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。

在基于激光的金属处理中,众所周知的事实是,可以实时分析过程中的光学和声学发射并与最终部件质量相关。1,2,3这种方法具有显着的价值,因为在生产过程中产生的孔隙,裂缝或其他不均匀性的发生极大地影响了机械性能并增加了缺陷组分的风险。因此,对警告过程信号的直接反应可以减少废料并节省时间。

如今,广泛用于监测基于激光的AM过程的光学系统,例如高速摄像机,高速摄像机,IR型摄像机和光电二极管。4.尽管它们对激光 - 金属相互作用区产生了重要的洞察,但它们对激光关闭后发生的相关方面是视而不见的,例如,它们是如此。由于热应力而破裂。

结构传播的声学传感器系统最近可商购,例如在粉末床融合(PBF)过程中。5.然而,当涉及激光金属沉积(LMD)或线弧添加剂制造(WAAM)等过程时,结构传播的声音探测器受到挑战,其中结构结合的信号路径发生变化或甚至可以在整个构建时中断。在这种情况下,固定距离空气耦合声学传感器提供了能力的解决方案。

一种新的超声检查技术

与传统膜或压电的声学传感器相比,XARION激光声学的宽带光学麦克风通过干涉测量法工作。其动态检测原理依赖于声波导致坐在图1A所示的传感器头顶的2mm干涉仪腔内的空气中的空气折射率的变化。这导致激光波长的小变化,其在腔内来回含有和反射。波长的微小偏差导致干涉的变化,因此光强度从腔回来。然后通过外部光电二极管测量强度的变化。

这种声学换挡方法 - 完全没有可移动元件的工作 - 在麦克风市场上提供最广泛的频率范围,超过最新技术。由于背景噪音,例如,自从背景噪声。从附近的机器,通常限于较低的频率(<100 kHz),光学麦克风从10 Hz最高可达1 MHz的范围都可以在有价值的过程信号和不需要的噪声之间清晰的光谱分离。该频率响应的上界部分由介质本身部分预先确定,因为空气阻尼的吸收非常强烈地传播声音。例如,空气中的声学2-MHz信号的衰减为640dB / m。6.

在下列情况下,讨论了若干申请。在所有设置中,传感器的模拟电气输出被馈送到高速数据采集和分析系统中,该系统执行实时FFT计算和空气载流量排放的光谱显示。

激光金属沉积(LMD)

图2. LMD过程中的典型测量距离(2A)。超声信号在350 kHz-1MHz的范围内,与20min建筑工程(2B)期间和之后的裂缝相关联。

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.光学麦克风捕获的PBF过程(端序)的典型声学3D谱图。高超声制度缺乏混响,可以卓越地解决过程事件。金博宝app下载金

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.与A)熔融碎片相关的短期,宽带声异常的两个例子,B)在PBF过程中裂解。

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)

可以应用于LMD中的类似设置,适用于WAAM过程(图5)。声学信号的签名强烈不同,即使它也宽带高达600 kHz。主要现象是液滴形成循环(大约每10毫秒出现的区块),与电弧调制率(此处:80 kHz)和宽带过程发射有关的音调信号,与金属蒸发有关。

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。

该过程的两个最关键的参数是弧和形成周期的稳定性。为了监视前者,可以将窄带通道滤波器应用于调制频率及其更高的谐波,并且对于后者,可以对高通滤波时间信号执行FFT分析,以便计算相对较慢的液滴速率没有背景噪音。

结论

通过用于最高超声频率的无膜,宽带麦克风的可用性,现在可以利用先前无法访问的信息,并利用实时监测声学过程现象。未来的发展涉及三角测量的应用,以便可以本地化声音起源,以进一步促进运营商,工艺工程师和机器制造商以发现潜在的缺陷。此外,包括借助于声学数据流的板载AI方法,并促进技术推进,朝向更复杂的工业监测应用,是针对性的。

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

  1. D. F. Farson和K. R. Kim:激光焊接羽毛中的光学和声学发射,应用物理85,1329(1999);
  2. M. Bastuck等:Überwachungundqualitätssicherungslaserschweißprozessesulthochfesterkarosseriestähledurch oneytherte zfpverfahren,dgzfp-jahrestagung - mi.2.a.4(2013);
  3. J Shao和Y Yan:综述在线监测和激光焊接检查的技术,物理杂志:会议系列15,101-107(2005)
  4. S. Everton等:审查金属制造制造业原位流程监测及原位计量,材料和设计95(2016)0431-445
  5. Anas Essop,3D印刷业,2019年12月10日,2020年6月26日访问。
  6. M.低音,大气吸收声音,JASA(1990)
  7. Camilo Prieto等:通过光学麦克风进行原位过程监测,用于激光金属沉积应用中的裂纹检测,来自Aimen技术中心的测量数据(西班牙),车道会议,工业纸条进入(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受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用Javascript来查看它。或者访问这里


Photonics&Imaging Technology杂志

本文首先出现在9月,2021年问题光子和成像技术杂志。

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