CN111380786B - 一种送粉式增材制造粉末行为探测方法 - Google Patents
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Abstract
一种送粉式增材制造粉末行为探测方法，属于激光增材制造技术领域。其特征在于：探测系统、送粉器、焊接激光器和保护系统组成送粉式增材制造系统。在增材制造过程中，探测系统的多束探测光在不同高度处穿过焊接激光束，部分探测光被光束内的粉末颗粒反射回各自探测激光腔内形成新的谐振，通过测量各个探测激光器电压、频率的变化，可以得到送粉式增材制造中光束内不同位置处的粉末颗粒尺寸和速度，探测增材制造过程中的粉末行为。本发明具有系统结构简单、体积小、易于调节、成本低廉、测量简单快速、获得结果准确性好等优点，能够实时测量光束内不同位置处粉末的尺寸和速度，有利于深化对增材制造过程的理解，同时可以用于检测和控制送粉参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种送粉式增材制造过程中监测粉末行为的方法，属于激光增材制造领域，尤其涉及一种送粉式增材制造粉末行为探测方法。
背景技术
激光增材制造技术是先建立零件三维模型，对模型进行分层切片处理，然后用逐层扫描、叠加成形的方式添加粉末材料，将模型直接转换实体零件的制造方式。它与传统的制造技术相比，具有明显的优势，由于其能耗低、流程短、加工柔性高等优点，被广泛应用于金属加工领域。送粉式激光增材制造是一种重要的增材制造方式。在送粉式激光增材制造过程中，粉末束流对激光产生散射和吸收，在此过程中粉末的尺寸数量也相应产生变化，通过检验粉末束流尺寸和数量的变化，能够更好地分析影响材料成型的因素，从而对增材制造过程进行监测。所以，检测激光增材制造过程中粉末尺寸和数量的变化具有重要的研究意义。
送粉式金属增材制造工艺对粉末的性能要求严格，粉末直接影响成型过程以及缺陷的产生。现存常用的粒度检测方法有机械法、激光衍射法和显微镜法，但这几种测量方法都是事前测量，不能检测出增材制造过程中粉末尺寸和速度的变化。
为了克服该局限性，本发明提出了一种送粉式增材制造粉末行为探测方法。利用多台探测激光穿过粉末束流后，部分光被粉末反馈回各自的探测激光腔内形成新的谐振，通过测量每一个探测激光电压和频率的变化规律，可实时测量焊接激光束内粉末的演化规律。本发明具有系统结构简单、体积小、易于调节、成本低廉、测量简单快速、获得结果准确性好等优点，能够原位实时测量光束内不同位置处粉末的尺寸，深化对增材制造过程的理解。
发明内容
本发明目的在于提供一种送粉式增材制造粉末行为探测方法，监测光束内粉末颗粒的尺寸和速度在焊接激光束内不同位置处的演化规律，包括实际焊接状态下不同位置处光束内的粉末尺寸、数量和速度等信息。本发明能够实时测量粉末束流粉末的状态，从而得到不同位置处粉末尺寸和数量等信息，以此更好地分析粉末颗粒在光束内的能量规律，以及得到影响材料成型的因素。
为实现上述目的，探测系统、送粉器、焊接激光器和保护系统组成送粉式增材制造系统。在增材制造过程中，粉末与激光同步作用在熔池中，粉末束流对激光产生散射和吸收，同时粉末也相应产生吸热熔化或气化，探测系统的多束探测光在不同高度处穿过焊接激光束，部分探测光被光束内的粉末颗粒反射回各自探测激光腔内形成新的谐振，探测激光器与光电二极管集成，进行光电信号转换，经放大器后，由软件控制数据采集卡采集，再通过程序处理，得到表示功率随时间变化的电压图和频谱图，通过测量探测激光器电压、频率的变化并经过数据处理，可以得到送粉式增材制造中光束内粉末颗粒的尺寸在光束内不同位置的演化规律。以监测焊接激光束中粉末微粒尺寸、速度和浓度变化规律的方式，监测激光增材制造过程中的粉末行为。
一种送粉式增材制造粉末行为探测方法，其特征在于：探测系统、送粉器、焊接激光器和保护系统组成送粉式增材制造系统；探测系统的多束探测光在不同高度处穿过焊接激光束，部分探测光被焊接激光束内的粉末颗粒反射回各自探测激光腔内形成新的谐振，通过测量每一个探测激光器电压、频率的变化，得到焊接激光束内不同位置处粉末颗粒的尺寸和速度，基于颗粒尺寸和速度在激光束内的变化监测增材制造过程；
