CN115178756B - 一种激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置及方法，属于激光选区熔化过程实时监测领域。该装置包括共轴随动熔池温度监测系统，具体包括中空平面反射镜、光学镜头、光学探测成像器件和二维随动台。中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件固定在二维随动台上，根据上位机指令进行随动；中空平面反射镜与打印区域平面成一定角度安装，其中空部分用于透过选区熔化光路中经过振镜系统调控后的激光光束，其余部分用于反射激光选区熔化瞬态熔池辐射的光，使其反射后经光学镜头到达光学探测成像器件，实现某区域的激光选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像。本发明实现金属材料激光选区熔化增材制造。

Description

一种激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置及方法
技术领域
本发明属于激光选区熔化过程实时监测领域，涉及一种激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置及方法。
背景技术
激光选区熔化过程是高能量密度能量束直接作用在金属粉末床上，金属粉末吸收能量迅速熔化乃至于蒸发、汽化，能量束离开作用区域后，熔化的金属粉末快速凝固。因此，通过对熔池特征的监测，可有效地了解熔池金属熔化状态，为激光选区熔化增材制造工艺调控提供理论支撑。目前，激光增材制造熔池特征监测主要还是采用与激光光路同轴的方法，在激光光路引出熔池特征辐射，利用光学成像仪或二极管等对其进行监测，该方法所利用的测量光路的通光口径和光学器件透过率受到激光光路的限制，无法满足高分辨率和快速的熔池特征成像。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置及方法，利用共轴随动熔池特征监测系统，解决现有同轴光路成像受通光口径影响以及激光选区熔化瞬态熔池温度的高分辨实时监测问题，实现金属材料激光选区熔凝增材制造。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
方案一：一种激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置，包括共轴随动熔池特征监测系统，具体包括中空平面反射镜、光学镜头、光学探测成像器件、二维随动台及其配套的支架；
所述中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件固定在二维随动台上，根据上位机指令进行随动；所述中空平面反射镜与打印区域平面成一定角度安装；所述中空平面反射镜中空部分用于透过选区熔化激光光束，其余部分用于反射激光选区熔化瞬态熔池辐射的光，使其反射后经光学镜头到达光学探测成像器件，实现某区域的激光选区熔化瞬态熔池特征成像。
优选的，中空平面反射镜与打印区域平面成45±10度安装。中空平面反射镜镀介质膜，介质膜对熔池特征辐射光波段高反，对选区熔化激光波段高透。
优选的，光学探测成像器件包括高速红外探测器和高速可见光探测器。
优选的，根据激光选区熔化工艺条件和共轴随动熔池温度监测需求，设计平面反射镜直径D为5～20厘米；在平面反射镜中心开一个直径d为1～4厘米的孔。
方案二：一种激光选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像方法，具体是：
将方案一中的共轴随动熔池特征监测系统集成到已有的激光选区熔化制造系统上，实现激光选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像；
将整个激光选区熔化区域分成若干个单元扫描区域，在同一个单元扫描区域内，二维随动台保持不动，不同单元扫描区域间通过二维随动台的移动带动中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件的移动；
对某一单元扫描区域进行激光选区熔化增材制造时，选区熔化光路激光经过振镜系统调控激光光束，通过中空平面反射镜，实现选区熔化增材制造；同时，激光选区熔化瞬态熔池辐射经过中空平面反射镜反射到达光学镜头，由光学探测成像器件进行成像，实现此单元扫描区域内激光选区熔化瞬态熔池特征成像；
待上述单元扫描区域制造完成，由上位机指令控制二维随动台的移动带动中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件移动到下一个待制造单元扫描区域，完成同样地激光选区熔化增材制造；
通过二维随动台的移动与振镜系统对激光光束调控的协调，实现激光选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像。
本发明的有益效果在于：本发明设计了一种基于共轴随动熔池特征监测装置的激光选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像方法，解决了同轴光路成像受通光口径影响以及激光选区熔化瞬态熔池温度的高速高分辨实时监测问题，实现金属材料激光选区熔凝增材制造。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为实施例1中激光选区熔化增材制选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像装置结构示意图；
