一种基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法与流程

本发明属于增材制造在线检测技术领域，更具体地，涉及一种基于多波段耦合的粉末床熔化增材制造过程熔池监测装置及方法。

背景技术：

粉末床熔化(powderbedfusion,pbf)属于增材制造(additivemanufacturing,am)技术，它基于“离散-堆积”原理，能将粉末材料按照三维数据直接制造成致密度接近100％的零件。pbf技术成形精度高、后续加工量小，十分适合复杂形状构件的成形制造，尤其适合内部有复杂异型结构(如复杂内流道、点阵夹芯和相贯面等)等传统方法无法制造的零件。此外，pbf具有扫描速度快(～10³mm/s)、熔池尺寸小(～10²μm)、熔池停留时间短(～10¹ms)、冷却速率高(～10⁶℃/s)、热循环复杂、铺粉过程随机性强等特点，导致加工过程难免出现球化、气孔、飞溅和翘曲等现象。随着该技术应用的不断推广，其成形过程稳定性和可靠性的不足已日益凸显，成为制约其产业化发展的技术瓶颈，亟待解决。

pbf增材制造成形过程是粉末材料在高能束作用下“逐点-逐线-逐面”快速熔化和凝固的过程，并伴随着复杂的非稳态、多循环固态相变行为，熔池特征的稳定性是整个增材制造过程乃至最终成形零件组织性能稳定的保障。由于熔池不稳定带来的缺陷会随着逐层累加的成形特点而被放大，最终导致零件报废。现有的离线检测方法存在滞后性和不可提前干预的缺点，造成资源的浪费和加工周期的延长。因此，熔池在线、实时监测是提高pbf增材制造成形过程稳定性和可靠性的关键。虽然熔池监测技术在焊接、熔覆等领域已经开展了大量的研究和应用，但在pbf技术领域与之相比有如下4点区别特征：

①装备结构更复杂。pbf成形需要密闭腔进行气氛保护。一方面，腔内保护气体种类、压强和氧含量等因素都将对熔池形状和尺寸造成影响，另一方面，随着pbf装备朝着大尺寸的多工位方向发展，熔池监测功能需更高效地与装备集成。

②高能束扫描速度更快。焊接和熔覆等技术的高能束扫描速度一般为10mm/s量级，而pbf技术的扫描速度可达10³mm/s量级，这增加了熔池实时追踪监测的难度。

③零件形状更复杂。pbf技术成形零件的形状复杂，这使得高能束扫描路径下，熔池周围的导热环境变得复杂(如悬臂结构粉末支撑的导热系数相较于实体支撑有巨大差异)，导致熔池形状尺寸和温度在pbf成形中更易产生波动和变化，这需要辅以照明光源提高熔池成像效果，并要求更短的采样时间以获取熔池演变的细节。

④成形时间更长。pbf成形数百毫米零件的加工时间可达上百小时，而高速移动熔池监测在单位时间内产生的数据量大(～gb/s)，这对pbf熔池监测功能的数据采集、传输、处理和存储都提出了更高的要求。

针对上述pbf熔池监测技术区别于焊接和熔覆的特点，目前相关研究及已公开的专利文献如下：

专利文献cn106363171a公开了一种选择性激光熔化成形熔池实时监测装置及监测方法，所述装置包括顶部设置有熔化成形激光系统和脉冲激光器的成型腔、以及架设在该成型腔内升降架底部的3组摄像机和红外测温传感器等，所述方法为通过摄像机和红外测温传感器的熔池多角度测量，获得熔池熔池温度、形状及面积，进而实现对成形精度及激光功率进行在线评估和反馈。专利文献cn106363171a公开的装置和方法虽然通过电机驱动激光镜筒以及在成形腔顶部开设透明窗的方法实现了照明光源(脉冲激光)和加工激光(熔化成形激光)的同步移动，但探测器(摄像机和红外测温传感器)受限于电机驱动较低的加速度，难以对速度快至～10³mm/s的移动熔池进行实时追踪，从而影响了熔池监测效果。