探测系统中激光的数量为2台～10台；探测激光束间可平行也可不平行；探测激光束之间的间距为1mm～20mm；探测激光束与焊接激光束之间的夹角为10°～90°；探测激光束与焊接激光束扫描方向之间的夹角为0°至180°；探测激光束与熔池的间距为0.1mm～100mm；探测激光的波长为0.1μm～20μm，测量中所有探测激光的波长相同或不同；探测激光器的输出功率为0.01mW～50W；探测激光束的直径为0.1mm～8mm。
所用焊接激光器为光纤激光、Nd:YAG激光、盘片式激光或半导体激光；焊接激光器的输出功率在0.1kW～50kW。
激光增材制造用粉末为金属粉末或陶瓷粉末或其它粉末等。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明是基于粉末颗粒探测的送粉式增材制造过程中粉末行为的监测，实时测量激光增材制造过程中光束内粉末的演化规律，一方面，相较于现有检测激光增材制造中粉末情况的研究方式，本发明获得实时的结果，无需进行模拟与实验吻合的验证，避免人为误差；另一方面，本发明能够实时测量粉末束流内的粉末的演化规律，如不同位置处粉末尺寸变化情况等，更加确切地反应光束内粉末的真实情况。此外，本发明具有系统结构简单、体积小、易于调节、成本低廉、测量简单快速、获得结果准确性好等优点，能够原位实时测量光束内不同位置处粉末的尺寸，深化对增材制造过程的理解。
附图说明
图1：送粉式增材制造过程中粉末行为监测的方法示意图
图中各个附图标记的含义：1.激光束，2.同轴激光送粉器，3.粉末束流，4.焊接试样，5.电源，6.多个探测激光(半导体激光器)，7.集成在探测激光上的光电二极管，8.配合各个探测信号的信号放大器，9.数据采集卡，10.电脑
图2：三镜腔模型
图3：探测信号电压图(靠近送粉管口的探测激光测量到的)，由图中得到，信号周期为25，则粉末尺寸约为16.6μm。
图4：探测信号电压图(远离送粉管口的探测激光测量到的)，信号周期为21，则粉末尺寸约为14μm。
具体实施方式
本发明原理如下：探测激光器可以看作复合腔激光器，建立三镜腔模型描述这个系统。如图2(a)所示，探测激光器由两个腔组成，一个是长度为Lc的激光腔，另一个是微粒到探测激光出射面的长度为Lext的外腔。该系统被建模为长度为Lc的单个腔，其具有等效的复振幅反射率req，如图2(b)所示。
在平移目标的情况下并且考虑到目标反射率rext非常小(即，<<r2)，忽略入射光子和粒子之间的多次相互作用(多次散射)，可以通过对每个粒子的后向散射贡献求和来计算等效腔反射率req，考虑ξi<<1，等效反射率的绝对值可以推导为：
其中，ξ是耦合系数，ωD是由多普勒效应引起的角频移，c是真空中的光速，ν是激光自由运行频率，VA是激光方向上的目标速度分量(VA＝V·sinθ)，j是虚数单位。ΦD是附加相位项，τd是折射率n外腔内的外部往返延迟时间。
来自不同散射粒子的P：
因此，激光输出功率P由mi和ωDi确定，其分别与第i个粒子的激光方向VAi上的反射系数rexti和速度分量相关。
载流子的变化是
的周期函数，周期为2π。载流子密度的变化对应了激光输出增益的变化，导致了输出光强度的变化。在ξi<<1的条件下，当/>
变化2π时，对应移动一个干涉条纹，即外腔长变化半个激光光波波长时对应一个干涉条纹。其输出强度是外腔长度的周期函数,对应外腔长度的变化是ΔL＝λ/2，当靶面移动时，输出强度的峰值随半个共振周期移动。
因此，粒子直径计算公式为：
由此原理，通过Matlab编程使Labview输出表示探测激光电压变化的波形图，根据电压波形，从图中能够读出微粒的尺寸和数量。
多普勒频率表达式为：
f为发射源于该介质中的原始发射频率，c为光速；v0为接收端相对于介质的移动速度；vs为发射源相对于介质的移动速度。
化简得到：
即：
