得到标定曲线后，通过计算谱线强度比并且与定标曲线对应就可以得到与之相对应的成分浓度。然而由于该方法与成分关联的光谱信号只有谱线强度比一种，再加上谱线自吸收效应和基体效应对信号的影响，系统的鲁棒性相对就会变差。

发明内容

本发明提供了一种基于SVR的激光直接金属沉积过程元素浓度实时监控方法及装置，用以解决现有技术中激光直接金属沉积过程中元素浓度实时定量探测不准和控制较难的问题。

一种基于SVR的激光直接金属沉积过程元素浓度实时监控方法，包括以下步骤：

步骤1：在激光直接金属沉积中，利用与基板处于同一水平面的探头通过光纤逆向打出的光斑，使得光斑与沉积层保持相切；

步骤2：提取特征光谱信号；

从利用光谱仪获取的激光直接金属沉积过程中的光谱信号中，按照以下准则提取材料中待分析元素A和B的两组特征光谱信号I_A1，I_A2，I_B1，I_B2，并计算获得元素特征谱线的相对强度比I_A1/I_B1，I_A1/I_B2，I_A2/I_B1，I_A2/I_B2，以及每个特征光谱信号的积分强度I_inte：

1)按照材料待分析元素的两组特征光谱线在所选波长范围中呈正态分布且互不重叠；

2)材料待分析元素在对应波长下的特征光谱线为一级原子激发谱，并且谱线的精度级别至少为B级；

所述每个谱线信号的积分强度I_inte，即在所选择的波长范围内光谱强度信号对横坐标波长的积分；

步骤3：获取预测模型训练数据；

利用元素成分已标识的材料按照元素的原子百分比依次按照设定的浓度梯度从0at.％到100at.％，按照步骤1所述的方法进行激光直接金属沉积，利用光谱仪获取激光直接金属沉积过程中的光谱信号，并按照步骤2提取特征光谱信号；

步骤4：采用SVR算法构建预测模型；

利用步骤3中获得的元素成分已标识的材料的特征光谱信号x_i和成分标识结果y_i作为训练数据，训练材料元素成分预测模型g(x_i)；