一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法，所述装置由加工单元、信号采集单元、数据处理单元和数据存储单元组成。本发明专利技术利用多波长折‑衍混合f‑theta聚焦镜、二向色镜等光学元件将三种不同波段的光路(激光加工光路、激光照明光路以及熔池图像信息采集光路)在成形腔外进行同轴耦合，用于对快速移动的微小熔池进行实时追踪和采集。此外，通过数据处理单元和数据存储单元对熔池图像和特征信息进行快速计算处理和多级存储，实现粉末床熔化增材制造过程熔池的长时间监测。本发明专利技术能够实现粉末床熔化增材制造长时间工况过程中熔池的高精度、全流程监测，为增材制造成形质量的评估和工艺参数的调控创造技术条件。

A welding pool monitoring device and method based on multi band coupling in material increasing process

【技术实现步骤摘要】
一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法
本专利技术属于增材制造在线检测
，更具体地，涉及一种基于多波段耦合的粉末床熔化增材制造过程熔池监测装置及方法。
技术介绍
粉末床熔化(Powderbedfusion,PBF)属于增材制造(Additivemanufacturing,AM)技术，它基于“离散-堆积”原理，能将粉末材料按照三维数据直接制造成致密度接近100％的零件。PBF技术成形精度高、后续加工量小，十分适合复杂形状构件的成形制造，尤其适合内部有复杂异型结构(如复杂内流道、点阵夹芯和相贯面等)等传统方法无法制造的零件。此外，PBF具有扫描速度快(～103mm/s)、熔池尺寸小(～102μm)、熔池停留时间短(～101ms)、冷却速率高(～106℃/s)、热循环复杂、铺粉过程随机性强等特点，导致加工过程难免出现球化、气孔、飞溅和翘曲等现象。随着该技术应用的不断推广，其成形过程稳定性和可靠性的不足已日益凸显，成为制约其产业化发展的技术瓶颈，亟待解决。PBF增材制造成形过程是粉末材料在高能束作用下“逐点-逐线-逐面”快速熔化和凝固的过程，并伴随着复杂的非稳态、多循环固态相变行为，熔池特征的稳定性是整个增材制造过程乃至最终成形零件组织性能稳定的保障。由于熔池不稳定带来的缺陷会随着逐层累加的成形特点而被放大，最终导致零件报废。现有的离线检测方法存在滞后性和不可提前干预的缺点，造成资源的浪费和加工周期的延长。因此，熔池在线、实时监测是提高PBF增材制造成形过程稳定性和可靠性的关键。虽然熔池监测技术在焊接、熔覆等领域已经开展了大量的研究和应用，但在PBF
与之相比有如下4点区别特征：①装备结构更复杂。PBF成形需要密闭腔进行气氛保护。一方面，腔内保护气体种类、压强和氧含量等因素都将对熔池形状和尺寸造成影响，另一方面，随着PBF装备朝着大尺寸的多工位方向发展，熔池监测功能需更高效地与装备集成。②高能束扫描速度更快。焊接和熔覆等技术的高能束扫描速度一般为10mm/s量级，而PBF技术的扫描速度可达103mm/s量级，这增加了熔池实时追踪监测的难度。③零件形状更复杂。PBF技术成形零件的形状复杂，这使得高能束扫描路径下，熔池周围的导热环境变得复杂(如悬臂结构粉末支撑的导热系数相较于实体支撑有巨大差异)，导致熔池形状尺寸和温度在PBF成形中更易产生波动和变化，这需要辅以照明光源提高熔池成像效果，并要求更短的采样时间以获取熔池演变的细节。④成形时间更长。PBF成形数百毫米零件的加工时间可达上百小时，而高速移动熔池监测在单位时间内产生的数据量大(～GB/s)，这对PBF熔池监测功能的数据采集、传输、处理和存储都提出了更高的要求。针对上述PBF熔池监测技术区别于焊接和熔覆的特点，目前相关研究及已公开的专利文献如下：专利文献CN106363171A公开了一种选择性激光熔化成形熔池实时监测装置及监测方法，所述装置包括顶部设置有熔化成形激光系统和脉冲激光器的成型腔、以及架设在该成型腔内升降架底部的3组摄像机和红外测温传感器等，所述方法为通过摄像机和红外测温传感器的熔池多角度测量，获得熔池熔池温度、形状及面积，进而实现对成形精度及激光功率进行在线评估和反馈。专利文献CN106363171A公开的装置和方法虽然通过电机驱动激光镜筒以及在成形腔顶部开设透明窗的方法实现了照明光源(脉冲激光)和加工激光(熔化成形激光)的同步移动，但探测器(摄像机和红外测温传感器)受限于电机驱动较低的加速度，难以对速度快至～103mm/s的移动熔池进行实时追踪，从而影响了熔池监测效果。专利文献US2009/0206065A1公开了一种选区激光粉末加工原位监测和反馈控制的方法和装置，所述装置包括成型腔、粉末沉积系统、激光器、扫描振镜、探测器、光学系统和控制单元等，所述方法包括采用成形腔外的摄像机和光电二极管同轴跟踪监测选区激光粉末成形熔池尺寸演变并进行PID反馈控制，实现选区激光粉末加工过程的原位监测和反馈控制，专利文献US2009/0206065A1公开的原位监测装置虽然实现了加工激光和探测器的同轴集成安装，但未加入激光照明光源对熔池区域进行辅助照明，导致无法分辨已扫描实体区域、未扫描粉末区域和熔池液相等现象，从而限制了熔池成像质量的提高。