本发明专利技术公开了一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置及方法；该装置通过高速摄影机拍摄出实时的粉末流与激光交互作用清晰图片，结合图像处理获取与激光束交互区域粉末流特定轨迹上的灰度分布，从而表征出粉末流与激光交互时粉末颗粒在激光束中运动的连续温度变化规律；检测方法集成化程度高，适应性强，能够方便快捷地反映出粉末与激光交互作用时粉末颗粒温度变化规律，为粉末流与激光束交互作用优化、送粉喷嘴设计改进以及过程模拟验证提供了重要的表征及检验方法。
A testing device and method for the interaction of powder and laser additive
【技术实现步骤摘要】
一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置及方法
本专利技术属于送粉式激光增材制造
，具体涉及一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置及方法。
技术介绍
同步送粉激光增材制造技术作为一种先进制造技术，其物理过程包括：高能密度激光束作用在基材上形成熔池，同时送粉装置将粉末颗粒同步送进熔池，随着激光热源在基材上逐点、逐线移动，粉末材料在熔池移动轨迹上不断熔化、凝固，最终堆积出具有一定外形的三维金属实体零件。相比于传统制造技术，同步送粉激光增材制造技术具有制造过程柔性化程度高、产品研制周期短、能够成形结构复杂的零件并且所制造的零件具有很高的力学性能和化学性能等一系列优点。同步送粉激光增材制造过程中，粉末颗粒进入熔池前会被激光束辐照，与激光束发生交互作用，从而引起粉末进入熔池前的温度变化，这对于接下来粉末颗粒与熔池的交互作用至关重要，对最终的沉积质量有重要的影响。然而，由于粉末流中粉末颗粒非常小，通常为50-200μm，而且运动速度极快，通常为0.2-5m/s，因此，对粉末颗粒与激光束的交互作用下温度的变化测量非常困难。另一方面，粉末流与激光束在不同交互作用条件下的交互效果，关系到粉末送进方式和装置的优化和改进，需要开展系统的研究。目前为获得粉末颗粒与激光束交互时粉末颗粒连续温度变化情况，通常采用数值模拟的方式实现，然而粉末与激光交互涉及的因素众多，主要影响因素有粉末对激光的吸收率、激光能量分布、激光功率、粉末颗粒粒径分布、颗粒形状、粉末颗粒运动速度、粉末颗粒运动轨迹等，要建立准确可靠的激光与粉末交互作用模型极为困难。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置及方法；本装置集成化程度高，适应性强，使用方法能够方便快捷地反映出粉末与激光交互作用时粉末颗粒温度变化规律。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，包括：激光聚焦头、摄影装置和理论基材；激光聚焦头上设置有送粉喷嘴，激光聚焦头固定设置在同步送粉激光增材制造装置上；摄影装置包括高速摄影机，高速摄影机连通至计算机，计算机将高速摄影机传入的图片进行均匀化处理及灰度提取；激光聚焦头的轴线方向为Z方向，送粉喷嘴的轴线和激光聚焦头的轴线形成平面的法线方向为Y方向，Y方向和Z方向形成平面的法线方向为X方向；X方向和Y方向形成的平面为理论基材的上表面，高速摄影机拍出图像的下边沿低于理论基材的上表面，或高速摄影机拍出图像的下边沿在理论基材的上表面上；高速摄影机的镜头的轴线方向与Y方向平行。本专利技术的进一步改进在于：优选的，送粉喷嘴通过调整机构安装在激光聚焦头上；所述调整机构包括X方向调整机构，X方向调整机构的一端固定连接在激光聚焦头上，另一端连接有Z方向调整机构，Z方向调整机构上固定连接有角度调整机构，角度调整机构中的连接块和送粉喷嘴固定连接；调整机构与计算机相连，计算机中的调整模块通过控制调整机构改变送粉喷嘴的位置和角度。