[发明专利]一种点对点式激光超声的PBF增材制造在线检测系统和方法

说明书

本发明公开了一种点对点式激光超声的PBF增材制造在线检测系统和方法，激光超声接收器与打印激光器共用打印激光振镜和透反镜并分时使用，其中透反镜将打印激光和接收激光合并至同一光路，打印和激光超声共用的激光振镜的光路轴线垂直于工作表面；激励激光振镜倾斜安装于打印激光振镜一侧，并使激励和接收的激光光路轴线汇聚于工作表面打印区域中心。本发明兼顾检测精度和检测效率，能够实现增材制造和在线检测协同工作，特别适合于PBF增材制造在线检测的应用需要。

技术领域

本发明涉及一种无损检测系统和方法，特别是涉及一种点对点式激光超声的PBF增材制造在线检测系统和检测方法。

背景技术

增材制造(AM)技术即通常我们所说的“3D打印技术”，该项技术基于离散-堆积原理，通过软件将三维零件分层，再将材料逐层累加实现制造实体零件的技术，通常可以分为PBF(Powder Bed Fusion)和DED(Directed Energy Deposition)两种主要的工艺类别。相对于传统的材料制造方法(减材制造)，增材制造具有材料利用率高、零件设计自由度高、可生产各种复杂结构的机械零件等特点而在汽车、航空航天、医疗、军工等各种工业制造领域得到广泛的应用。然而，由于长时间“逐点扫描/逐层堆积”往复循环的原理，气孔、裂纹、未熔合等工艺缺陷难以避免，危害着构件的质量。全球范围内增材制造过程质量监测手段的缺乏已成为制约该项技术发展和推广应用的重大瓶颈。

现有对增材制件的无损检测主要分为在线检测和离线检测两种。在增材制造结束后进行的离线检测技术相对成熟，但是因其离线特性使得制件中的深埋型和细小尺寸的缺陷无法检出。在线检测是在增材制造的过程中对成型零件进行即时检测的一种方法，能够及时发现缺陷，反映当前的打印质量，与反馈控制相结合时可以实现及时对增材工艺进行调整，消除缺陷和减少该类缺陷的继续出现。

发明内容

发明目的：本发明的目的之一是提供一种点对点式激光超声的PBF增材制造在线检测系统，能够实现增材制造和在线检测协同工作；本发明的目的之二是提供一种点对点式激光超声的PBF增材制造在线检测方法，能够同时保证检测效率和高精度。

技术方案：本发明的一种点对点式激光超声的PBF增材制造在线检测系统，包括激励激光器、激光超声接收器、光学系统、控制系统和数据处理系统，所述激光超声接收器与打印激光器共用打印激光振镜、透反镜，透反镜将打印激光和接收激光合并至同一光路并分时使用，使打印系统和检测系统交错进行，避免光开关动作；打印激光振镜的光路轴线垂直于工作表面；激励激光振镜倾斜安装于打印激光振镜一侧，并使激励和接收的激光光路轴线汇聚于工作表面打印区域中心，以保证激励激光与检测激光距离恒定的协同检测。

本发明的检测系统通过透反镜将打印激光和接收激光合并到同一光路分时使用，避免光开关动作并且光学部件能承受打印激光的高功率。激光超声接收器与打印激光器共用的振镜可记为打印/接收共享振镜，打印/接收共享振镜为光路轴线垂直工作表面，激励激光振镜为倾斜摆放，光路轴线与前者重合于工作表面打印区域中心。

现有的光学在线检测技术并不直接检测零件中的缺陷，其是在打印光路设置分支增加一个光学传感器，打印光激光作用到熔池，并反射的光线通过场镜、振镜后由透反镜进行分光，反射光经过光学传感器的光电转换和图像视频转换被计算机记录和处理，从而间接反映打印质量。

而本发明的在线检测系统中，激励激光器发射脉冲激光至检测表面以激励产生超声波，激光超声接收器发射探测激光并接收来自检测表面的反射光，通过光学干涉原理探测待测表面的振动，用于接收激光激励产生的表面波；控制系统控制激励和接收振镜使激励和接收激光准确投射到检测表面指定的位置，数据处理系统收集来自于激光超声接收器的超声检测数据并进行数据处理，从而获得检测结果。

所述激励激光器发射脉冲激光，激光脉冲宽度1～10nm，激光重复脉冲频率＜30kHz，单激光脉冲的能量为1mJ～2mJ；用于在检测表面激励产生超声波。