高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置及方法。使用本发明专利技术能够只采用一个高速相机实现对熔池温度的检测，且结构简单，易于实现。本发明专利技术首先采用长波通二向色镜只将熔池辐射的红外光信号反射进入分光系统，避免了激光器激光对成像的影响；然后在分光系统中，利用二向色镜及带通滤波片，选定2个不同波段的红外光进行成像和温度计算，避免了打印室内等离子体对高速相机成像的影响，并避免了同一波段光分束造成的光强损耗，提高了测量精度。本发明专利技术分光系统结构简单紧凑、体积小，可实现分出的光束一和光束二以平行光的形式进入同一高速相机中实现同轴测量，且通过调整光程差，实现两个图像同时聚焦成像。

【技术实现步骤摘要】
高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置与方法
本专利技术涉及熔池温度场在线监控
，具体涉及一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置与方法，可适用于增材制造激光选区熔化加工过程中熔池温度场的在线监测。
技术介绍
金属3D打印技术是目前3D打印体系中最为前沿和最具有潜力的技术，是目前先进制造技术中的重点发展方向之一。金属3D打印技术按照采用金属粉末添置的方式主要分为三类：激光选区熔化技术、激光近净成型技术、电子束选区熔化技术。激光选区熔化技术适用于传统工艺无法制造的内部有异形复杂结构的零件的制造，同时，由于该技术成形精度较高，在普通零件应用中可保留更多的非加工面，因此可更好地解决难切削材料的加工问题。激光选区熔化技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。其原理是首先通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，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。在激光选区熔化加工过程中，激光功率和扫描速度等参数在加工过程中是不变的，但是在每一层加工时，成形件内部的热应力会随着成形层数的增加而逐渐累积，当残余应力达到材料的屈服强度时发生塑性变形产生裂纹；此外如果冷却速度过快，气体来不及从熔池中逸出，则有可能形成孔隙；孔隙和裂纹又会影响熔池的温度场分布。可见，如果能在加工过程中实时监测熔池温度，可以及时发现缺陷并对缺陷进行处理，将会大大的提高成型产品的质量。同时，熔池的温度场信息对分析产品成型质量、残余应力、强度等具有重要作用，准确测量熔池的温度场有利于提高增材制造技术的制造精度。然而在激光选区熔化过程中，熔池的范围特别小(一个熔池大小为200～300μm)、激光扫描速度和熔池温度的变化速度很快(激光扫描速度在4m/s-10m/s之间，粉末的加热和凝固速度最快在一秒有几百度的变化)、熔池温度极高(熔池最高温度可达3000℃)；如果利用现有的普通红外热像仪测量其温度场，受红外热像仪的分辨率和测量帧率限制，其测量精度难以达到高速测温、高分辨率的要求(红外热像仪的帧率往往只有几十，由于熔池本身很小，如果用红外热像仪，整个熔池在红外热像仪上只能看见一个点，而对于激光扫描而言，在一秒拍10000张图像的情况下，其分辨率要求大概在500×400)；而且，增材制造设备的集成化发展趋势急需一种易于集成的熔池温度场的在线监测设备。在公开号为CN109014202A，名称为“一种激光选区熔化加工过程熔池温度实时监测装置及方法”的中国专利申请中，在振镜与激光器之间加入半反半透镜，将测温所需波长的范围增透，增透后的光线通过分光镜分光，分别用两个高速相机进行处理。但是该方法使用两个高速相机、价格昂贵，且两台高速相机同步触发时间不准确或者图形匹配不准确都会造成测温结果的误差。在公开号为CN108871585A，名称为“基于单相机的温度场测量系统及方法”的中国专利申请中，利用平板分光镜将入射窗的光束分成相同的两束光，再经过反射镜反射到同一个相机的靶面中。该方法仅需一个相机即可拍摄到具有两个目标图像的图片，避免了现有技术中两个相机不方便同步触发的缺陷，提高了测量精度，同时降低了成本。但是激光选区熔化设备中打印室为封闭结构且激光选区熔化设备中各个装置之间结构紧凑，该方案中，光线在分光光路里面经过多次的反射，并且出射光和入射光的夹角是135度，分光角度过大，造成两束光难以同时进入高速相机，摆放高速相机不太方便；并且不能直接应用于同轴测温，无法使相机拍的两幅图像同时对焦，图像会模糊。