[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

说明书

本发明公开的激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置，包括位于熔覆头内的反射镜，熔覆头外位于反射镜光路的位置设置有分束镜，分束镜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的一端均依次同轴设置有镜头和黑白CCD相机，两个黑白CCD相机共同电连接有工控机和显示器。本发明还公开了激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置的监控方法。本发明一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置采用同轴安装方式，一方面极大降低熔池图像获取难度，保证熔池图像不失真；一方面采用双黑白相机代替单相机模式，提高图像采集帧频上限，使得熔池图像波长选择不受限制，保证测温精度同时获取熔池形貌特征。

技术领域

本发明属于增材制造过程监控技术领域，具体涉及一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置。本发明还涉及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。

背景技术

激光熔覆快速成形技术是一种以激光为能量源，采用同轴或旁轴送粉方式，在基体上逐层熔覆材料粉末，从而生成立体金属工件的成形技术。在激光熔覆快速成形过程中，激光熔池内部存在着复杂的能量、动量和质量的传输过程，而熔池的温度场和形貌体现这些量的大小和分布，并受之影响，进而直接影响成形工件的冶金性能和质量。

近年来，熔池温度场和形貌、成形组织、质量性能对应关系成为该领域热点研究。专利《基于比色温度法的全视场熔池温度场检测系统》(CN108279071A)中针对CWT等焊接工艺，采用旁轴安装方式，利用2台相机分别采集通过不同波长熔池图像，基于比色测温原理，获得熔池温度场。由于激光移动速度快、熔池亮度高、尺寸小，旁轴实时监测存在较大困难；且采集到熔池图像由于视场倾斜出现一定变形，对于熔池温度场和形貌判读造成一定困难。文献《利用图像比色法进行激光熔池温度场实时检测的研究》(姜淑娟，信息与控制2008年)，利用1个CCD相机，采用旁轴安装方式，通过步进电机带动转盘，切换两个滤光片分时处于光路中，得到不同波长的熔池灰度图像，基于比色测温方法获得熔池温度场。但需要切换滤波片，系统响应速度比较慢，无法满足高速的扫描应用场景。文献《基于彩色CCD的激光熔池的温度场检测与研究》(袁珏函合肥工业大学硕士学位论文)和文献《基于CCD的激光再制造熔池温度场检测研究》(雷剑波天津工业大学硕士学位论文)均利用1台彩色CCD相机，分别采用同轴和旁轴安装方式，选择其中RGB中两波段的图像进行比色测温。由于彩色相机获取图像波段只能在RGB三原色中选择，温度测量准确度易受外部环境影响；而且彩色CCD相机帧频一般较低，可获取熔池温度场和形貌细节较少。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置，解决了现有测温装置采集速率低、动态特性差、易受外部环境干扰的问题。

本发明的另一目的在于提供上述激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置的监控方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：一种激光熔覆设备熔池温度场和形貌监控装置，包括位于熔覆头内的反射镜，熔覆头外位于反射镜光路的位置设置有分束镜，分束镜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的一端均依次同轴设置有镜头和黑白CCD相机，两个黑白CCD相机共同电连接有工控机和显示器。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

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。

两个黑白CCD相机型号相同，视场大小为不大于100x100pixels时，帧频不小于100fps，两个黑白CCD相机均采用近红外波段。

本发明所采用的第二种技术方案是：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，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；