CN111198161A - 一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法，该测量装置包括激光器、光路系统、惰性气体保护箱、粉末容器、加热系统、测温系统和计算机。该测量方法为将具有厚度的粉末铺于粉末容器中，再将粉末容器置于充有惰性气体的保护箱内。通过加热系统预热粉末，使其维持于一定温度。激光系统输出的某个波长激光束经光路系统放大准直，辐照于粉末表面。利用测温系统采集不同时刻粉末温度数据，由计算机分析得到粉末吸收的激光能量，将其与激光辐照能量求比值获得粉末对该波长激光的吸收率。与其他测量方法比较，本发明不仅可以获得不同温度下粉末对入射激光的吸收率，同时避免了测量中粉末氧化对吸收率产生影响，搭建简便，易于实现。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法。
背景技术
在激光与材料的相互作用过程中，照射到材料上的激光一部分被材料吸收，另一部分则被反射。材料吸收激光能量后将发生升温、熔融、气化甚至产生等离子体现象，基于这些现象可以对材料实现一定加工目的，可见材料对激光的吸收率是影响激光加工的重要因素。
选区激光熔化是激光增材制造的一种方法，利用高能量激光束逐层选择性地熔化粉末，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。在这个过程中，与平面结构不同，粉末材料类型、混合比例、粒径分布等均会对激光吸收率产生影响，从而影响激光加工效率和加工质量。此外，粉末的温度随激光辐照而发生变化，粉末对激光的吸收率也将发生变化。因此，获得不同温度下粉末激光吸收率对于激光增材制造中的过程分析有着重要意义。
目前，吸收率的测量方法主要有两种：第一种是首先测量反射率，再由1减去反射率，求出吸收率。测量反射率有两种方式，即量热计测量和利用积分球法。第二种是从量热的角度出发，通过测量材料的温度变化，从而计算得到吸收率。这些测量方法主要是针对具有平面结构材料在常温下的激光吸收率，关于粉末在不同温度下的激光吸收率研究较为有限，因而迫切需要搭建粉末激光吸收率测量装置，实现不同温度下粉末吸收率的测量。
专利一种材料激光吸收率的测量装置和测试方法.CN 105758820 B)公开了一种材料激光吸收率的测试装置和方法，根据热平衡原理搭建了材料激光吸收率测试装置，测量涂料和金属材料对激光吸收率。
文献(Rubenchik A,Wu S,Mitchell S,et al.Direct measurements oftemperature-dependent laser absorptivity of metal powders[J].Applied optics,2015,54(24):7230-7233.)Rubenchik等人采用量热法搭建测量吸收率装置，测量316不锈钢、Ti-6Al-4V合金和Al粉在高温下的吸收率，结果与光线追迹法计算基本一致。但Al粉的吸收率与计算值差距较大，作者认为这与激光辐照中粉末发生氧化有关。实际上，与铝比较，氧化铝的吸收率能提高数倍。
上述测量装置和测量方法存在以下缺陷：
(1)未解决测量中的材料氧化问题；
(2)仅针对表面为平面的块体结构吸收率的测量，未考虑粉末堆积中存在的空隙及局部粉末吸收光强集中导致粉末温度分布不均的问题；
(3)无法测量具有不同温度的粉末对激光的吸收率。
上述缺陷至今为止，现有测量装置和方法未能实现具有不同温度的粉末对激光吸收率的精确测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法，实现具有不同温度的粉末对激光吸收率的精确测量，进而可为激光增材制造中材料成形机制分析提供理论基础，为工艺参数优化提供理论依据。