优选的，摄影装置还包括固定板，高速摄影机安装在固定板上，固定板设置在理论基材的边沿。优选的，高速摄影机的镜头前端固定设置有滤波片。优选的，高速摄影机中设置有图像处理模块，图像处理模块用于去除采集到图像中的背景对采集图像的干扰，同时去除拍摄的图像中理论基材位置下方粉末和激光束交互作用的图像。优选的，计算机通过将连续n帧图像中各像素点的灰度值求平均值，对高速摄影机传入的图片进行均匀化处理及灰度提取，其中n为＞10的自然数。优选的，提取送粉喷嘴中心轴线上的灰度值。优选的，高速摄影机的镜头的轴线方向为Y方向；高速摄影机的曝光时间为20ms-500ms。一种基于上述的同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置的检测方法，包括以下步骤：步骤1，通过送粉喷嘴连续输送粉末颗粒，粉末颗粒穿过激光束并与激光束发生交互作用；步骤2，将高速摄影机镜头的轴线方向调整至Y方向，然后将高速摄影机进行聚焦并调整曝光时间，连续拍摄图像；步骤3，高速摄影机将拍摄图像传输至计算机中，拍摄图像为连续光粉交互图片，计算机将连续光粉交互图片进行均匀化处理，得到均匀化处理后的图像；步骤4，沿粉末送进方向提取均匀化处理后图像中光粉交互区域灰度值，获得粉末运动方向上的灰度分布，所述灰度分布反映粉末颗粒与激光束交互作用下温度的变化规律。优选的，所述同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置中，送粉喷嘴通过调整机构设置在激光聚焦头上；所述调整机构包括X方向调整机构、Z方向调整机构和角度调整机构；步骤1中，粉末颗粒通过送粉喷嘴连续输送前，通过X方向调整机构和Z方向调整机构调整送粉喷嘴的位置，通过角度调整机构调整送粉喷嘴的轴线和X方向形成的夹角。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，该装置通过在激光聚焦头和送粉喷嘴的前方设置高速摄影机，使得高速摄影机能够拍摄出实时的粉末流与激光交互作用的图片，结合图像处理获取与激光束交互区域粉末流特定轨迹上的灰度分布，用于表征粉末流与激光交互时粉末颗粒连续的温度变化规律；利用该图片能够实时反应粉末流与激光束在不同交互作用条件下的交互效果，同时为建立准确、可靠的粉末与激光交互作用有限元模型提供边界条件和验证方法。进一步的，该装置设置有调整机构，以调整送粉喷嘴的位置和角度，从而使该装置能够对不同结构送粉喷嘴输送的粉末流与激光交互过程进行检测。进一步的，高速摄影机设置在固定板上，使得高速摄影机在拍摄过程中能够始终处于一个位置，并保持稳定状态。进一步的，高速摄影机的前端设置有滤波片，用于消除激光束的反射、散射对图像灰度的影响，同时也可以防止粉末颗粒对镜头的损伤。进一步的，高速摄影机中设置有图像处理模块，用于对高速摄影采集到的图像进行预处理。进一步的，由于粉末流温度与所获取的粉末流通过激光束图片中的灰度存在线性比例关系，因此喷嘴中心轴线上粉末流灰度变化即可反映粉末颗粒在该轨迹上运动的温度变化规律。进一步的，高速摄影机的镜头轴线方向为Y方向，即送粉喷嘴的轴线、激光聚焦头的轴线和高速摄影机的镜头轴线相交于一点O点，确保光-粉交互区域处于图像的中心；高速摄影机对焦选择合适的曝光时间，避免获取的图像灰度饱和，同时保证高速摄影机拍摄出的图像数量满足要求。本专利技术还公开了一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测方法，本专利技术通过高速摄影设备实时采集粉末与激光交互作用图像，实现了粉末颗粒与激光交互的实时观察，同时通过对图像进行预处理与灰度提取，获取了粉末流沿喷嘴轴线的灰度值与喷嘴距理论基材表面距离H的关系，用于表征粉末颗粒与激光束交互时粉末颗粒连续温度变化规律，该方法集成化程度高，适应性强，能够方便快捷地反映出送粉喷嘴不同位置，粉末与激光交互作用时粉末颗粒温度变化规律，为粉末流与激光束交互作用优化、送粉喷嘴设计改进以及过程模拟验证提供了重要的表征及检验方法。