[發明專利]一種粉末床激光熔融熔池的溫度測量系統及方法

在審

• 申請號: 202310553158.0
• 申請日: 2023-05-16
• 公開（公告）號: CN116558648A
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 楊永強;蔣仁武;王迪;嚴仲偉;周瀚翔;劉林青;王巖
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00;G01J5/02;G01K11/00
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 鄭宏謀

本發明公開了一種粉末床激光熔融熔池的溫度測量系統及方法，屬于増材制造的技術領域。該系統包括：粉末床激光熔融裝置，包括成型腔、成型平臺和連續光纖激光器，連續光纖激光器用于產生激光，激光照射到金屬粉末上，熔化金屬粉末，以形成熔池；熔池測溫裝置，包括二向色鏡、分光鏡、第一紅外窄帶濾波片、第二紅外窄帶濾波片、第一光電二極管和第二光電二極管；熔池向外發出的熱輻射紅外光束經二向色鏡反射后，到達分光鏡，由分光鏡將光束分為兩路；兩路光束分別到達兩個光電二極管；數據處理裝置，用于根據兩個光電二極管采集到的信號計算獲得熔池溫度。本發明通過兩個光電二極管測量熔池的絕對溫度，具有高采樣頻率、高測量精度及低成本的優勢。

技術領域

本發明涉及増材制造的技術領域，尤其涉及一種粉末床激光熔融熔池的溫度測量系統及方法。

背景技術

粉末床激光熔融技術(Laser?powder?bed?fusion,LPBF)根據規劃三維模型的掃描路徑對粉末床上的金屬粉末進行掃描，使金屬粉末選擇性熔化、凝固，最后疊加形成金屬實體。該技術成型精度高、力學性能優異，目前已廣泛用于航空航天、生物醫療以及汽車工業等領域。

熱源是LPBF成型驅動力，金屬粉末通過逐層熔融–凝固形成具有冶金強度的零件。其中，熱分布和熱傳遞是影響零件成型質量的關鍵因素，因此有必要對成型過程中的熔池溫度進行實時測量，一般采用非接觸式測溫法來測量熔池溫度。目前常用的儀器有紅外熱成像儀、高溫計等，然而這些儀器的采樣頻率低，且成本高昂，不易用于工業化成產。

另外，由于儀器使用一段時間后，其精度會下降，為保證其測量精度，需要對測溫儀器進行標定，由于粉末床激光熔融非接觸式測溫儀器常常同軸安裝，拆卸麻煩，因此有必要研究原位溯源裝置。

發明內容

為至少一定程度上解決現有技術中存在的技術問題之一，本發明的目的在于提供一種粉末床激光熔融熔池的溫度測量系統及方法。

本發明所采用的技術方案是：

一種粉末床激光熔融熔池的溫度測量系統，包括：

粉末床激光熔融裝置，包括成型腔、成型平臺和連續光纖激光器，所述成型腔內設有鋪粉單元，所述成型平臺包括成型缸，所述鋪粉單元用于將金屬粉末鋪到成型缸上，所述連續光纖激光器用于產生激光，激光照射到金屬粉末上，熔化金屬粉末，以形成熔池；其中在激光選區熔化時，所述成型平臺設置在所述成型腔的下方；

熔池測溫裝置，包括二向色鏡、分光鏡、第一紅外窄帶濾波片、第二紅外窄帶濾波片、第一光電二極管和第二光電二極管；熔池向外發出的熱輻射紅外光束經所述二向色鏡反射后，到達分光鏡，由分光鏡將光束分為兩路；其中一路光束經過第一紅外窄帶濾波片到達第一光電二極管，另一路光束經過第二紅外窄帶濾波片到達第二光電二極管；其中，所述第一紅外窄帶濾波片的中心波長和所述第二紅外窄帶濾波片的中心波長不同；

數據處理裝置，與所述第一光電二極管和第二光電二極管連接，用于根據兩個光電二極管采集到的信號計算獲得熔池溫度。

進一步地，所述溫度測量系統還包括溯源裝置，所述溯源裝置包括黑體輻射源，所述黑體輻射源用于產生預設的溫度；

在對溫度測量值進行溯源時，關閉連續光纖激光器，將所述溯源裝置設置在所述成型腔的下方；

所述黑體輻射源產生的熱輻射紅外光束經所述二向色鏡反射后，到達分光鏡，由分光鏡將光束分為兩路；其中一路光束經過第一紅外窄帶濾波片到達第一光電二極管，另一路光束經過第二紅外窄帶濾波片到達第二光電二極管；

根據兩個光電二極管采集到的信號計算黑體輻射源的溫度值，根據計算獲得的溫度值和預設的溫度值對光電二極管進行標定，以實現溫度測量值的溯源。

進一步地，所述數據處理裝置通過以下公式計算獲得熔池溫度：