[发明专利]激光金属直接成形中熔池状态实时监测方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及激光金属直接成形过程监测技术领域，是一种激光金属直接成形中熔池状态实时监测方法和系统。

背景技术

激光金属直接成形技术是将一束高功率激光束聚焦到工件表面形成熔池，金属粉末被同轴送入熔池形成熔覆层，根据给定的路线来回扫描激光束逐线逐层地制造出金属零件实体的新技术。激光直接成形技术具有无需模具、能成形复杂构型零件、可对难熔金属进行直接制造等优势，是目前快速直接制造诸多方法中最有发展前途的新型制造技术，在航空、航天、汽车等领域有着广泛的应用前景。

激光金属直接成形中熔池内部存在着强烈的对流、传热、传质现象，是激光与金属粉末相互作用的关键区域。宏观上，熔池状态可由熔池形状与尺寸、熔池温度、熔池及其附近温度场、熔池冷却速率等特征参数来表征。熔池状态与成形工艺中的冶金、结晶、相变等过程有着密切的联系，熔池状态在工艺过程中的稳定性直接影响到激光金属直接成形零件的尺寸精度与机械性能。因此，对熔池状态的实时监测是控制激光金属直接成形工艺的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够准确、可靠、全面地在激光金属直接成形过程中对熔池状态实时监测的方法，通过这种方法对进行激光直接成形过程进行诊断与反馈控制。

本发明提供的一种激光金属直接成形中熔池状态实时监测方法是：

1)通过图像传感获取激光金属直接成形中熔池及其热影响区的至少两个方向上的单色辐射图像；

2)通过红外测温实测所述激光金属直接成形中熔池或其附近至少一个点的温度值作为参考温度；

3)对采集到的辐射图像实时处理，将单色辐射图像转换成灰度图，并提取出熔池形状与尺寸的特征参数；

4)利用参考温度对等灰度图进行温度标定，根据灰度值-温度值对应关系得到图像中各点的温度值，由此建立熔池及其热影响区的三维形状与温度场；

所述灰度值-温度值关系如下：

T=C2λ0(lnM-lnGλ05)]]>

其中：T表示熔池的表面温度，G表示单色辐射图像中的灰度值，λ₀表示所采集单色辐射图像的对应中心波长，C₂是普朗克第二辐射常数，M是与CCD的电流-灰度值转换系数、光电转换系数、曝光时间、出射光瞳直径、像方焦距、光学系统透过率、光谱响应函数等系数相关的定值。

优选地，所述步骤1)中图像传感采集至少两个方向上的熔池图像，其中一个采集熔池正面图像，一个采集熔池侧面图像。

优选地，所述步骤2)中红外测温测量的参考温度点位于所述熔池正面图像或侧面图像之中。

本发明的一种激光金属直接成形中熔池状态实时检测系统包括：

图像传感单元，用于获取激光金属直接成形中熔池及其热影响区的至少两个方向上的单色辐射图像；

红外测温单元，实测所述激光金属直接成形中熔池或其附近至少一个点的温度值作为参考温度；

图像处理单元，采集所述单色辐射图像并进行实时处理，将单色辐射图像转换成灰度图，并提取出熔池形状与尺寸的特征参数；再利用参考温度对等灰度图进行温度标定，根据灰度值-温度值对应关系得到图像中各点的温度值，由此建立熔池及其热影响区的三维形状与温度场；

所述灰度值-温度值关系如下：