实现本发明目的的技术解决方案如下：
一种粉末对激光吸收率的测量装置，测量装置包括激光器、光路系统、惰性气体保护箱依并依次相连，惰性气体保护箱内设有粉末容器及加热系统，粉末容器内装有粉末，惰性气体保护箱外分别连接有测温系统和计算机；加热系统包括感应线圈、感应电源和温度控制器，加热系统中的感应线圈固定于惰性气体保护箱中，与感应电源相连，感应电源与温度控制器相连；测温系统包括热电偶和动态数据采集器，热电偶一端穿过粉末容器通孔，固定于粉末容器底部，另一端通过惰性气体保护箱与动态数据采集器相连。
进一步的，光路系统包括透镜、半透半反镜、全反射镜和光功率计，透镜设有透镜一，透镜二，透镜三，且透镜一，透镜二，透镜三与半透半反镜、全反射镜依次相连，半透半反镜与光功率计相连。
进一步的，惰性气体保护箱内充有惰性气体，Ar2、N2或He；所述的惰性气体保护箱内顶部为石英玻璃，侧面装有香蕉插座和进出气阀，测温系统、加热系统均连接在香蕉插座上。
进一步的，粉末容器的材料为具有传导率低、熔点高于测试中粉末温度的石棉、尼龙、耐高温陶瓷。
进一步的，粉末容器上制有一定深度的凹槽(深度1-3mm)，凹槽底部侧壁开通孔。
进一步的，测温系统与计算机相连。
本发明中加热系统还可由恒温加热平台和温度控制器构成。
一种粉末对激光吸收率的测量方法，具体步骤为：
搭建光路系统，将激光光束扩束并利用透镜进行准直，使得光斑尺寸与粉末容器被激光束照射面的尺寸相近；准直后的激光束经半透半反镜被分为具有相同功率的两束激光，即透射光束和反射光束；利用光功率计实时测量反射光束的激光功率Pin；利用全反射镜改变透射光束的传输方向，使其穿过惰性气体保护箱顶部的石英玻璃进入箱内；
测量粉末容器的质量m1；将粉末倒入粉末容器压实，并刮去多余的粉末使表面平整；再次测量粉末容器的质量m2，得到粉末质量m＝m2-m1；
将粉末容器固定于感应线圈中心；并且令激光束辐照于粉末容器中的粉末表面，粉末容器中心与激光束的光斑中心重合；
在惰性气体保护箱内，通过气阀抽出空气，再充入惰性气体，使得氧含量降到1000ppm以下；
通过温度控制器的温度设定，控制感应线圈的加热功率，调控粉末温度，使得粉末稳定在一定的温度T0；
设定激光功率和辐照时间t，开启激光器；
测温系统将采集到的不同时刻粉末温度数据传输至计算机；
利用计算机，对不同时刻的粉末温度数据依据式：
进行拟合，得到粉末温升ΔT。式(1)中，B、C与D为待拟合的参数，T0为粉末初始温度，ti为粉末温度开始上升的时间，te为粉末温度上升到最大值的时间；最终通过式：
得到粉末对激光的吸收率A，式(2)中，CP为粉末材料的比热容。
进一步的，步骤(2)中，粉末容器深度在1～3mm，粉末容器直径与激光光斑直径相近，从而使得激光辐照下粉床温度在径向和深度方向均匀稳定。
进一步的，步骤(6)中，激光功率为50～300W，辐照时间范围在4～30s，以避免粉末温度过高，发生相变影响吸收率的测量。
进一步的，步骤(7)中，测温系统中的动态数据采集器的采样频率大于1Hz。
本发明与现有测量装置和方法相比具有如下优点：1、基于激光增材制造用激光器等基本所需设备来搭建测试系统，系统组成简单，成本低，易实现；2、通过在惰性气体保护箱进行吸收率的测量，避免材料氧化对吸收率测量正确性的影响；3、从粉末堆积特点出发，采用低功率激光长时间辐照粉末，保证粉末吸收激光能量后，转化的热量在粉末间充分传输，获得温度均匀分布的粉末，提高吸收率测量准确性；4、选取具有低热传导率材料作为粉末容器，降低热量向周围的传输，进一步保证吸收率测量精度；5、通过感应线圈加热的方法，获得具有不同温度且温度均匀的粉末，从而实现不同温度下粉末对激光吸收率的测量，相对于室温下测量的吸收率更具有实际意义。