从上述专利文献可知，目前尚未有将加工、照明和监测等多波段光路在成形腔外进行同轴耦合集成的专利报道，并且现有技术所用f-theta聚焦镜只能对单一波长响应，未解决多波段光路耦合时产生的像差问题；此外，更未涉及PBF长时间工况下的全流程监测，导致PBF熔池监测技术成熟度不高，无法满足实际检测需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于多波段耦合的粉末床熔化增材制造过程熔池监测装置及方法，采用多波长折-衍混合f-theta聚焦镜、二向色镜等光学元件将三种不同波段的光路(激光加工光路、激光照明光路以及熔池图像信息采集光路)在成形腔外进行同轴耦合，用于对快速移动的PBF微小熔池进行实时追踪和采集，而不受加工环境的影响。通过数据处理和存储单元对熔池图像和特征信息进行快速计算和存储，为成形质量的评估和工艺参数的调控奠定了基础。其目的在于实现粉末床熔化增材制造长时间工况过程中熔池的高精度、全流程监测。由此解决现有PBF熔池监测存在的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置，包括信号采集单元、数据处理单元和数据存储单元；其中：所述多波段耦合的增材制造所使用的加工单元包括二向色镜、扫描振镜、多波长折-衍混合f-theta聚焦镜、激光器、扩束镜和成形腔；所述成形腔是封闭的腔体，其顶部开有窗口，用于激光透射进入成形腔内部；成形腔底部设有粉床；所述激光器产生的加工激光经扩束镜扩束准直后到达二向色镜，由其反射后，和经二向色镜透射的照明光一并进入扫描振镜；所述多波长折-衍混合f-theta聚焦镜工作时设置在成形腔顶部开窗处，并位于所述扫描振镜的下方；所述加工激光经扫描振镜偏转方向后到达多波长折-衍混合f-theta聚焦镜，由其校正色差、球差、场曲后，经成形腔上部窗口投射到所述粉床，与其表面的金属粉末相互作用形成熔池；所述信号采集单元包括高速摄像机、长焦显微镜头、滤光片、分光镜和激光照明光源；工作时，所述激光照明光源产生的照明光经分光镜反射或透射后到达二向色镜，经扫描振镜和多波长折-衍混合f-theta聚焦镜后，由成形腔上部窗口投射到所述粉床实现照明；所述高速摄像机设在分光镜的透射或反射光路上，远离所述二向色镜一端，与激光照明光源设置为同步工作，用于采集熔池的图像信息；所述图像信息为熔池的辐射光和反射的照明光，依次经过多波长折-衍混合f-theta聚焦镜、扫描振镜、二向色镜、分光镜逆向光路传来；所述数据处理单元用于对采集的图像进行分析处理，提取熔池特征信息；所述数据存储单元用于将处理后的图像和提取的熔池特征信息存储到数据存储单元。优选地，所述信号采集单元中，高速摄像机与分光镜之间，还设有长焦显微镜头，用于快速移动微小熔池的远距离清晰成像；优选地，所述长焦显微镜头的物镜前还设有滤光片，用于滤除干扰光。优选地，所述二向色镜通过镀膜实现波长选择功能：对激光器输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置，包括信号采集单元、数据处理单元(17)和数据存储单元(18)；其中：所述多波段耦合的增材制造所使用的加工单元包括二向色镜(5)、扫描振镜(6)、多波长折‑衍混合f‑theta聚焦镜(7)、激光器(9)、扩束镜(10)和成形腔(16)；所述成形腔(16)是封闭的腔体，其顶部开有窗口，用于激光透射进入成形腔内部；成形腔(16)底部设有粉床(12)；所述激光器(9)产生的加工激光经扩束镜(10)扩束准直后到达二向色镜(5)，由其反射后，和经二向色镜(5)透射的照明光一并进入扫描振镜(6)；所述多波长折‑衍混合f‑theta聚焦镜(7)工作时设置在成形腔(16)顶部开窗处，并位于所述扫描振镜(6)的下方；所述加工激光经扫描振镜(6)偏转方向后到达多波长折‑衍混合f‑theta聚焦镜(7)，由其校正色差、球差、场曲后，经成形腔(16)上部窗口投射到所述粉床(12)，与其表面的金属粉末相互作用形成熔池(11)；所述信号采集单元包括高速摄像机(1)、长焦显微镜头(2)、滤光片(3)、分光镜(4)和激光照明光源(8)；工作时，所述激光照明光源(8)产生的照明光经分光镜(4)反射或透射后到达二向色镜(5)，经扫描振镜(6)和多波长折‑衍混合f‑theta聚焦镜(7)后，由成形腔(16)上部窗口投射到所述粉床(12)实现照明；所述高速摄像机(1)设在分光镜(4)的透射或反射光路上，远离所述二向色镜(5)一端，与激光照明光源(8)设置为同步工作，用于采集熔池(11)的图像信息；所述图像信息为熔池(11)的辐射光和反射的照明光，依次经过多波长折‑衍混合f‑theta聚焦镜(7)、扫描振镜(6)、二向色镜(5)、分光镜(4)逆向光路传来；所述数据处理单元(17)用于对采集的图像进行分析处理，提取熔池特征信息；所述数据存储单元(18)用于将处理后的图像和提取的熔池特征信息存储到数据存储单元。...

