CN105758798A - 一种高功率激光作用下金属粉末流光谱检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属粉末流光谱检测方法，其特征在于：它包括一个光谱采集透镜、一组光纤耦合透镜组、一个光纤、一个准直透镜、一个光栅光谱仪及处理光谱专用软件。光谱采集透镜固定在粉末流正前方轴线上，光纤耦合透镜组设置在光谱采集透镜正上方同心圆处，准直透镜设置在光栅光谱仪信号接收端的正前方，光纤的输入端设置在光纤耦合透镜组的像平面，光纤的输出端设置在准直透镜的焦平面；金属粉末流吸收激光能量发出光热辐射，其光谱依次经所述光谱采集透镜和光纤耦合透镜组成像，并由所述的光纤传输、射出，经所述准直透镜变成平行光束，进入光栅光谱仪，最后经专用光谱处理软件处理，实现金属粉末流光谱检测。

Description

一种高功率激光作用下金属粉末流光谱检测方法

技术领域

本发明涉及光谱检测领域，尤其涉及一种高功率激光作用下金属粉末流光谱检测方法。

背景技术

20世纪末国际上掀起一股以节约资源、减少污染为目的的绿色浪潮，再制造工程孕育而生，激光再制造技术因其对零件表面损伤小、成形精度高、高强度、能满足高精度、高性能关键部件的修复质量要求等优点，得到广泛关注。

激光再制造过程中，激光束与粉末相互作用机理、熔池尺寸、形貌、光谱及温度场分布等因素，直接影响激光再制造质量，因此需要对激光与材料相互作用过程进行研究。搞清这些基础问题，可以指导激光微熔覆精密制造单元设备的设计、超细金属粉末材料的选择、激光微熔覆精密制造工艺参数优化及制造过程的检测控制，从而把激光再制造技术建立在一个科学、可靠、可控和可重复操作的基础上，推动该项技术的产业化应用。

然而，激光再制造过程中的激光与材料相互作用物理过程十分复杂，理论模拟和实验检测难度都很大。它涉及超细粉末的输送机制、微细激光在超细金属粉末流中吸收和透射的能量分配与平衡、微细激光束与粉末流束空间耦合机制、激光微熔池中动量、质量和能量传输、激光微熔覆精密制造的功能化等基础问题。

本发明提供一种检测在高功率激光作用下金属粉末流光谱的方法，为研究激光与材料相互作用机理提供一定条件基础。

发明内容

为解决这一问题，本发明提供一种高功率激光作用下金属粉末流光谱检测的方法。

本方法的基本思路是通过光学透镜采集金属粉末流光谱，并将其耦合进光纤，由光纤传输到光栅分光解析装置，最后经光谱专用处理软件处理完成整个光谱检测工作。其特征在于：它包括一个光谱采集透镜、一组光纤耦合透镜组、一个光纤、一个准直透镜、一个光栅光谱仪及处理光谱专用软件。本方法采用的技术路线：所述的光谱采集透镜固定在激光加工头上，所述光纤耦合透镜组设置在光谱采集透镜正上方同心圆处，所述准直透镜设置在光栅光谱仪信号接收端的正前方，所述光纤的输入端设置在光纤耦合透镜组的像平面，所述光纤的输出端设置在准直透镜的焦平面；激光经光纤传输及光学工作头汇聚成形后，穿过金属粉末流，到达零件表面，金属粉末流吸收激光能量发出光热辐射，其光谱依次经所述光谱采集透镜和光纤耦合透镜组成像，并由所述的光纤传输、射出，经所述准直透镜变成平行光束，进入光栅光谱仪，最后经光谱专用软件处理，实现金属粉末流光谱检测。

在一个优选的实施例中，所述光谱采集透镜采用材质是石英玻璃的大孔径会聚透镜。

在一个优选的实施例中，光纤耦合透镜组由低射率的正透镜和高折射率的负透镜组成。

采用本方法检测金属粉末流的光谱具有以下优点：1、本方法在待测量粉末流正前方设置所述光谱采集透镜和光纤耦合透镜组，其中，光谱采集透镜采用材质是石英玻璃的大孔径会聚透镜，不仅能够在更大的空间立体角内采集光谱，而且石英玻璃耐高温，热膨胀系数极小，化学热稳定性好，可极大降低激光束对光学元件的热影响；2、本方法包括光谱采集透镜、光纤耦合透镜组、光纤、准直透镜、光栅光谱仪，待检测金属粉末流的光谱依次经过光谱采集透镜和光纤耦合透镜组进行成像并经光纤的输入端进入光纤传输，由于采用光纤传输金属粉末光谱信号，因此可以实现对运动过程中金属粉末流光谱的实时测量，减小粉末光谱测量过程中的噪声信号，有效提高了激光再制造过程中检测到的光谱强度和灵敏度。3、本方法采用的光纤耦合透镜组由低折射率的正透镜和高折射率的负透镜组成，可以降低光路像差，增加光纤的耦合效率，从而增强粉末流光谱检测的灵敏度。

