近年来,加利品制造业(AM)技术在行业中看到了显着的采用。作为数字化和按需制造的换档,面对生产网站的完全自动化操作线,可靠的过程监控方法变得越来越重要。

在基于激光的金属加工中,众所周知的事实是,在加工过程中的光和声发射可以实时分析并与最终的零件质量相关。1,2,3这种方法具有重要的价值,因为在生产过程中产生的孔隙、裂缝或其他不均匀性极大地影响了机械性能,并增加了缺陷部件的风险。对报警过程信号的即时反应可以减少废料和节省时间。

如今,光学系统如高温计、高速摄像机、红外摄像机和光电二极管被广泛用于监测基于激光的调幅过程,无论是在学术上还是在工业上。4.尽管它们对激光与金属的相互作用区有重要的了解,但它们对激光关闭后发生的相关问题(如热应力导致的开裂)却一无所知。

结构声学传感器系统最近已经商业化,例如在粉末床聚变(PBF)过程中。5.然而,当涉及到激光金属沉积(LMD)或线弧增材制造(WAAM)等工艺时,结构承载的声音探测器受到了挑战,在这些工艺中,结构限制的信号路径会发生变化,甚至可能在整个构建时间内被中断。在这种情况下,固定距离空气耦合声波传感器提供了一个有效的解决方案。

一种新的超声检查技术

与传统的薄膜或压电声学传感器不同,XARION激光声学的宽带光学麦克风是通过干涉测量的方式工作的。其动力学探测原理依赖于声波引起位于传感器头部顶部的2mm干涉仪腔内空气折射率的变化,如图1a所示。这导致激光的波长发生微小的变化,在腔内包含并来回反射。波长的微小偏差引起干涉的变化,因此,光强从腔返回。然后用一个外部光电二极管测量强度的变化。

这种完全不需要移动元件的声学转换方法提供了麦克风市场上最广泛的频率范围,比目前的先进技术高出10倍。由于背景噪音,例如来自附近机器的噪音,通常被限制在较低的频率(<100 kHz),光学麦克风的范围从10赫兹到1兆赫,可以在有价值的过程信号和不需要的噪声之间实现清晰的光谱分离。频率响应的上界部分是由介质本身决定的,因为空气的吸收非常强烈地抑制了声音的传播。例如,2mhz的声波信号在空气中的衰减约为640 dB/m。6.

在下列情况中,将讨论几个应用程序。在所有设置中,传感器的模拟电输出被输入高速数据采集和分析系统,该系统对机载过程排放进行实时FFT计算和光谱显示。

激光金属沉积(LMD)

图2。LMD过程中的典型测量距离(2a)。在20分钟的建造过程中和之后,与裂缝相关的350 kHz-1 MHz的超声波信号(2b)。

LMD过程中的常见问题是由于热应力而形成裂缝。这些裂缝可以在处理时间内发生,但之后也几分钟。基于机器人的LMD工艺,线或粉末馈送,允许保持恒定的测量距离。安装在机器人头部的空气耦合声学系统的优点是在激光后与激光材料相互作用以及材料行为分析信号的可能性。具有相应声学签名的测量设置的示例如图2所示。

由于裂缝信号倾向于频率宽带,可以应用高通滤波器以安全地检测和后工艺的裂缝发生而不会从生产噪声中干扰。在该设置中,应用了350kHz至1MHz的过滤器,其显示出与来自X射线成像和涡流测试的非破坏性测试方法的裂缝计数的最强相关性,如参考文献7进一步描述的。

粉床融合(PBF)

图3。由光传声器捕获的PBF过程(端序列)的典型声学三维谱图。在高超声系统中无混响使过程事件的高分辨率成为可能。

为了在PBF过程中拾取超声发射,光学麦克风位于构建室内,距离构建板约30厘米,如图1B所示。A typical acoustic process signature is depicted in Figure 3, which also demonstrates the advantage of high frequency ultrasound analysis, namely the absence of reverberation, which in the lower frequency regime can ‘smear’ the signal and, subsequently, the superior temporal resolution of process events.

图4。两个短期宽带声异常的例子与a)粉末床上的熔融碎片和b) PBF过程中的开裂有关。

与LMD设置相比,PBF采用镜像电流计将过程激光器引导穿过粉末床。该过程导致空气载体的距离和频率依赖性衰减,其遵循已知关系,因此如果同时跟踪激光坐标,则可以考虑。在许多情况下,也没有必要保持恒定的信号地面,例如,用于检测短期光谱异常。其中的两个例子如图4所示:图4A示出了源自激光通过在粉末上的熔融颗粒上的频谱图中的宽带峰值,图4B示出了3D谱图视图(上)和相应的裂缝信号。2D-能量曲线(下部)集成在200-600 kHz的频带上。

电线弧添加制造(WAAM)

类似于LMD的设置可以应用于WAAM过程(图5)。声音信号的特征差异很大,即使它也是宽带高达600 kHz。主要现象是液滴形成周期(大约每10毫秒出现不同的块),与电弧调制率(这里:80 kHz)有关的音调信号和与金属蒸发有关的宽带过程发射。

图5.光学麦克风在电线ARM过程(镶嵌)中的定位和200 ms过程部分的相应声学签名。

两个最关键的参数是电弧的稳定性和形成周期。为了监测前者,可以对调制频率及其高次谐波应用窄带通滤波器;对于后者,可以对高通滤波后的时间信号进行FFT分析,从而计算出相对较慢的无背景噪声的液滴率。

结论

通过最高超声波频率的无膜宽带麦克风的可用性,以前无法获取的信息现在可以利用并实时监测声学过程现象。未来的发展包括三角测量的应用,使声音的来源可以本地化,以进一步方便操作人员,工艺工程师和机器制造商发现潜在的缺陷。此外,机载人工智能方法有助于声学数据流,并促进技术向更复杂的工业监测应用的发展,这是目标。

承认

作者感谢Aimen Technology Center(西班牙)和达蒙东北(雷尼绍PLC)的支持。

参考文献

  1. d·f·法森和k·r·金:激光焊接羽流中光学和声发射的产生,应用物理85,1329(1999);
  2. M. Bastuck等人:Überwachung und Qualitätssicherung des Laserschweißprozesses ultrahochfester Karosseriestähle durch integrierte ZfPVerfahrenDGZfP-Jahrestagung - Mi.2.A.4(2013);
  3. J Shao和Y Yan:激光焊接在线监测与检测技术综述,物理学报:会议系列15,101-107 (2005)
  4. S. Everton等:金属增材制造的现场过程监测和现场计量回顾,材料和设计95(2016)0431-445
  5. Anas Essop,3 d印刷行业2020年6月26日。
  6. M.低音,大气吸收声音,JASA(1990)
  7. 卡米洛·普列托等人:激光金属沉积应用中裂纹检测的光学传声器现场过程监测,AIMEN技术中心(西班牙)提供的测量数据, LANE Conference, industrial paper entry (2020)

本文是由Martin Ursprung,应用工程师撰写的;托马斯海涅,研发负责人;Palthasar Fischer,CEO;Wolfgang Rohringer,开发工程师;和Ryan Sommerhuber,应用工程师,Xarion Laser Acoustics GmbH(维也纳,奥地利)。有关更多信息,请联系Sommerhuber先生此电子邮件地址正受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript才能查看它。,或者访问在这里


光子与成像技术杂志

本文首次发表于2021年9月号光子和成像技术杂志。

阅读更多的档案文章在这里