[发明专利]一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置及监控方法

权利要求书

1.一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置，其特征在于，包括位于熔覆头(4)内的反射镜(5)，熔覆头(4)外位于反射镜(5)光路的位置设置有分束镜(7)，分束镜(7)的反射光路和透射光路上分别同轴设置有两个不同波长的滤波片，两个滤波片远离分束镜(7)的一端均依次同轴设置有镜头(9)和黑白CCD相机(8)，两个黑白CCD相机(8)共同电连接有工控机(13)和显示器(14)。

2.如权利要求1所述的一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置，其特征在于，所述两个滤波片的波长分别为近红外波段λ₁和λ₂，带宽均不大于50nm，两个滤波片工作波段带宽不重叠。

3.如权利要求1所述的一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置，其特征在于，所述两个黑白CCD相机(8)型号相同，视场大小为不大于100x100pixels时，帧频不小于100fps，两个黑白CCD相机(8)均采用近红外波段。

4.一种采用如权利要求1所述的激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置的监控方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1、在激光熔覆前，利用黑体炉进行比色测温标定，获得温度与灰度关系；

步骤2、在激光熔覆过程中，通过工控机(13)控制两台黑白CCD相机(8)同时对熔池(3)进行拍照，获得λ₁和λ₂波长的熔池形貌图像P₁和P₂；

步骤3、通过图像最高峰值点，将两幅图像P₁和P₂上下左右对齐，将两幅图像重叠区域进行裁剪，并将重叠区域每个像素值相除获得不同熔池位置灰度比值；

步骤4、利用步骤1中获得的温度与灰度比值关系，获得熔池温度场分布；

步骤5、基于熔池温度场分布，结合工控机(13)内置图像处理模块，获取熔池长宽比、熔池面积、熔池温度峰值和温度梯度的特征值；

步骤6、将步骤5获取的熔池特征值与设定阈值范围进行比对，判断工艺状态稳定性，并将比较结果反馈给激光熔覆设备，为激光熔覆工艺参数闭环控制提供数据支持。

5.如权利要求4所述的一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置的监控方法，其特征在于，所述步骤1具体包括下列步骤：

步骤1.1、将黑体炉口对准熔覆头(4)，调整黑体炉温度T为1000k；

步骤1.2、通过工控机(13)控制两台黑白CCD相机(8)同时对黑体炉进行拍照，获取1000k时λ₁和λ₂波长的熔池形貌图像P₁’和P₂’；

步骤1.3、将两幅图像P₁’和P₂’的灰度值取均值I₁’和I₂’；

步骤1.4、基于比色测温原理，ln(I₁/I₂)与1/T呈线性关系，见式(1)：

式(1)中：I₁’和I₂’分别为相机拍摄黑体炉图像灰度值；T＝1000K；A₁和A₂为综合效率系数，均为常数；λ₁和λ₂分别为两个滤波片的波长；ε₁等于ε₂均为发射率；

h为普朗克常数，c为光速，k_b为玻尔兹曼常数，则a已知，通过步骤1.1～步骤1.3获取一组灰度比值和温度值，根据式(1)获得b值；

再根据式(2)获得温度与灰度比值关系：

式(2)中I₁和I₂分别为相机拍摄熔池图像灰度值，T为熔池温度。