[发明专利]一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置

说明书

本发明公开了一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，包括等离子体增材制造设备、光源系统、光路系统以及成像系统，其中光路系统是由一抛物面反射镜形成的“V”字锥形反射式光路；抛物面反射镜设置在待观测透明流场后，光源系统以及刀口设置在抛物面反射镜的两倍焦距处，关于抛物面反射镜的主光轴对称；在刀口后方设置相机镜头及CCD/CMOS图像传感器。本发明能够对等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场开展观测，获得了流场演化过程的光学图像并对出现的问题进行分析，对揭示增材制造过程中流体流动的动力学基本规律、推进高能束增材制造控形控性技术的发展具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，属于等离子体增材制造技术领域。

背景技术

增材制造（3D打印）技术是指通过材料逐层堆积的方式，根据产品的三维模型直接制造成为实体产品。与传统的减材制造相比，增材制造技术不需要模具，可以直接数字化制造，具有原材料浪费少、工艺简单、制造流程短、可成形复杂外形及结构等特点，这是一种具有创新意义的制造方法，被称为21世纪的制造科学。目前为止，增材制造已在医疗、航空航天、汽车制造、模具、文化创意、教育等领域得到了广泛应用。现有增材制造技术所使用热源主要有激光、电子束和等离子体等。

等离子体增材制造技术利用等离子体焊接电源产生的的电弧为加热热源，通过增加材料的方法制造成形零部件，与以激光和电子束作为热源的增材制造技术相比，其具有沉积效率高、制造成本低等优点。通常分为等离子体熔积成形技术和等离子体选区熔化技术。等离子体熔积成形技术基于逐层熔覆原理，利用传统焊接加工中集束性好、高度压缩的等离子束将同步供给的金属粉末或丝材熔化，并在基板上逐层堆覆直至成形金属零部件。等离子体选区熔化技术的加工原理与激光选区熔化技术和电子束选区熔化的技术加工原理基本相同，将零部件三维模型进行分层并切片，通过预铺粉，控制热源束沿图形轨迹扫描各层合金粉末，使其熔化并快速凝固沉积，逐步堆叠成为三维金属零件，制造精度高，因此可以实现精密复杂构件的直接成形。区别只是热源不同。

增材制造过程中，流体流动都是极为常见且难以避免的物理现象，加工过程中涉及的速度场、高度非平衡态温度场和应力场等物理机制，都将对制造过程及最终成型件的宏观性能产生深远的影响。

目前来讲，在研究增材制造工艺研究过程中，研究者通常利用数值计算的方法对增材制造过程进行模拟，分析零部件制造过程中熔池形状、熔池附近温度分布及熔池的流体动力学等，进而研究提高成型件性能的方法。但是，数值模拟具有一定的局限性，数字方法的可靠性、收敛性、稳定性等均制约着数值模拟技术的应用与推广。此外，边界条件的简化以及参数的近似问题也限制了数值模拟描述工程问题的能力，同时还有计算资源的限制等问题。通过实验方法研究增材过程中流场的演化成为一种必不可少的研究手段。

但是，目前研究领域内的熔池传感方法包括对发射的光进行成像和收集发射的光。就成像而言的红外线（IR）和可见光照相机，以及对光发射检测而言的光电二极管装置（在上游带有或不带红外带通滤波器）都是测温得到热能图像，数据量大，成本较高，且无法观测熔池附近的透明流场演化。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场的装置，研究等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场的演化图像，推断与调控凝固过程及所形成的微观组织，从而达到改善增材制造工艺、优化零件成形过程的目标。

为达到上述目的，本发明所述的一种观测等离子体增材制造过程熔池附近透明流场装置，对等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场进行非接触式观测。运用光的折射原理，将透明流场的密度分布转变为图像明暗分布，得到等离子体增材制造过程中熔池附近透明流场的光学图像。

本发明的技术方案如下：