专利名称：利用光学法在线测量熔池高度的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光学原理在线测量熔池高度(该高度指熔池中心相对于固 定参考平面的高度)的装置及方法，适用于电弧成形、激光金属直接成形制造、激光表面熔 覆和易损零部件的激光表面修复等应用领域。
背景技术：
激光金属成形技术是在激光熔覆基础上，结合快速原型技术而发展起来的一种先 进制造技术。以“离散-堆积”成形原理为基础，该技术利用零件的截面几何信息，控制熔覆 头在工作台上运动，熔覆头既输送金属粉末，又输送激光，粉末吸收能量后迅速熔化，之后 又快速凝固，随着主轴不断提升，便在基材上成形了三维实体零件。该工艺方法制造的零件 具有以下优点(1)快速响应市场，缩短产品周期；( 直接近净成形制造，制造出来的零件 不需要或仅需少量后处理就可直接交付使用；(3)特别适合制造形状复杂的薄壁零件；(4) 层间冶金结合，组织细密，力学性能超过或等同于锻件。激光金属成形在航空航天、汽车船 舶和武器装备等领域有广阔的应用前景。上述激光金属成形工艺，衡量成形质量的一个重要标准就是表面粗糙度。表面的 粗糙度不仅影响零件的精度，而且在成形过程中，如果表面起伏(凹凸)过大，会导致成形 过程失败。表面凹凸不平与多种因素相关，比如送粉量的波动、激光功率的波动，采用闭环 控制系统是获得优异表面质量的重要途径。将零件表面凹凸不平及其高度信息作为闭环控 制系统的输入，及时调整送料量、功率等参数，设计一种能够在线测量熔池高度的闭环控制 系统是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种可检测成形过程中的熔池高度的装置及方法，该装置以 熔池熔化时发射的光线或者激光束反射的激光为光源，通过光敏传感器实现熔池高低位置 的检测。为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的一种利用光学法在线测量熔池高度的装置，其特征在于，包括置于熔池斜上方的 成像元件、置于成像元件前面的遮光片、置于成像元件后面的光路放大装置、接收光路放大 装置反射光的光敏传感器，其中，熔池由光线或激光高能束将喷嘴处输出的金属粉末融化 后形成，成像元件的中心法线与光线或激光高能束轴心夹角为大于15°的锐角；成像元件 距离熔池为1 4倍焦距处；所述光敏传感器信号连接计算机，计算机信号连接喷嘴的光产 生装置及送粉装置形成对熔池高度的闭环控制。上述方案中，成像元件前面或后面设置有滤光片和衰减片。所述光路放大装置由 数面反射镜组成。所述光敏传感器为PSD传感器。所述成像元件、光路放大装置和光敏传 感器设置于一个封闭的屏蔽盒中。一种利用上述装置在线测量熔池高度的方法，其特征在于，包括下述步骤
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光线或激光高能束将喷嘴处输出的金属粉末融化后，形成熔池，熔池反射光线或 激光高能束，通过成像元件及光路放大装置汇聚到光敏传感器上，光敏传感器将反应熔池 高度变化的反射光信号转换为电信号传送至计算机，计算机处理得到的熔池高度h，计算机 根据实际熔池高度与理想熔池高度的偏差大小输出控制信号至喷嘴的光产生装置及送粉 装置，并控制光能量或送粉量，从而形成对熔池高度的闭环控制。本发明的优点是实施简单，成本低廉，响应速度快，输出信号为连续模拟量，可以 在线测量。具体表现为，不需要附加光源，直接利用熔池发射的光线或能量源所辐射的光线 来测量，依据熔池的高度信息控制成形工艺参数，实现高能束金属直接成形层高度或激光 熔覆层高度的闭环控制，以降低成形表面的凹凸不平，可有效提高成形表面和熔覆层表面质量。
以下结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明装置的原理图。图2是未采用本发明成形的单道薄壁墙零件照片。图3是采用本发明装置和方法成形的单道薄壁墙零件照片。
