《Optics & Laser Technology》：Extraction and comparison of molten pool surface feature for the monitoring of laser intelligent manufacturing process
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本文构建了基于激光照明束镜面成像与高速摄像机的熔池表面实时监测系统，通过去模糊掩模图像增强和固定阈值分割提取熔池、键孔及镜面微区域面积，发现镜面微区域面积变化周期为0.5-0.6ms，并揭示其与激光功率的关联性，为熔池动态特性监测和工艺智能化提供新方法。
Jianglin Zou|Yao Zhuang|Xiao Zou|Baoqi Zhu|Shun Xie|Chao Fang|Tao Liu|Mingshuo Wu
北京工业大学物理与光电工程学院激光工程研究所，北京 100124，中国
摘要
过程监控是激光智能制造的关键方面之一。本文利用照明光束的镜像和快速帧相机构建了一个熔池表面（MPS）的视觉原位监控系统。通过结合未锐化的掩模图像增强算法和固定阈值图像分割技术，实现了对MPS、镜面微区和关键孔区域的提取。总镜面微区面积、关键孔开口以及MPS的变化趋势与激光功率相关。镜面微区面积的变化行为可以反映MPS的波动特性。只有总镜面微区面积的变化行为表现出规律的周期性，振荡周期约为0.5–0.6毫秒。通过原位观察MPS上总镜面微区面积的波动行为，有望获得激光熔化制造过程中前关键孔壁上激光光斑中心的周期性运动特征。
引言
激光熔化制造技术（焊接、增材制造、包层和重熔等）代表了当前国际革命性制造创新的前沿[1,2]。制造过程是一个包括固态、液态、气态和等离子态多相耦合的临时演变过程[3]。在激光熔化制造中，有两种常见的模式：热传导模式和深熔模式。一般认为，当作用在材料表面的激光功率密度达到10? W/cm2时，材料会发生剧烈表面蒸发，在金属蒸汽反冲力的作用下会形成“关键孔”。关键孔模式的激光制造效率更高，但其过程相对复杂。在复杂多相和热传递的耦合过程中，容易产生烟雾、飞溅物、凸起等缺陷，这些缺陷严重限制了该技术的发展。智能化浪潮正在重塑全球制造业格局，各个领域都在加速向智能化转型。通过整合感知、决策和控制技术，生产过程的效率、精度和自主性得到了提升[[4], [5], [6], [7]]。在这种背景下，智能化也成为激光熔化制造技术的发展趋势[8]。在智能激光熔化制造过程中，制造过程的质量监控是关键环节之一。熔池（MP）是激光熔化制造过程中一个直观的物理现象，也是获取制造过程监控信号的常用信息载体[9]。因此，精确获取MP的表面特性并基于提取的特征准确获取MP的行为信息，对于实现激光熔化制造过程中缺陷的准确监控以及推动激光熔化制造技术的智能化发展具有重要意义。
近年来，许多关于激光制造过程质量监控的研究集中在提取MP的表面特征上，主要包括MPS的面积、关键孔开口的灰度值、MP的宽度、MP尾部的角度以及MP的圆度[10]。例如，Kratzsch等人[11,12]根据MP中关键孔开口的图像信息，建立了关键孔开口灰度值与穿透状态之间的联系，并实现了对飞溅缺陷的原位监控。Wang等人[13]指出，MP宽度和MP几何形状在时间域内的变化可以反映激光包层过程的稳定性。Yang等人[14]认为，MP宽度的特征信息可以有效反映高功率激光加工操作的可靠性。激光熔化制造技术的本质是利用激光的热效应。制造过程中产生的烟雾、飞溅物和凸起与激光热能在MP中引起的挥发、蒸汽流和熔融流高度相关[15,16]。因此，通过提取能够准确显示MP中激光热能转换过程的MP表面特征，有望更准确地实现激光熔化制造过程中缺陷的原位监控。然而，大多数现有方法依赖于单一的几何参数或灰度指标，这些方法只能提供关键孔行为的间接或定性描述。此外，当前的特征提取模型很少能够充分捕捉关键孔的周期性运动或其与动态激光-关键孔相互作用的相关性。
激光关键孔模式制造具有更高的加工效率，但其过程机制更为复杂。在现有研究的基础上，本文重点关注关键孔模式下的激光熔池，并提出了一种基于镜面反射微区动态行为的直接、定量的表面特征提取框架。该框架旨在研究熔池特征信息的获取方法以及特征参数与关键孔内光热能量转换之间的相关性。首先，在激光扫描路径的两侧对称布置了装有窄带过滤器的高速相机镜头和照明激光束，两者都聚焦在熔池中心。通过照明光束在熔池表面的反射产生的镜面反射区域面积，可以用来表征熔池的表面平整度，从而反映制造过程的稳定性。随后，使用高速相机获取熔池表面形态。分别提取熔池面积、关键孔开口面积和镜面反射微区面积，并进一步分析它们的时间演变特性。最后，建立了上述特征演变规律与关键孔内光热能量转换行为之间的相关性。这为基于熔池表面特征推断关键孔内部动态提供了一种新的研究方法，具有科学原创性和重要的工程应用价值，适用于实时监控。
实验设备和材料
在实验装置中，使用了波长为1070纳米、最大输出功率为6千瓦的IPG YLS-6000光纤激光器。激光束通过一根芯径为200微米的光纤传输。用于输出耦合的准直器的焦距为200毫米，聚焦镜的焦距为300毫米，发射激光束在焦点处的直径精确为0.31毫米。此外，与该激光器相关的瑞利长度为
MPS特征的提取
使用预处理后的图像提取镜面微区和关键孔区域。首先，通过灰度区间阈值法对增强后的图像进行分割，从而去除大部分非目标特征区域。随后，使用区域滤波进一步保留目标特征区域并去除非目标区域。最后，利用形态学操作中的膨胀、填充和腐蚀方法来消除噪声、填充小孔并平滑图像
结论
本文利用照明光束和高速相机，在激光熔化过程中垂直于MPS的两侧对称观察了MPS的形态，并提取了MPS的特征信息，得出以下主要结论：
1)通过照明光束的镜面成像可以清晰地获得MPS上的镜面微区。经过图像增强后，可以获取镜面微区面积、关键孔面积和MPS面积
CRediT作者贡献声明
Jianglin Zou：撰写 – 审稿与编辑，方法论。Yao Zhuang：撰写 – 原始草案，方法论。Xiao Zou：研究。Baoqi Zhu：方法论。Shun Xie：研究。Chao Fang：研究。Tao Liu：方法论。Mingshuo Wu：研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52175375）和北京自然科学基金（项目编号：3222004）的支持。