本方法可以广泛应用于激光再制造过程金属粉末流光谱检测中。

附图说明

图1本方法整体结构示意图。

图2本方法光纤接受端光路结构示意图。

图3本方法光纤输出端光路结构示意图。

图4本方法测试现场实物图。

具体实施方式

如图所示，对本方法作进一步说明。

实施例1

如图1所示，本方法涉及一种高功率激光作用下金属粉末流光谱检测的方法，包括光谱采集透镜1、光纤耦合透镜组2、光纤3、准直透镜4、光栅光谱仪5及电脑6。

大孔径光谱采集透镜1设置在金属粉末流正前方的轴线上，距离光谱采集点60mm，光纤耦合透镜2设置在透镜1正上方的同心圆处，光谱采集透镜1与光纤耦合透镜组2之间的间距由透镜的焦距和物像关系进行确定，可以根据实际所测量的光谱采集点进行调节，在此不作限定。准直透镜4设置在光栅光谱仪5的正前方，光栅3的输入端设置在光纤耦合透镜2的像平面，光栅3的输出端设置在准直透镜4的焦平面。

如图2、3所示，本方法的基本原理是：激光经光学工作头汇聚成形，由同轴工作头与金属粉末流同时输出，粉末吸收一部分激光能量产生热辐射，由光谱采集透镜1采集，经光纤耦合透镜组2成像并耦合进入光纤3进行传输，经光纤3射出的光经准直透镜4准直成平行光束后发射到光栅光谱仪，最后经PC处理完成光谱检测。

透镜1为凸透镜，光纤耦合透镜组2为双胶合消色差透镜，采用一个凸透镜21和一个凹透镜22粘贴而成，即由低射率的正透镜和高折射率的负透镜组成，有助于增加光纤的耦合效率和降低光学系统的像差。光谱采集透镜1可以采用大孔径会聚透镜，使用中可以将光谱采集透镜1和光纤耦合透镜组2固定安装在激光工作头上，完成光谱的采集和光纤耦合。

实施例2

光栅光谱仪5是精密光学仪器，由于其高精确度和高分辨率特性，系统参数的变化和环境温度的变化都将导致波长的漂移，使波长出现判读误差。因此在使用光谱仪之前需要对其进行标定。波长标定的目的是在于确认光谱仪器的色散曲线，从而为光谱的测量提供波长标准。标定原理是以发光光源的已知谱线为基准对波长进行修订。

将标定后光栅光谱仪采集到的金属粉末光谱图，经专用处理CCDSystem软件处理，即可实现金属粉末流光谱的检测。

上述各实施例仅用于说明本方法，其中所有光学器件可以根据实际情况采用外部支架进行固定，且光学器件的结构和连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本方法技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本方法的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种高功率激光作用下金属粉末流光谱检测方法，其特征在于：它包括一个光谱采集透镜、一组光纤耦合透镜组、一个光纤、一个准直透镜、一个光栅光谱仪及处理光谱专用软件。本方法采用的技术路线：所述的光谱采集透镜固定在激光加工头上，透镜组设置在粉末流正上方，所述光纤耦合透镜组设置在光谱采集透镜正上方同心圆处，所述准直透镜设置在光栅光谱仪信号接收端的正前方，所述光纤的输入端设置在光纤耦合透镜组的像平面，所述光纤的输出端设置在准直透镜的焦平面；激光穿过金属粉末流，到达零件表面，金属粉末流吸收激光能量并发出光热辐射，其光谱依次经所述光谱采集透镜和光纤耦合透镜组成像，并由所述的光纤传输、射出，经所述准直透镜变成平行光束，进入光栅光谱仪，最后经专用光谱处理软件处理，实现金属粉末流光谱检测。

2.如权利要求1所述的一种激光熔池光谱检测装置，其特征在于：所述光谱采集透镜采用材质为石英玻璃的大孔径会聚透镜。

3.如权利要求1所述的一种金属粉末流光谱检测方法，其特征在于：所述光纤耦合透镜组采用一个低折射率的凸透镜和一个高折射率的凹透镜胶合而成。