[发明专利]一种电弧增材成形金属构件内部缺陷在线监测装置及方法

说明书

本发明公开了一种电弧增材成形金属构件内部缺陷在线监测装置及方法，包括电弧增材成形系统、信号采集系统和信号处理系统，电弧增材成形系统用以实现金属构件的3D打印，信号采集系统与电弧增材系统相连，用以获取金属构件打印过程中的声发射信号，信号处理系统与信号采集系统相连，用以提取特征参数和建立机器学习模型。本发明通过调整电弧增材成形系统打印参数构造具有不同缺陷类型或水平的金属构件，信号采集系统采集打印过程中相应的声发射信号，利用信号处理系统提取特征参数并通过机器学习模型构建缺陷判别模型；缺陷判别模型对打印过程中的未知信号进行缺陷判别和分类，实现电弧增材成形金属构件内部缺陷的在线监测。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种电弧增材成形金属构件内部缺陷在线监测装置及方法。

背景技术

电弧增材属于增材制造技术中的一种，具有成形效率高，材料成本低等优点，非常生产适合大尺寸零件。但是，因其大电弧、大熔池的特点，导致输出热量高、温度不均匀、熔池不稳定，进入容易产生各种外部和内部缺陷，如翘边、断层、孔洞、裂纹等。开展电弧增材过程成形缺陷的在线监检测对于保证成形质量具有重要意义。

目前，电弧增材成形过程产生的如翘边、断层等外部缺陷在线监测相对容易，而如孔洞、裂纹等内部缺陷则难以被在线监检测。声发射是指构件在受到外力或内力作用产生变形或者断裂时，构件材料局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的现象。声发射技术可以在线监测裂纹萌生与扩展、孔洞形成等，使得电弧增材成形过程中内部和动态缺陷的在线监测成为可能。目前，声发射技术在电弧增材在线监测方面有少量应用，如专利号为201710095553.3的发明专利《一种基于声发射信号检测与评估电弧三维快速成形制造过程稳定性的方法》和专利号为201710095559.0的发明专利《一种基于电弧声发射信号传感监测电弧弧长的方法》，然而他们使用声发射技术监测的是电弧增材成形过程稳定性和电弧弧长，使用声发射技术在线监测电弧增材成形工件的气孔、裂纹等内部缺陷尚未涉及。究其原因，在于存在以下问题：（1）打印过程中基板近成形区域温度可高达200℃以上，合适的声发射探头难以直接贴于基板；（2）声发射信号复杂，多数研究只分析常规特征参数，用单一参数的变化来表征打印过程缺陷，这会对判别结果造成影响，且无法实现自动化在线监测。

发明内容

本发明的目的是建立一套基于声发射技术的电弧增材成形过程内部缺陷监测装置，并提出一种耦合多种声发射特征参数的机器学习模型，解决当前电弧增材成形过程内部缺陷在线监测难的问题，实现电弧增材成形构件内部缺陷高精度在线监测。

本发明采用的技术方案为：

一种电弧增材成形金属构件内部缺陷在线监测装置，包括电弧增材成形系统、信号采集系统和信号处理系统；所述电弧增材成形系统用于实现金属构件的3D打印；所述电弧增材成形系统与所述信号采集系统相连；所述信号采集系统用于获取打印过程中的声发射信号；所述信号处理系统用于提取特征参数、建立机器学习分类模型并对未知信号进行判别；

所述电弧增材成形系统包括机械臂、控制主机、金属丝圈及其电力驱动装置、焊丝挤压装置、水冷氩弧焊枪、抽油烟机、空气净化器、水箱和氩气保护装置；所述水冷氩弧焊枪装配在机械臂尖端；所述金属丝圈及其电力驱动装置通过焊丝挤压装置沿着机械臂运送焊丝至水冷氩弧焊枪处；所述水箱遍布电弧增材系统各部，以降低打印过程中各部件温度；所述抽油烟机和所述空气净化器位于成形工作台边，以吸收有害气体；所述机械臂、所述水冷氩弧焊枪、所述金属丝圈及其电力驱动装置、所述抽油烟机和所述空气净化器受控制主机统一调配；所述氩气保护装置通向成形工作台；

所述信号采集系统包括波导杆、声发射探头、前置放大器和信号采集卡；所述波导杆一侧通过夹具固定在基板上，所述声发射探头通过凡士林耦合于波导杆另一侧，所述声发射探头的输出端通过同轴电缆与前置放大器输入端相连接，所述前置放大器输出端通过同轴电缆与信号采集卡输入端相连接，所述信号采集卡输出端与信号处理系统相连接；