【技术特征摘要】
1.一种用于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置，包括信号采集单元、数据处理单元(17)和数据存储单元(18)；其中：所述多波段耦合的增材制造所使用的加工单元包括二向色镜(5)、扫描振镜(6)、多波长折-衍混合f-theta聚焦镜(7)、激光器(9)、扩束镜(10)和成形腔(16)；所述成形腔(16)是封闭的腔体，其顶部开有窗口，用于激光透射进入成形腔内部；成形腔(16)底部设有粉床(12)；所述激光器(9)产生的加工激光经扩束镜(10)扩束准直后到达二向色镜(5)，由其反射后，和经二向色镜(5)透射的照明光一并进入扫描振镜(6)；所述多波长折-衍混合f-theta聚焦镜(7)工作时设置在成形腔(16)顶部开窗处，并位于所述扫描振镜(6)的下方；所述加工激光经扫描振镜(6)偏转方向后到达多波长折-衍混合f-theta聚焦镜(7)，由其校正色差、球差、场曲后，经成形腔(16)上部窗口投射到所述粉床(12)，与其表面的金属粉末相互作用形成熔池(11)；所述信号采集单元包括高速摄像机(1)、长焦显微镜头(2)、滤光片(3)、分光镜(4)和激光照明光源(8)；工作时，所述激光照明光源(8)产生的照明光经分光镜(4)反射或透射后到达二向色镜(5)，经扫描振镜(6)和多波长折-衍混合f-theta聚焦镜(7)后，由成形腔(16)上部窗口投射到所述粉床(12)实现照明；所述高速摄像机(1)设在分光镜(4)的透射或反射光路上，远离所述二向色镜(5)一端，与激光照明光源(8)设置为同步工作，用于采集熔池(11)的图像信息；所述图像信息为熔池(11)的辐射光和反射的照明光，依次经过多波长折-衍混合f-theta聚焦镜(7)、扫描振镜(6)、二向色镜(5)、分光镜(4)逆向光路传来；所述数据处理单元(17)用于对采集的图像进行分析处理，提取熔池特征信息；所述数据存储单元(18)用于将处理后的图像和提取的熔池特征信息存储到数据存储单元。2.根据权利要求1所述的熔池监测装置，其特征在于，所述信号采集单元中，高速摄像机(1)与分光镜(4)之间，还设有长焦显微镜头(2)，用于快速移动微小熔池的远距离清晰成像；优选地，所述长焦显微镜头(2)的物镜前还设有滤光片(3)，用于滤除干扰光。3.根据权利要求1所述的熔池监测装置，其特征在于，所述二向色镜(5)通过镀膜实现波长选择功能：对激光器输出光表现出高反的特性，以减小热透镜效应的影响；对激光照明光波长以及熔池辐射的780～1000nm的近红外光呈高透特性。4.根据权利要求1所述的熔池监测装置，其特征在于，所述多波长折-衍混合f-theta聚焦镜(7)工作于500-1200nm波段，其由三片光轴共线的透镜组成，其中：光束入射的第一片透镜为凹透镜(19)，由低折射率高色散系数的光学材料制成，用于矫正场曲；中间的透镜为凸透镜(20)，由高折射率低色散系数的光学材料制成，用于汇聚光线，并与所述凹透镜(19)配合用于矫正包括球差、彗...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷杰，杨亮亮，王泽敏，陈昌棚，曾晓雁，朱海红，郭连波，彭刚勇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42