CN109014204A - 一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置及方法，包括由光路连接的激光光路系统和熔池温度监测系统组成的熔池比色测温装置，其中，所述激光光路系统包括激光器、半透半反镜和振镜，所述激光器通过半透半反镜与振镜光路连接；所述熔池温度监测系统包括彩色高速相机、采集处理器和计算机，所述彩色高速相机电讯连接采集处理器，所述采集处理器电讯连接计算机。本发明有效地解决激光选区熔化加工过程中熔池温度的实时监测问题。
Description
技术领域
本发明属于激光选区熔化实时监控领域，尤其涉及一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置及方法。
背景技术
激光选区熔化技术是一种通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件的技术。
在激光选区熔化加工过程中，每一层加工时，熔池下方的导热往往不是均匀一致的，熔池下方可能是实体零件和实体支撑，也可能是粉末和非实体支撑，这时如果采用固定的激光功率和扫描速度去扫描加工，就会导致熔池的温度场情况各不相同，进而导致零件内部残留大量的残余应力等问题。此外，熔池的不稳定往往在制造过程中会导致一些其他缺陷，如孔隙等。可见，如果能在加工过程中实时监测熔池温度，进而调整激光功率和扫描速度将能更有效地确保零件工艺加工的稳定性。
目前尚无激光选区熔化工艺过程中熔池温度的精确测量方法，由于激光选区熔化属于激光加工工艺，工艺过程中包含金属加热熔化和冷却凝固的典型热过程，对于热过程的测量通常会采用红外热像仪来监测，该方法主要受限于红外热像仪的固有响应速度，红外热像仪的响应速度与熔池监测所需相差多个数量级；再者，红外热像仪的分辨力也难以满足要求。
此外也有研究人员尝试通过光电二极管监测熔池辐射光强度间接表征熔池热情况。根据熔池辐射光强度大小(监测电压值大小)间接表征熔池的温度是否过高或过低，但该方法只能定性说明温度大小，无法测量出具体的熔池温度值。因此，目前尚无能够实现激光选区熔化加工过程中实时熔池温度的精确测量方法。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种激光选区熔化加工过程熔池对比测温装置及方法，通过激光光路系统与熔池温度监测系统，对激光选区熔化工艺过程中熔池温度进行精确测量。
本发明的技术方案如下：
一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，包括由光路连接的激光光路系统和熔池温度监测系统组成的熔池比色测温装置，
其中，所述激光光路系统包括激光器、半透半反镜和振镜，所述激光器通过半透半反镜与振镜光路连接；
所述熔池温度监测系统包括彩色高速相机、采集处理器和计算机，所述彩色高速相机电讯连接采集处理器，所述采集处理器电讯连接计算机。
优选的，所述激光光路系统将激光光束照射到成型平台，熔化成型平台表面的金属粉末形成熔池。
优选的，所述半透半反镜100％反射1064nm的激光，并将400nm-1000nm的熔池的辐射波段增透。
优选的，所述彩色高速相机的拍摄速率≦600,000fps，曝光时间≧1μs，光谱响应范围为400nm-1100nm，时间精度为20ns。
优选的，所述彩色高速相机光谱响应峰值分别为：红光为620nm，绿光为535nm，蓝光为470nm。
一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温方法，根据激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置实现，其包括如下步骤：
S1：根据普朗克辐射定律，获取不同波长条件下熔池辐射出射度比值与温度的关系公式；
首先，所有高于绝对零度的物体都会产生热辐射，因此根据普朗克辐射定律，对于温度为T的单位面积的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为λ的辐射出射度I可以表示为：
其中，式中I为光谱辐射出射度；λ为波长；h为普朗克常数，T为绝对温度，c为光速，k为玻尔兹曼常数；
实际物体均非绝对黑体，采用发射率□来描述物体散发热辐射的能力，与绝对黑体(发射率为1)比较，实际物体的发射率在0和1之间；
当hc/λ≧kT时，普朗克辐射定律简化为维恩辐射定律，并将两个不同波长(λ1和λ2)条件下监测的辐射出射度相比，可得：
其中，式中A1和A2为光路传输的综合效率，对于本方法而言，A1＝A2；如所选的辐射波长较为接近，则可以假设两个波段下的发射率ε1＝ε2，因此，辐射出射度比值与温度关系可描述为：
S2：选择红光和绿光的响应峰值波段620nm和535nm作为监测波段；根据S1中的公式，可以绘制出在波长λ1＝620nm、λ2＝535nm时，I1/I2与温度T的关系曲线；
S3：激光选区熔化加工零件：激光从激光器发射，经半透半反镜反射偏转进入扫描振镜，再照射到成型平台表面熔化金属粉末，形成熔池；熔池辐射光经过扫描振镜返回半透半反镜，半透半反镜将100％反射1064nm的激光波长，对400nm-1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至彩色高速相机；
S4：彩色高速相机分别监测熔池在设定的两波段下的辐射信息，同时传输到采集处理器，实时计算I1/I2的比值，再通过S3中I1/I2与温度T的关系图即可实时监测出加工过程中熔池的温度；
S5：将采集处理器实时处理的温度信息传输至计算机，在打印过程中实时显示并保存，以供工艺调整和实时反馈处理。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明采用激光光路系统和熔池温度监测系统组成的熔池温度实时监控装置，可以精确的测量出具体的熔池温度值，克服了采用光电二极管通过监测熔池辐射光强度来测量熔池温度方法的弊端，该方法根据熔池辐射光强度大小(监测电压值大小)间接表征熔池的温度是否过高或过低，但只能定性说明温度大小，无法测量出具体的熔池温度值。