此外，该方法中所用的平板分光镜将光分为相同的光束一和光束二，造成熔池辐射的光强有损耗，相机采集到图片亮度偏弱。在公开号为CN109759591A，名称为“一种选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法及系统”的中国专利申请中，通过光电二极管监测熔池辐射光强度间接表征熔池热情况，将辐射光依次转化为电压信号、数字信号，然后对数字信号进行处理得到温度数据。其根据熔池辐射光强度大小间接表征熔池的温度是否过高或过低，但该方法为单点测温法，只能测量熔池的平均温度，无法测量出具体的熔池温度值分布，仅知道熔池的平均温度无法用于熔池的缺陷监测。综上，目前实现激光选区熔化加工过程中在线熔池温度场的精确测量很有必要。发展一种可以应用在激光选区熔化设备中，测量精度高、高速高分辨率、经济实用、体积小可直接安装在打印设备上的熔池温度场的在线监测装置和技术，是目前增材制造领域中需要解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，能够只采用一个高速相机实现对熔池温度的检测，且能够实现同轴测温，结构简单，易于实现。本专利技术的高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，包括激光器、扫描振镜、分光系统、高速相机和电脑，其特征在于，还包括长波通二向色镜；其中，长波通二向色镜位于激光器和扫描振镜之间；所述长波通二向色镜上镀有增透膜的平面面向激光器，用于透射激光器的激光，镀有二向色膜的平面面向扫描振镜，用于反射熔池辐射的红外光信号；所述激光器出射的激光经长波通二向色镜透射、扫描振镜照射在打印室的熔池上；熔池辐射的红外光信号经扫描振镜、长波通二向色镜反射进入分光系统；所述分光系统包括第一二向色镜、第二二向色镜、第二椭圆形反射镜、第三椭圆形反射镜、第一带通滤波片和第二带通滤波片；其中，熔池辐射的红外光信号经长波通二向色镜反射进入分光系统后，被第一二向色镜分光成第一波段光和第二波段光；其中，第一波段光经第三椭圆形反射镜照射在第二带通滤波片上被滤波后，再经第二二向色镜反射进入高速相机；第二波段光经第二椭圆形反射镜照射在第一带通滤波片上被滤波后，再经第二二向色镜透射进入高速相机；其中，所述第一二向色镜和所述第二二向色镜起始波长相同但功能相反，对称放置；滤波后的第一波段光和第二波段光以一定的光程差平行进入高速相机，两个波段的光在高速相机中的成像不重叠且同时聚焦；高速相机对入射的两个波段的光进行成像；电脑对高速相机的成像结果进行图像处理得到熔池温度场的分布。较优的，还包括可调节光程中继系统，所述可调节光程中继系统位于长波通二向色镜与分光系统之间；所述可调节光程中继系统用于调节长波通二向色镜反射光的光程，并消除反射光的色差；长波通二向色镜的反射光经可调节光程中继系统进入分光系统。较优的，长波通二向色镜安装在笼式立方体中；所述可调节光程中继系统包括：第一近红外消色差双胶合透镜对、第二近红外消色差双胶合透镜对、连接镜筒、第一可调节镜筒、第二可调节镜筒、第一直角光学调整架、第一椭圆形反射镜和整体消色差双胶合透镜；其中，第一椭圆形反射镜安装在第一直角光学调整架上；第一近红外消色差双胶合透镜对通过连接镜筒与笼式立方体连接；第二近红外消色差双胶合透镜对通过第一可调节镜筒与所述第一近红外消色差双胶合透镜对的出光侧连接；所述第一直角光学调整架通过连接镜筒与所述第二近红外消色差双胶合透镜对的出光侧连接；所述整体消色差双胶合透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，包括激光器(9)、扫描振镜(5)、分光系统(18)、高速相机(19)和电脑(25)，其特征在于，还包括长波通二向色镜(7)；/n其中，长波通二向色镜(7)位于激光器(9)和扫描振镜(5)之间；所述长波通二向色镜(7)上镀有增透膜的平面面向激光器(9)，用于透射激光器(1)的激光，镀有二向色膜的平面面向扫描振镜(5)，用于反射熔池(1)辐射的红外光信号；所述激光器(9)出射的激光经长波通二向色镜(7)透射、扫描振镜(5)照射在打印室(3)的熔池(1)上；熔池(1)辐射的红外光信号经扫描振镜(5)、长波通二向色镜(7)反射进入分光系统；/n所述分光系统(18)包括第一二向色镜(20)、第二二向色镜(24)、第二椭圆形反射镜(21-1)、第三椭圆形反射镜(21-2)、第一带通滤波片(23-1)和第二带通滤波片(23-2)；其中，熔池辐射的红外光信号经长波通二向色镜(7)反射进入分光系统后，被第一二向色镜(20)分光成第一波段光和第二波段光；其中，第一波段光经第三椭圆形反射镜(21-2)照射在第二带通滤波片(23-2)上被滤波后，再经第二二向色镜(24)反射进入高速相机(19)；第二波段光经第二椭圆形反射镜(21-1)照射在第一带通滤波片(23-1)上被滤波后，再经第二二向色镜(24)透射进入高速相机(19)；其中，所述第一二向色镜(20)和所述第二二向色镜(24)起始波长相同但功能相反；滤波后的第一波段光和第二波段光以一定的光程差平行进入高速相机，两个波段的光在高速相机中的成像不重叠且同时聚焦；/n高速相机(19)对入射的两个波段的光进行成像；电脑(25)对高速相机(19)的成像结果进行图像处理得到熔池温度场的分布。