图2为实施例1采用的中空平面反射镜结构示意图；
图3为选区熔化增材制选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像方法流程图。
附图标记：1-中空平面反射镜，2-反射镜安装座，3-二维随动台，4-光学探测成像器件，5-光学镜头，6-激光选区熔化区，7-XY偏转振镜，8-动态聚焦镜，9-激光器，10-控制卡，11-数据采集卡，12-上位机。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实例1：
请参阅图1～图3，本实施例设计了一种激光选区熔化增材制选区熔化瞬态熔池温度高速高分辨率成像装置及方法，该装置是将本发明设计的共轴随动熔池温度监测系统集成到已有的激光选区熔化制造系统上，实现激光选区熔化瞬态熔池温度高速高分辨率成像。该装置的详细结构描述如下：
1、共轴随动熔池温度监测系统
如图1所示，共轴随动熔池温度监测系统包括了中空平面反射镜1、光学镜头5、光学探测成像器件4、二维随动台3及反射镜安装座2。
中空平面反射镜1：与打印区域平面成45度安装，中空平面反射镜要求尽量高的中波光学波段反射率，为保证在中波光学波段更好的反射率，中空平面反射镜选用镀金介质膜。
二维随动台3：中空平面反射镜1、光学镜头5和光学探测成像器件4固定在二维随动台3上，根据上位机指令进行随动。
光学镜头5选用红外镜头。
光学探测成像器件4选用热成像仪。
2、中空平面反射镜设计与制造
根据激光选区熔化工艺条件和共轴随动熔池温度监测需求，设计制造出平面反射镜，直径D为5厘米；在平面反射镜中心开一个直径d为1厘米的孔，制造出中空平面反射镜，如图2所示。
3、激光选区熔化瞬态熔池温度高速高分辨率成像
将共轴随动熔池温度监测系统集成到已有的激光选区熔化制造系统上，如图1所示，实现激光选区熔化瞬态熔池温度高速高分辨率成像，具体方法如下：
将整个激光选区熔化区域分成若干个单元扫描区域，在同一个单元扫描区域内，二维随动台保持不动，不同单元扫描区域间通过二维随动台的移动带动中空平面反射镜、红外镜头和红外探测成像器件的移动。
如图3所示，对某一单元扫描区域进行激光选区熔化增材制造时，选区熔化光路激光经过振镜系统(XY偏转振镜7)调控激光光束，通过中空平面反射镜1的中间孔洞，实现选区熔化增材制造；同时，激光选区熔化瞬态熔池辐射经过中空平面反射镜1反射到达光学镜头5，由光学探测成像器件4进行成像，实现此单元扫描区域内激光选区熔化瞬态熔池温度监测。
待上述单元扫描区域制造完成，由上位机12指令控制二维随动台的移动带动中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件移动到下一个待制造单元扫描区域，完成同样地激光选区熔化增材制造；
通过二维随动台的移动与振镜系统(XY偏转振镜7)对激光光束调控的协调，实现激光选区熔化瞬态熔池温度高分辨率监测。
实例2：
在实施例1的基础上，光学镜头5选用可见光镜头、光学探测成像器件4选用高速光学CCD，即可实现瞬态熔池和周边粉末移动及飞溅的高速高分辨率成像。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置，其特征在于，该装置包括共轴随动熔池温度监测系统，具体包括中空平面反射镜、光学镜头、光学探测成像器件和二维随动台；所述中空平面反射镜镀介质膜，介质膜对熔池特征辐射光波段高反，对选区熔化激光波段高透；
所述中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件固定在二维随动台上，根据上位机指令进行随动；所述中空平面反射镜与打印区域平面成一定角度安装；所述中空平面反射镜中空部分用于透过选区熔化激光光束，其余部分用于反射激光选区熔化瞬态熔池及周边辐射的光，使其反射后经光学镜头到达光学探测成像器件，实现某区域的激光选区熔化瞬态熔池及周边特征成像；
将共轴随动熔池监测系统集成到已有的激光选区熔化制造系统上，不修改原有光路即能实现激光选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像，具体包括：
将整个激光选区熔化区域分成若干个单元扫描区域，在同一个单元扫描区域内，二维随动台保持不动，不同单元扫描区域间通过二维随动台的移动带动中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件的移动；
对某一单元扫描区域进行激光选区熔化增材制造时，选区熔化光路激光经过振镜系统调控激光光束，通过中空平面反射镜，实现选区熔化增材制造；同时，激光选区熔化瞬态熔池辐射经过中空平面反射镜反射经过光学镜头，由光学探测成像器件进行成像，实现此单元扫描区域内激光选区熔化瞬态熔池特征成像；
待上述单元扫描区域制造完成，由上位机指令控制二维随动台的移动带动中空平面反射镜、光学镜头和光学探测成像器件移动到下一个待制造单元扫描区域，完成同样地激光选区熔化增材制造；
通过二维随动台的移动与振镜系统对激光光束调控的协调，实现激光选区熔化瞬态熔池特征高速高分辨率成像。
2.根据权利要求1所述的激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置，其特征在于，所述中空平面反射镜与打印区域平面成45±10度安装。
3.根据权利要求1所述的激光选区熔化瞬态熔池特征高分辨率成像装置，其特征在于，所述光学探测成像器件选用高速红外成像器件或高速可见光成像器件。
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