(2)本发明能在三维实体零件加工过程中实时监测熔池温度，进而调整激光功率和扫描速度更有效地确保零件工艺加工的稳定性，杜绝了因熔池的不稳定往往在制造过程中会导致一些其他缺陷，如未熔粉团簇、孔隙等。
(3)本发明克服传统红外热像仪监测温度所带来的弊端，在激光加工工艺过程中包含金属加热熔化和冷却凝固的两个热过程，如采用红外热像仪监测熔池温度，受限于红外热像仪的固有响应速度，红外热像仪的响应速度与熔池监测所需相差多个数量级，无法精确测量。
(4)本发明使用彩色高速相机替换掉分光镜、两个滤光镜和两个高速相机，实现双波段对比测温方法所达到的效果，彩色相机本身包含有红、绿、蓝三色滤光片，可以直接得到检测对象的三色信息，取其中的两个单色值进行比较，便可以进行双波段辐射强度比较，进而计算出实时温度，更为简洁，所需装置更少，节约成本，便于维护。
附图说明
图1为本发明激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置的结构示意图；
图中，光路上的线条表示：实线表示激光辐射路径，虚线表示熔池辐射路径，箭头方向表示辐射方向路径；
图2为本发明激光选区熔化加工过程熔池比色测温方法的I1/I2与温度T的关系图；
本发明的附图标记列示如下：
1-成型平台，2-熔池，3-振镜，4-半透半反镜，5-激光器，6-彩色高速相机，7-采集处理器，8-计算机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
同时，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。此外，术语“第一”，“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明包括激光光路系统和熔池温度监测系统组成的激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置及其监测方法，能够精确的实时监测到激光选区熔化工艺过程中的熔池温度。
以下结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，包括光路连接的激光光路系统和熔池温度监测系统组成的熔池比色测温装置，
其中，所述激光光路系统包括激光器5、半透半反镜4和振镜3，所述激光器5通过半透半反镜4与振镜3光路连接；
所述熔池温度监测系统包括彩色高速相机6、采集处理器7和计算机8，所述彩色高速相机6电讯连接采集处理器7，所述采集处理器7电讯连接计算机8。
采集处理器7的作用，即数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。数据采集是结合基于计算机或者其他专用测试平台的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。其中数据采集卡，即实现数据采集(DAQ)功能的计算机扩展卡，可以通过USB、PXI、PCI、PCI Express、火线(IEEE1394)、PCMCIA、ISA、Compact Flash、485、232、以太网、各种无线网络等总线接入个人计算机，处理得到的数据输出至计算机8并保存。
所述激光光路系统将激光光束照射到成型平台1，熔化成型平台1表面的金属粉末形成熔池2。
所述半透半反镜4可100％反射1064nm的激光，并将400nm-1000nm的熔池2的辐射波段增透。
所述彩色高速相机6的拍摄速率≦600,000fps，曝光时间≧1μs，光谱响应范围为400nm-1100nm，时间精度为20ns。
高速相机，相比起普通相机，高速相机具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等。市面上工业相机大多是基于CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)芯片的相机。CCD是机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有高速相机无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70年代初，90年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI)制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。按照响应频率范围可以分为彩色高速相机、红外高速相机、紫外高速相机等。
fps是图像领域中的定义，是指画面每秒传输帧数，通俗来讲就是指动画或视频的画面数，fps是测量用于保存、显示动态视频的信息数量，每秒钟帧数愈多，所显示的动作就会越流畅。
时间精度是根据各个用户所要求对时间的度量作出的分类，是用来进行计量的一种方式方法。时间精度按量级可分为：纳秒(ns)、皮秒(ps)、微秒(us)、毫秒(ms)、秒(s)、分(min)、小时(h)。
如图1-2所示，一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温方法，在激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置的基础上实现，其包括如下步骤：
S1：根据普朗克辐射定律，获取不同波长条件下熔池辐射出射度比值与温度的关系公式；
首先，所有高于绝对零度的物体都会产生热辐射，因此根据普朗克辐射定律，对于温度为T的单位面积的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为λ的辐射出射度I可以表示为：