附图说明
图1是本发明的粉末对激光吸收率的测量装置的示意图。
图1中，激光器1，透镜2，透镜3，透镜4，半透半反镜5，全反射镜6，光功率计7，惰性气体保护箱8，粉末容器9，热电偶10，动态数据采集器11，感应线圈12，感应电源13，温度控制器14，计算机15。
图2是粉末对激光吸收率的测量装置中的粉末容器示意图，粉末容器上制有毫米深度的凹槽，凹槽底部沿半径开孔。
图3是利用吸收率测量装置测量得到的(a)铜粉、(b)钨粉、(c)W-40wt.％Cu和(d)W-20wt.％Cu混合粉末的温升变化图。
图4是利用粉末吸收率测量装置，测量的粉末吸收率随W-Cu混合粉末中Cu所占质量比的变化曲线图。
图5是实施例中的对比例，为分光光度计测量得到的吸收率随着入射光束波长的变化曲线图：(a)铜粉、(b)钨粉、(c)W-40wt.％Cu和(d)W-20wt.％Cu混合粉末。
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明做进一步说明
实施例
采用本发明的粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法，测量钨铜混合粉末对激光的吸收率。
依据图1搭建光路系统，利用透镜对连续激光激光器(德国IPG公司，中心波长1070nm，功率100W～1000W，随机偏振光)输出的光源进行准直与扩束。透镜2焦距为125mm，透镜3焦距为250mm，透镜4焦距为100mm，得到直径为4.8mm光斑。通过半透半反镜将激光分为相同功率的两部分，利用光功率计实时测量反射光束的激光功率Pin。利用全反射镜改变透过光束的传输方向，使其辐照在惰性气体保护箱内
以钨铜粉末为粉末材料，粒径分别直径尺寸范围为15～50μm球形钨粉和直径尺寸范围在50～106μm球形铜粉。利用研磨的方法将两者按一定质量比混合。将钨铜金属粉末置于惰性气体保护箱内的粉末容器，如图2所示，容器尺寸为直径为16mm，深度为2mm。在惰性气体保护箱内充入氩气，使氧含量达到1000ppm以下。
令激光辐照于粉末容器中心区域，然后设置激光照射功率为100W和辐照时间为4～16s，动态数据采集器采样频率为2.5Hz，将热电偶采集到的金属粉末温升变化数据通过数据采集装置传给计算机。
图3为测量的钨铜混合粉末温升随激光辐照时间的变化，并以此计算得到粉末激光吸收率随钨铜混合粉末质量比的关系，绘制于图4。在室温下，当激光垂直入射且波长为1070nm时，纯铜粉对激光的吸收率达到0.19，纯钨粉对激光的吸收率为0.51，吸收率随着铜质量比的增加近似线性下降。
对比例
利用岛津分光光度计(UV-3600)分别测量钨粉与铜粉以及混合粉末W-40wt.％Cu和W-20wt.％Cu对入射光的吸收率，验证吸收率测量结果的合理性。岛津分光光度计(UV-3600)波长扫描范围为200nm～1700nm。得到金属粉末在常温下对入射光吸收率的值。图5给出了四种粉末吸收率随波长变化的曲线。
如图5所示，入射光波长为1070nm时，铜粉和钨粉的吸收率分别为0.23和0.59，W-Cu混合粉末W-40wt.％Cu和W-20wt.％Cu的吸收率则分别为0.51和0.57。与搭建测试系统的测量结果基本相符，验证了测量结果的正确性。
结合实施例与对比例，二者测量结果基本相符，验证了测量结果的正确性。本发明提供了一种粉末对激光吸收率的测量装置和测量方法，本发明测量装置简单，易于搭建和实现，在惰性气体保护状态下，可以测量不同温度下的粉末激光吸收率，其测量精度可以满足使用需求。为激光增材制造技术提供了理论参考。
Claims (10)
