[發明專利]一種激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置及監控方法

在審

• 申請號: 202010984890.X
• 申請日: 2020-09-18
• 公開（公告）號: CN112113672A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 樊軍偉;成星;賀一軒;田杏歡
• 申請（專利權）人: 西安空天機電智能制造有限公司
• 主分類號: G01J5/60
• 分類號: G01J5/60;G01J5/52;G01B11/02;G01B11/28
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

本發明公開的激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置，包括位于熔覆頭內的反射鏡，熔覆頭外位于反射鏡光路的位置設置有分束鏡，分束鏡的反射光路和透射光路上分別同軸設置有兩個不同波長的濾波片，兩個濾波片遠離分束鏡的一端均依次同軸設置有鏡頭和黑白CCD相機，兩個黑白CCD相機共同電連接有工控機和顯示器。本發明還公開了激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置的監控方法。本發明一種激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置采用同軸安裝方式，一方面極大降低熔池圖像獲取難度，保證熔池圖像不失真；一方面采用雙黑白相機代替單相機模式，提高圖像采集幀頻上限，使得熔池圖像波長選擇不受限制，保證測溫精度同時獲取熔池形貌特征。

技術領域

本發明屬于增材制造過程監控技術領域，具體涉及一種激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置。本發明還涉及一種激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置的監控方法。

背景技術

激光熔覆快速成形技術是一種以激光為能量源，采用同軸或旁軸送粉方式，在基體上逐層熔覆材料粉末，從而生成立體金屬工件的成形技術。在激光熔覆快速成形過程中，激光熔池內部存在著復雜的能量、動量和質量的傳輸過程，而熔池的溫度場和形貌體現這些量的大小和分布，并受之影響，進而直接影響成形工件的冶金性能和質量。

近年來，熔池溫度場和形貌、成形組織、質量性能對應關系成為該領域熱點研究。專利《基于比色溫度法的全視場熔池溫度場檢測系統》(CN108279071A)中針對CWT等焊接工藝，采用旁軸安裝方式，利用2臺相機分別采集通過不同波長熔池圖像，基于比色測溫原理，獲得熔池溫度場。由于激光移動速度快、熔池亮度高、尺寸小，旁軸實時監測存在較大困難；且采集到熔池圖像由于視場傾斜出現一定變形，對于熔池溫度場和形貌判讀造成一定困難。文獻《利用圖像比色法進行激光熔池溫度場實時檢測的研究》(姜淑娟，信息與控制2008年)，利用1個CCD相機，采用旁軸安裝方式，通過步進電機帶動轉盤，切換兩個濾光片分時處于光路中，得到不同波長的熔池灰度圖像，基于比色測溫方法獲得熔池溫度場。但需要切換濾波片，系統響應速度比較慢，無法滿足高速的掃描應用場景。文獻《基于彩色CCD的激光熔池的溫度場檢測與研究》(袁玨函合肥工業大學碩士學位論文)和文獻《基于CCD的激光再制造熔池溫度場檢測研究》(雷劍波天津工業大學碩士學位論文)均利用1臺彩色CCD相機，分別采用同軸和旁軸安裝方式，選擇其中RGB中兩波段的圖像進行比色測溫。由于彩色相機獲取圖像波段只能在RGB三原色中選擇，溫度測量準確度易受外部環境影響；而且彩色CCD相機幀頻一般較低，可獲取熔池溫度場和形貌細節較少。

發明內容

本發明的目的在于提供一種激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置，解決了現有測溫裝置采集速率低、動態特性差、易受外部環境干擾的問題。

本發明的另一目的在于提供上述激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置的監控方法。

本發明所采用的第一種技術方案是：一種激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置，包括位于熔覆頭內的反射鏡，熔覆頭外位于反射鏡光路的位置設置有分束鏡，分束鏡的反射光路和透射光路上分別同軸設置有兩個不同波長的濾波片，兩個濾波片遠離分束鏡的一端均依次同軸設置有鏡頭和黑白CCD相機，兩個黑白CCD相機共同電連接有工控機和顯示器。

本發明第一種技術方案的特點還在于：

兩個濾波片的波長分別為近紅外波段λ₁和λ₂，帶寬均不大于50nm，兩個濾波片工作波段帶寬不重疊。

兩個黑白CCD相機型號相同，視場大小為不大于100x100pixels時，幀頻不小于100fps，兩個黑白CCD相機均采用近紅外波段。

本發明所采用的第二種技術方案是：一種激光熔覆設備熔池溫度場和形貌監控裝置的監控方法，包括下列步驟：

步驟1、在激光熔覆前，利用黑體爐進行比色測溫標定，獲得溫度與灰度關系；