夹角θ为半导体激光器角度与垂直粉末束流法线的夹角，由此即可算出微粒运动速度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：大于两束探测激光束穿过焊接激光束；探测激光束间可平行也可不平行；探测激光束之间的间距为2mm～20mm；探测激光束与焊接激光束之间的夹角为10°～90°；探测激光束与焊接激光束扫描方向之间的夹角为0°至180°；探测激光束与熔池的间距为1mm～100mm。焊接激光器为光纤激光、Nd:YAG激光、盘片式激光或半导体激光；焊接激光器的输出功率在0.2kW～50kW。探测激光的波长为0.1μm～20μm；探测激光器的输出功率为0.01mW～50W；探测激光束的直径为0.1mm～8mm；调整测量到的电压图形的幅值范围，直至电压图形中的波形完整清晰可读。
本实验中，焊接板材为10mm厚的低碳钢，表面经磨削处理；采用IPG公司生产的型号为YLS-6000光纤激光器。加工参数为：扫描速度2m/min，激光功率为5kW，光斑直径为1.06mm，光斑作用在板材表面；采用西安澳威光电科技有限公司生产的半导体激光器，激光波长为1310nm，焦距为30mm，激光功率为500mW；送粉器送粉速度为0.01412L/min，所用粉末为316不锈钢粉末，初始粉末直径约为17μm。采用National Instruments的型号为6361的数据采集卡进行数据采集，并用Labview软件调用Matlab程序进行处理，得到电压图和频谱图，通过读图得到羽辉中粒子尺寸和数量分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本领域内技术人员可以理解，本发明的保护范围并不局限于此。在不脱离本发明原理的前提下，任何可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种送粉式增材制造粉末行为探测方法，其特征在于：探测系统、送粉器、焊接激光器和保护系统组成送粉式增材制造系统；探测系统的多束探测光在不同高度处穿过焊接激光束，部分探测光被焊接激光束内的粉末颗粒反射回各自探测激光腔内形成新的谐振，通过测量每一个探测激光器电压、频率的变化，可以得到焊接激光束内不同位置处粉末颗粒的尺寸和速度，基于颗粒尺寸和速度在激光束内的变化监测增材制造过程；
探测系统中激光的数量为2台～10台；探测激光束间可平行也可不平行；探测激光束之间的间距为1mm～20mm；探测激光束与焊接激光束之间的夹角为10°～90°；探测激光束与焊接激光束扫描方向之间的夹角为0°至180°；探测激光束与熔池的间距为0.1mm～100mm；探测激光的波长为0.1μm～20μm，测量中所有探测激光的波长相同或不同；探测激光器的输出功率为0.01mW～50W；探测激光束的直径为0.1mm～8mm；
焊接激光器的输出功率在0.1kW～50kW；
探测激光器由两个腔组成，一个是长度为Lc的激光腔，另一个是微粒到探测激光出射面的长度为Lext的外腔；
通过对每个粒子的后向散射贡献求和来计算等效腔反射率req，考虑ξi<<1，等效反射率的绝对值推导为：
其中，ξ是耦合系数，ωD是由多普勒效应引起的角频移，c是真空中的光速，ν是激光自由运行频率，VA是激光方向上的目标速度分量，VA＝V·sinθ，j是虚数单位；ΦD是附加相位项，τd是折射率n外腔内的外部往返延迟时间；rext为目标反射率；
来自不同散射粒子的P：
粒子直径计算公式为：
多普勒频率表达式为：
f为发射源于介质中的原始发射频率，c为光速；v0为接收端相对于介质的移动速度；vs为发射源相对于介质的移动速度；
化简得到：
即：
夹角θ为半导体激光器角度与垂直粉末束流法线的夹角，由此算出微粒运动速度。
2.如权利要求1所述的一种送粉式增材制造粉末行为探测方法，其特征在于：所用焊接激光器为光纤激光、Nd:YAG激光、盘片式激光或半导体激光。
3.如权利要求1所述的一种送粉式增材制造粉末行为探测方法，其特征在于：激光增材制造用粉末为金属粉末或陶瓷粉末。
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