1.一种粉末对激光吸收率的测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括激光器、光路系统、惰性气体保护箱依并依次相连，惰性气体保护箱内设有粉末容器及加热系统，粉末容器内装有粉末，惰性气体保护箱外分别连接有测温系统和计算机；加热系统包括感应线圈、感应电源和温度控制器，加热系统中的感应线圈固定于惰性气体保护箱中，与感应电源相连，感应电源与温度控制器相连；测温系统包括热电偶和动态数据采集器，热电偶一端穿过粉末容器通孔，固定于粉末容器底部，另一端通过惰性气体保护箱与动态数据采集器相连。
2.根据权利要求1所述的粉末对激光吸收率的测量装置，其特征在于，所述的光路系统包括透镜、半透半反镜、全反射镜和光功率计，透镜设有透镜一，透镜二，透镜三，且透镜一，透镜二，透镜三与半透半反镜、全反射镜依次相连，半透半反镜与光功率计相连。
3.根据权利要求1所述的粉末对激光吸收率的测量装置，其特征在于，所述的惰性气体保护箱内充有惰性气体，Ar2、N2或He；所述的惰性气体保护箱内顶部为石英玻璃，侧面装有香蕉插座和进出气阀，测温系统、加热系统均连接在香蕉插座上。
4.根据权利要求1所述的粉末对激光吸收率的测量装置，其特征在于，所述的粉末容器的材料为具有传导率低、熔点高于测试中粉末温度的石棉、尼龙、耐高温陶瓷。
5.根据权利要求1所述的粉末对激光吸收率的测量装置，其特征在于，所述的粉末容器上制有一定深度的凹槽(深度1-3mm)，凹槽底部侧壁开通孔。
6.根据权利要求1所述的粉末对激光吸收率的测量装置，其特征在于，所述的测温系统与计算机相连。
7.一种粉末对激光吸收率的测量方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)搭建光路系统，将激光光束扩束并利用透镜进行准直，使得光斑尺寸与粉末容器被激光束照射面的尺寸相近；准直后的激光束经半透半反镜被分为具有相同功率的两束激光，即透射光束和反射光束；利用光功率计实时测量反射光束的激光功率Pin；利用全反射镜改变透射光束的传输方向，使其穿过惰性气体保护箱顶部的石英玻璃进入箱内；
(2)测量粉末容器的质量m1；将粉末倒入粉末容器压实，并刮去多余的粉末使表面平整；再次测量粉末容器的质量m2，得到粉末质量m＝m2-m1；
(3)将粉末容器固定于感应线圈中心；并且令激光束辐照于粉末容器中的粉末表面，粉末容器中心与激光束的光斑中心重合；
(4)在惰性气体保护箱内，通过气阀抽出空气，再充入惰性气体，使得氧含量降到1000ppm以下；
(5)通过温度控制器的温度设定，控制感应线圈的加热功率，调控粉末温度，使得粉末稳定在一定的温度T0；
(6)设定激光功率和辐照时间t，开启激光器；
(7)测温系统将采集到的不同时刻粉末温度数据传输至计算机；
(8)利用计算机，对不同时刻的粉末温度数据依据式：
进行拟合，得到粉末温升ΔT。式(1)中，B、C与D为待拟合的参数，T0为粉末初始温度，ti为粉末温度开始上升的时间，te为粉末温度上升到最大值的时间；最终通过式：
得到粉末对激光的吸收率A，式(2)中，CP为粉末材料的比热容。
8.根据权利要求8所述的粉末对激光吸收率的测量方法，其特征在于，步骤(2)中，粉末容器深度在1～3mm，粉末容器直径与激光光斑直径相近，从而使得激光辐照下粉床温度在径向和深度方向均匀稳定。
9.根据权利要求8所述的粉末对激光吸收率的测量方法，其特征在于，步骤(6)中，激光功率为50～300W，辐照时间范围在4～30s，以避免粉末温度过高，发生相变影响吸收率的测量。
10.根据权利要求8所述的粉末对激光吸收率的测量方法，其特征在于，步骤(7)中，测温系统中的动态数据采集器的采样频率大于1Hz。
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