[发明专利]一种用于铺粉式激光增材制造的非接触式熔池温度测量系统和测量方法

说明书

本发明公开了一种用于铺粉式激光增材制造的非接触式熔池温度测量系统和测量方法，属于铺粉式增材制造技术领域。通过在已有激光铺粉式增材制造光路系统中设计反光镜、滤光镜等，采用红外测温仪捕捉热辐射光束传播至光路系统中的红外光束，实现熔池温度的测量。测试过程光路系统系统的精确性及红外测温仪在光路的相对位置准确定对测试温度的精确性有重要的影响。利用本专利所设计的测试方法和系统可以快速的非接触式测试熔池温度变化特征，测试响应速度快。

技术领域

本发明涉及铺粉式增材制造技术领域，具体涉及一种用于铺粉式激光增材制造的非接触式熔池温度测量系统和测量方法。

背景技术

铺粉式增材制造技术又称激光选区熔化/烧结技术，可以实现铝、钛、镍、铜、钴等多种合金材料精细、超精细结构的直接成型，在航空航天、生物医学、汽车、珠宝等方面已经获得了典型应用，目前该技术正在蓬勃发展。铺粉式增材制造过程往往成形时间长、成形过程复杂，设备在长时间、高频率运行过程中，很可能由于热积累、功能单元不稳定等原因造成局部区域的成形质量出现问题。对于增材成形整体对象而言，是由这些以熔池为最小单位的部分构成的。能够实时监测熔池系统对于掌握复杂结构成形热历史从而辅助评价最终结构的性能，以及实时监测成型过程工艺稳定性都有重要的意义。

现阶段增材制造过程熔池温度的测量方式多集中于送粉式增材制造，通过将测温系统集成于熔覆头，可以逐点记录熔池的相关信息，而铺粉式增材制造由于扫描速度极快，熔池在成形过程处于高速移动过程，熔池具有柔性大、区域面积小、温度随加工材料变化范围大、温度高、加工环境恶劣等特点。实现熔池温度的跟随式测量难度极高。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种用于铺粉式激光增材制造的非接触式熔池温度测量系统和测量方法，该系统和方法基于激光铺粉式已有光路系统进行设计，采用红外测温仪捕捉热辐射光束传播至光路系统中的红外光束，实现熔池温度的测量。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于铺粉式激光增材制造的非接触式熔池温度测量系统，该熔池温度测量系统包括分光镜和红外探测仪，在铺粉式激光增材制造过程中，激光照射到粉床上熔化合金粉末形成熔池，熔池中释放出的热辐射红外光束经分光镜反射后由红外测温仪捕捉，从而实现熔池温度的测量。

该熔池温度测量系统还包括激光器、聚焦镜Ⅰ、振镜和聚焦镜Ⅱ；其中：激光由激光器发出，然后依次经过聚焦镜Ⅰ、分光镜和振镜后，聚焦在粉床上熔化合金粉末形成熔池，熔池中释放出的部分热辐射红外光束(合金粉末经激光照射熔化会释放出热辐射红外光束)传导至振镜，并经振镜反射传导至分光镜，再经分光镜反射后传导至聚焦镜Ⅱ，经过聚焦镜Ⅱ聚焦后的光束传导至红外探测仪，根据红外探测仪接收的温度信号实现熔池温度的测量。

该熔池温度测量系统还可以设有小孔，经过聚焦镜Ⅱ聚焦后的光束，经过小孔后，被红外探测仪接收；设置小孔目的能够避免熔池附近区域的光反射到红外探测仪上而影响测量结果。

该熔池温度测量系统中，所述激光器发射1064nm的激光光束，所述分光镜仅能够透过1064nm的激光光束，而其他波长的光束照射到分光镜时则被反射。

该熔池温度测量系统中，所述分光镜设置于聚焦镜Ⅰ与振镜之间，分光镜镜面与聚焦镜Ⅰ的轴向呈45°；所述聚焦镜Ⅱ设于分光镜的上方，且分光镜镜面与聚焦镜Ⅱ的轴向呈45°。

该熔池温度测量系统中，所述红外测温仪的检测波长范围与激光器的发射波长不同，必要时可采用滤光片；所述红外测温仪的测温的波长范围需要和激光波长不同。

该熔池温度测量系统中，由于温度测量系统布置于光路之中，在红外测温仪的固定位置需要有位置调节机构，通过位置调节机构使得熔池图像在红外测温仪标定点的最中央，测试点调整的精确程度直接反应着红外测温精确程度。