【附图说明】图1是本专利技术实施例中所述装置的结构示意图；图2a是本专利技术实施例中喷嘴与激光束的位置关系示意图。图2b是本专利技术实施例中的灰度提取示意图。图3是本专利技术实施例中灰度提取结果。图4是本专利技术实施例中所述方法的工艺流程图。其中：1-激光聚焦头；2-X方向调整机构；3-Z方本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，其特征在于，包括：激光聚焦头(1)、摄影装置(7)和理论基材(6)；激光聚焦头(1)上设置有送粉喷嘴(5)，激光聚焦头(1)固定设置在同步送粉激光增材制造装置上；摄影装置(7)包括高速摄影机(9)，高速摄影机(9)连通至计算机(11)，计算机(11)将高速摄影机(9)传入的图片进行均匀化处理及灰度提取；激光聚焦头(1)的轴线方向为Z方向，送粉喷嘴(5)的轴线和激光聚焦头(1)的轴线形成平面的法线方向为Y方向，Y方向和Z方向形成平面的法线方向为X方向；X方向和Y方向形成的平面为理论基材(6)的上表面，高速摄影机(9)拍出图像的下边沿低于理论基材(6)的上表面，或高速摄影机(9)拍出图像的下边沿在理论基材(6)的上表面上；高速摄影机(9)的镜头的轴线方向与Y方向平行。
【技术特征摘要】
2019.05.16 CN 20191041069531.一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，其特征在于，包括：激光聚焦头(1)、摄影装置(7)和理论基材(6)；激光聚焦头(1)上设置有送粉喷嘴(5)，激光聚焦头(1)固定设置在同步送粉激光增材制造装置上；摄影装置(7)包括高速摄影机(9)，高速摄影机(9)连通至计算机(11)，计算机(11)将高速摄影机(9)传入的图片进行均匀化处理及灰度提取；激光聚焦头(1)的轴线方向为Z方向，送粉喷嘴(5)的轴线和激光聚焦头(1)的轴线形成平面的法线方向为Y方向，Y方向和Z方向形成平面的法线方向为X方向；X方向和Y方向形成的平面为理论基材(6)的上表面，高速摄影机(9)拍出图像的下边沿低于理论基材(6)的上表面，或高速摄影机(9)拍出图像的下边沿在理论基材(6)的上表面上；高速摄影机(9)的镜头的轴线方向与Y方向平行。2.根据权利要求1所述的一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，其特征在于，送粉喷嘴(5)通过调整机构安装在激光聚焦头(1)上；所述调整机构包括X方向调整机构(2)，X方向调整机构(2)的一端固定连接在激光聚焦头(1)上，另一端连接有Z方向调整机构(3)，Z方向调整机构(3)上固定连接有角度调整机构(4)，角度调整机构(4)中的连接块和送粉喷嘴(5)固定连接；调整机构与计算机(11)相连，计算机(11)中的调整模块通过控制调整机构改变送粉喷嘴(5)的位置和角度。3.根据权利要求1所述的同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，其特征在于，摄影装置(7)还包括固定板(8)，高速摄影机(9)安装在固定板(8)上，固定板(8)设置在理论基材(6)的边沿。4.根据权利要求1所述的一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，其特征在于，高速摄影机(9)的镜头前端固定设置有滤波片(10)。5.根据权利要求1所述的一种同步送粉激光增材制造光粉交互的检测装置，其特征在于，高速摄...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭华，米泽森，袁子豪，陈静，林鑫，黄卫东，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61
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