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，包括激光器(9)、扫描振镜(5)、分光系统(18)、高速相机(19)和电脑(25)，其特征在于，还包括长波通二向色镜(7)；
其中，长波通二向色镜(7)位于激光器(9)和扫描振镜(5)之间；所述长波通二向色镜(7)上镀有增透膜的平面面向激光器(9)，用于透射激光器(1)的激光，镀有二向色膜的平面面向扫描振镜(5)，用于反射熔池(1)辐射的红外光信号；所述激光器(9)出射的激光经长波通二向色镜(7)透射、扫描振镜(5)照射在打印室(3)的熔池(1)上；熔池(1)辐射的红外光信号经扫描振镜(5)、长波通二向色镜(7)反射进入分光系统；
所述分光系统(18)包括第一二向色镜(20)、第二二向色镜(24)、第二椭圆形反射镜(21-1)、第三椭圆形反射镜(21-2)、第一带通滤波片(23-1)和第二带通滤波片(23-2)；其中，熔池辐射的红外光信号经长波通二向色镜(7)反射进入分光系统后，被第一二向色镜(20)分光成第一波段光和第二波段光；其中，第一波段光经第三椭圆形反射镜(21-2)照射在第二带通滤波片(23-2)上被滤波后，再经第二二向色镜(24)反射进入高速相机(19)；第二波段光经第二椭圆形反射镜(21-1)照射在第一带通滤波片(23-1)上被滤波后，再经第二二向色镜(24)透射进入高速相机(19)；其中，所述第一二向色镜(20)和所述第二二向色镜(24)起始波长相同但功能相反；滤波后的第一波段光和第二波段光以一定的光程差平行进入高速相机，两个波段的光在高速相机中的成像不重叠且同时聚焦；
高速相机(19)对入射的两个波段的光进行成像；电脑(25)对高速相机(19)的成像结果进行图像处理得到熔池温度场的分布。


2.如权利要求1所述的高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，其特征在于，还包括可调节光程中继系统，所述可调节光程中继系统位于长波通二向色镜(7)与分光系统(18)之间；所述可调节光程中继系统用于调节长波通二向色镜(7)反射光的光程，并消除反射光的色差；长波通二向色镜(7)的反射光经可调节光程中继系统进入分光系统。


3.如权利要求2所述的高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，其特征在于，长波通二向色镜(7)安装在笼式立方体(8)中；所述可调节光程中继系统包括：第一近红外消色差双胶合透镜对(11)、第二近红外消色差双胶合透镜对(13)、连接镜筒(10-1)、连接镜筒(10-2)、第一可调节镜筒(12)、第二可调节镜筒(16)、第一直角光学调整架(14)、第一椭圆形反射镜(15)和整体消色差双胶合透镜(17)；其中，第一椭圆形反射镜(15)安装在第一直角光学调整架(14)上；第一近红外消色差双胶合透镜对(11)通过连接镜筒(10-1)与笼式立方体(8)连接；第二近红外消色差双胶合透镜对(13)通过第一可调节镜筒(12)与所述第一近红外消色差双胶合透镜对(11)的出光侧连接；所述第一直角光学调整架(14)通过连接镜筒(10-2)与所述第二近红外消色差双胶合透镜对(13)的出光侧连接；所述整体消色差双胶合透镜(17)通过第二可调节镜筒(16)与第一直角光学调整架(14)的出光侧连接。


4.如权利要求3所述的高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，其特征在于，所述第一近红外消色差双胶合透镜对(11)、第二近红外消色差双胶合透镜对(13)和整体消色...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘战伟，马恒，谢惠民，刘胜，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11