[发明专利]一种原位测量激光增材制造中飞溅动力学行为的方法

说明书

本发明提供了一种原位测量激光增材制造中飞溅动力学行为的方法。变害为利地将激光增材制造中的原生飞溅颗粒作为原位示踪粒子，通过双目视觉传感装置逐帧追踪其3D运动轨迹，遴选出发生偏转的飞溅，获得飞溅的运动“速度‑角度‑时间”曲线，得到飞溅动力学行为。在时域上双目传感器和激光脉冲照明光源提供微秒级高时间分辨，精准刻画飞溅受力后运动轨迹偏转全过程，有效克服了现有原位测量方法中难以观测飞溅偏转的问题。在空域上双目传感器和光学机构提供微米级高空间分辨，采集和重建飞溅颗粒在3D空间的运动轨迹，降低了单目视觉传感器只能观测飞溅运动轨迹在2D投影带来的测量误差，有效提高了激光增材制造中测量飞溅动力学行为的精度。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种原位测量激光增材制造中飞溅动力学行为的方法。

背景技术

选区激光熔化（SLM），又称粉末床激光熔融（LPBF），是一种精密的金属增材制造（AM）技术。该技术为个性化定制提供了一种低成本、高效率的制造方法，尤其适用于薄壁、复杂腔体、内流道等复杂零部件的快速成形，在航空航天、能源、生物、交通和珠宝首饰等领域应用前景广阔。当前，SLM技术正朝着大尺寸多光束、高质高效方向发展，同时也存在着诸如内部冶金缺陷、残余应力等制约其工艺可靠性和可重复性的缺陷问题亟待解决。较之已有百年历史的等材制造和减材制造，增材制造特别是基于粉末床熔化的SLM技术问世至今仅数十年，其成形机理还未完全探明。通过研究SLM激光与物质相互作用及其和成形缺陷的内在关联，可期为SLM技术实现少、无缺陷的稳定成形奠定基础。

SLM飞溅尺寸小、运动速度快、当前高精度原位测量其动力学行为的方法还非常有限。飞溅、蒸气和熔池是SLM激光与物质相互作用的重要物理现象，与成形质量关联密切。其中，飞溅作为SLM成形中的副产物是有害的，易导致未熔合等成形缺陷，对成形组织和性能影响显著。此外，基于粉末床熔化增材制造过程中的飞溅数量很多，相应的飞溅数量增长率高达每秒10⁴~10⁵颗，飞溅速度可达10¹ m·s^-1~10² m·s^-1，粒度范围涵盖10⁰ μm~10² μm，其数量及分布与工艺和环境气氛相关。

学术论文《In-situ measurement and monitoring methods for metal powderbed fusion–An updated review》明晰了增材制造中原位监测（In situ monitoring）和原位测量（In situ measurement）两个概念：前者侧重于原位监测增材制造过程中的错误和异常情况，进而通过反馈控制来避免缺陷等现象的发生；后者侧重于通过原位表征增材制造过程中物理量来揭示相关的成形机理。

在原位监测领域，尽管有报道通过双目传感器观察增材制造飞溅3D运动轨迹，统计获得了数千个飞溅颗粒的速度和角度。但是，首先该方法通过测量数百微秒曝光时间内飞溅的起点和终点，把飞溅简化为质点，并将飞溅运动轨迹简化为一系列直线，因而不能完整地反映飞溅运动演进过程；其次，囿于其有限的时间分辨率和空间分辨率，该方法不能精确刻画飞溅运动轨迹的变化（如受力后运动轨迹偏转），从而更无法揭示飞溅动力学行为。在原位测量领域，目前还未见有面向增材制造的高时、空分辨原位测量飞溅动力学行为的相关发明专利报道。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，为了提高测量激光增材成形中飞溅动力学行为的精度，提供一种原位测量激光增材制造中飞溅动力学行为的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提供的一种原位测量激光增材制造中飞溅动力学行为的方法，所述测量方法由测量系统完成，所述测量系统包括激光增材制造装置和双目视觉传感装置，所述双目视觉传感装置包括双目传感器、激光脉冲照明光源和光学机构，所述测量方法包括以下步骤：