具体实施例方式如图1所示，一种利用光学法在线测量熔池高度的装置，包括有成像元件8、光路 放大装置5、光敏传感器7、遮光片11、衰减片9、滤光片10。其中成像元件8为小孔或透镜组，其作用是将喷嘴发出的光线或者高能束通过熔 池1反射的能量汇聚到其后的光敏元件上。成像元件8的安装位置为小孔处或透镜中心距 离熔池1根据放大倍数的要求，可以取在1 4倍焦距处，使得熔池能够在光敏传感器7上 成实像；成像元件8的中心法线与光线或激光高能束轴心夹角为大于15°的锐角。成像元 件8的前方装有遮光片11，成像元件8的前方或后方装有滤光片10和衰减片9。遮光片11 的作用是只允许熔池1附近的光线进入，遮蔽掉大部分环境光线。衰减片9的作用是当熔 池1反射的光线能量太强时，可以起到均勻衰减的作用，以光敏传感器7。滤光片的作用是， 在有的情况下只允许某些波长的光线通过。比如当高能束为Nd:YAG激光时，该激光波长为 1064nm，此时在镜头前加装中心波长为1064nm的窄带滤光片，只允许反射的激光透过，就 可避免其它光线对检测结果的影响。光路放大装置5由两面以上的反射镜组成，其目的是在缩小整个装置体积的同时 延长光路，使得熔池1高低起伏时，光斑在光敏传感器7上的移动距离增大，从而使信号放 大。光敏传感器7可以选择PSD (位置敏感器件)传感器或其他等效元件，附带有后续 运算处理电路，输出信号与光斑形状、亮度无关，只与光斑的中心位置有关(成正比)。光敏 传感器7将熔池1反射的光信号转换为电信号。为了避免电磁等干扰，可将成像元件8、光路放大装置5、光敏传感器7、遮光片11、 衰减片9、滤光片10安装于封闭的屏蔽盒6中。本发明利用图1所示装置实现在线测量熔池高度的方法
光线或激光高能束3将喷嘴处输出的金属粉末2融化后，形成熔池1，熔池反射光 线或激光高能束，通过成像元件8及光路放大装置5汇聚到光敏传感器7上，光敏传感器将 反应熔池高度变化的反射光信号转换为电信号传送至计算机4，计算机处理得到的熔池高 度h，计算机根据实际熔池高度与理想熔池高度的偏差大小输出控制信号至喷嘴的光产生 装置及送粉装置，并控制光能量或送粉量，从而形成对熔池高度的闭环控制。实验过程中基本工艺参数为起始激光功率200 250W，激光光斑直径0. 5mm,扫 描速度8 12mm/s，送粉量7. 6 8. Og/min,载气量6 8L/min。实验所用基材为316L不 锈钢板，所用粉末粒度为50 100 μ m的316L不锈钢。如图2、图3所示，图3中的零件在高度起伏上要远小于图2中的零件。本发明涉及但不限于利用电弧或高能束来熔覆材料到基材表面来进行立体成形 的领域，比如激光金属直接成形制造、激光表面熔覆和易损零部件的激光修复等领域，特别 是对精度要求比较高的场合均适用。
权利要求
1.一种利用光学法在线测量熔池高度的装置，其特征在于，包括置于熔池斜上方的成 像元件、置于成像元件前面的遮光片、置于成像元件后面的光路放大装置、接收光路放大装 置反射光的光敏传感器，其中，熔池由光线或激光高能束将喷嘴处输出的金属粉末融化后 形成，成像元件的中心法线与光线或激光高能束轴心夹角为大于15°的锐角；成像元件距 离熔池为1 4倍焦距处；所述光敏传感器信号连接计算机，计算机信号连接喷嘴的光产生 装置及送粉装置形成对熔池高度的闭环控制。
2.如权利要求1所述的利用光学法在线测量熔池高度的装置，其特征在于，成像元件 前面或后面设置有滤光片和衰减片。
3.如权利要求2所述的利用光学法在线测量熔池高度的装置，其特征在于，所述光路 放大装置由数面反射镜组成。
4.如权利要求1所述的利用光学法在线测量熔池高度的装置，其特征在于，所述光敏 传感器为PSD传感器。
5.如权利要求1所述的利用光学法在线测量熔池高度的装置，其特征在于，所述成像 元件、光路放大装置和光敏传感器设置于一个封闭的屏蔽盒中。
6.一种在线测量熔池高度的方法，基于权利要求1所述的利用光学法在线测量熔池高 度的装置，其特征在于，包括下述步骤光线或激光高能束将喷嘴处输出的金属粉末融化后，形成熔池，熔池反射光线或激光 高能束，通过成像元件及光路放大装置汇聚到光敏传感器上，光敏传感器将反应熔池高度 变化的反射光信号转换为电信号传送至计算机，计算机处理得到的熔池高度h，计算机根据 实际熔池高度与理想熔池高度的偏差大小输出控制信号至喷嘴的光产生装置及送粉装置， 并控制光能量或送粉量，从而形成对熔池高度的闭环控制。
全文摘要
本发明公开了一种利用光学法在线测量熔池高度的装置及方法，装置包括置于熔池斜上方的成像元件、置于成像元件前面的遮光片、置于成像元件后面的光路放大装置、接收光路放大装置反射光的光敏传感器，光敏传感器信号连接计算机，计算机信号连接喷嘴的光产生装置及送粉装置形成对熔池高度的闭环控制。本发明通过成形过程中熔池的光信号来测量其高度信息，输出信号可作为工艺闭环系统的输入，以降低成形表面的起伏不平，可有效提高成形表面和熔覆表面质量。
文档编号G01B11/02GK102117045SQ20111000309
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者卢秉恒, 同治强, 张安峰, 李涤尘, 杨小虎, 路桥潘 申请人:西安交通大学, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司