其中，式中I为光谱辐射出射度；λ为波长；h为普朗克常数，T为绝对温度，c为光速，k为玻尔兹曼常数；
实际物体均非绝对黑体，采用发射率□来描述物体散发热辐射的能力，与绝对黑体(发射率为1)比较，实际物体的发射率在0和1之间；
当hc/λ≧kT时，普朗克辐射定律简化为维恩辐射定律，并将两个不同波长(λ1和λ2)条件下监测的辐射出射度相比，可得：
其中，式中A1和A2为光路传输的综合效率，对于本方法而言，A1＝A2；
如所选的辐射波长较为接近，则可以假设两个波段下的发射率ε1＝ε2，因此，辐射出射度比值与温度关系可描述为：
S2：选择红光和绿光的响应峰值波段620nm和535nm作为监测波段；根据S1中的公式，可以绘制出在波长λ1＝620nm、λ2＝535nm时，I1/I2与温度T的关系曲线；
S3：激光选区熔化加工零件：激光从激光器5发射，经半透半反镜4反射偏转进入扫描振镜3，再照射到成型平台1表面熔化金属粉末，形成熔池2；熔池辐射光经过扫描振镜3返回半透半反镜4，半透半反镜4将100％反射1064nm的激光波长，对400nm-1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至彩色高速相机6；
S4：彩色高速相机6分别监测熔池2在设定的两波段下的辐射信息，同时传输到采集处理器7，实时计算I1/I2的比值，再通过S3中I1/I2与温度T的关系图即可实时监测出加工过程中熔池2的温度；
S5：将采集处理器7实时处理的温度信息传输至计算机8，在打印过程中实时显示并保存，以供工艺调整和实时反馈处理。
本发明采用以上方式，可精确地实时监测到激光选区熔化工艺过程中的熔池温度。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (6)
1.一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，其特征在于：包括由光路连接的激光光路系统和熔池温度监测系统组成的熔池比色测温装置，
其中，所述激光光路系统包括激光器(5)、半透半反镜(4)和振镜(3)，所述激光器(5)通过半透半反镜(4)与振镜(3)光路连接；
所述熔池温度监测系统包括彩色高速相机(6)、采集处理器(7)和计算机(8)，所述彩色高速相机(6)电讯连接采集处理器(7)，所述采集处理器(7)电讯连接计算机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，其特征在于：所述激光光路系统将激光光束照射到成型平台(1)，熔化成型平台(1)表面的金属粉末形成熔池(2)。
3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，其特征在于：所述半透半反镜(4)100％反射1064nm的激光，并将400nm-1000nm的熔池(2)的辐射波段增透。
4.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，其特征在于：所述彩色高速相机(6)的拍摄速率≦600,000fps，曝光时间≧1μs，光谱响应范围为400nm-1100nm，时间精度为20ns。
5.根据权利要求1或4所述的一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置，其特征在于：所述彩色高速相机(6)光谱响应峰值分别为：红光为620nm，绿光为535nm，蓝光为470nm。
6.一种激光选区熔化加工过程熔池比色测温方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任意一项所述激光选区熔化加工过程熔池比色测温装置实现，其包括如下步骤：
S1：根据普朗克辐射定律，获取不同波长条件下熔池辐射出射度比值与温度的关系公式；
首先，所有高于绝对零度的物体都会产生热辐射，因此根据普朗克辐射定律，对于温度为T的单位面积的绝对黑体，在半球面方向所辐射的波长为λ的辐射出射度I可以表示为：
其中，式中I为光谱辐射出射度；λ为波长；h为普朗克常数，T为绝对温度，c为光速，k为玻尔兹曼常数；
实际物体均非绝对黑体，采用发射率∈来描述物体散发热辐射的能力，与绝对黑体(发射率为1)比较，实际物体的发射率在0和1之间；
当hc/λ≧kT时，普朗克辐射定律简化为维恩辐射定律，并将两个不同波长(λ1和λ2)条件下监测的辐射出射度相比，可得：
其中，式中A1和A2为光路传输的综合效率，对于本方法而言，A1＝A2；如所选的辐射波长较为接近，则可以假设两个波段下的发射率ε1＝ε2，因此，辐射出射度比值与温度关系可描述为：
S2：选择红光和绿光的响应峰值波段620nm和535nm作为监测波段；根据S1中的公式，可以绘制出在波长λ1＝620nm、λ2＝535nm时，I1/I2与温度T的关系曲线；
S3：激光选区熔化加工零件：激光从激光器(5)发射，经半透半反镜(4)反射偏转进入扫描振镜(3)，再照射到成型平台(1)表面熔化金属粉末，形成熔池(2)；熔池辐射光经过扫描振镜(3)返回半透半反镜(4)，半透半反镜(4)将100％反射1064nm的激光波长，对400nm-1000nm以内熔池辐射信息的可见光和近红外光进行增透，传递至彩色高速相机(6)；
S4：彩色高速相机(6)分别监测熔池(2)在设定的两波段下的辐射信息，同时传输到采集处理器(7)，实时计算I1/I2的比值，再通过S3中I1/I2与温度T的关系图即可实时监测出加工过程中熔池(2)的温度；
S5：将采集处理器(7)实时处理的温度信息传输至计算机(8)，在打印过程中实时显示并保存，以供工艺调整和实时反馈处理。
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