专利文献us2009/0206065a1公开了一种选区激光粉末加工原位监测和反馈控制的方法和装置，所述装置包括成型腔、粉末沉积系统、激光器、扫描振镜、探测器、光学系统和控制单元等，所述方法包括采用成形腔外的摄像机和光电二极管同轴跟踪监测选区激光粉末成形熔池尺寸演变并进行pid反馈控制，实现选区激光粉末加工过程的原位监测和反馈控制，专利文献us2009/0206065a1公开的原位监测装置虽然实现了加工激光和探测器的同轴集成安装，但未加入激光照明光源对熔池区域进行辅助照明，导致无法分辨已扫描实体区域、未扫描粉末区域和熔池液相等现象，从而限制了熔池成像质量的提高。

从上述专利文献可知，目前尚未有将加工、照明和监测等多波段光路在成形腔外进行同轴耦合集成的专利报道，并且现有技术所用f-theta聚焦镜只能对单一波长响应，未解决多波段光路耦合时产生的像差问题；此外，更未涉及pbf长时间工况下的全流程监测，导致pbf熔池监测技术成熟度不高，无法满足实际检测需求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多波段耦合的粉末床熔化增材制造过程熔池监测装置及方法，采用多波长折-衍混合f-theta聚焦镜、二向色镜等光学元件将三种不同波段的光路(激光加工光路、激光照明光路以及熔池图像信息采集光路)在成形腔外进行同轴耦合，用于对快速移动的pbf微小熔池进行实时追踪和采集，而不受加工环境的影响。通过数据处理和存储单元对熔池图像和特征信息进行快速计算和存储，为成形质量的评估和工艺参数的调控奠定了基础。其目的在于实现粉末床熔化增材制造长时间工况过程中熔池的高精度、全流程监测。由此解决现有pbf熔池监测存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置，包括信号采集单元、数据处理单元和数据存储单元；其中：

所述多波段耦合的增材制造所使用的加工单元包括二向色镜、扫描振镜、多波长折-衍混合f-theta聚焦镜、激光器、扩束镜和成形腔；所述成形腔是封闭的腔体，其顶部开有窗口，用于激光透射进入成形腔内部；成形腔底部设有粉床；所述激光器产生的加工激光经扩束镜扩束准直后到达二向色镜，由其反射后，和经二向色镜透射的照明光一并进入扫描振镜；

所述多波长折-衍混合f-theta聚焦镜工作时设置在成形腔顶部开窗处，并位于所述扫描振镜的下方；所述加工激光经扫描振镜偏转方向后到达多波长折-衍混合f-theta聚焦镜，由其校正色差、球差、场曲后，经成形腔上部窗口投射到所述粉床，与其表面的金属粉末相互作用形成熔池；

所述信号采集单元包括高速摄像机、长焦显微镜头、滤光片、分光镜和激光照明光源；工作时，所述激光照明光源产生的照明光经分光镜反射或透射后到达二向色镜，经扫描振镜和多波长折-衍混合f-theta聚焦镜后，由成形腔上部窗口投射到所述粉床实现照明；所述高速摄像机设在分光镜的透射或反射光路上，远离所述二向色镜一端，与激光照明光源设置为同步工作，用于采集熔池的图像信息；所述图像信息为熔池的辐射光和反射的照明光，依次经过多波长折-衍混合f-theta聚焦镜、扫描振镜、二向色镜、分光镜逆向光路传来；

所述数据处理单元用于对采集的图像进行分析处理，提取熔池特征信息；所述数据存储单元用于将处理后的图像和提取的熔池特征信息存储到数据存储单元。

优选地，所述信号采集单元中，高速摄像机与分光镜之间，还设有长焦显微镜头，用于快速移动微小熔池的远距离清晰成像；优选地，所述长焦显微镜头的物镜前还设有滤光片，用于滤除干扰光。

优选地，所述二向色镜通过镀膜实现波长选择功能：对激光器输出光表现出高反的特性，以减小热透镜效应的影响；对激光照明光波长以及熔池辐射的780～1000nm的近红外光呈高透特性。

优选地，所述多波长折-衍混合f-theta聚焦镜工作于500-1200nm波段，其由三片光轴共线的透镜组成，其中：光束入射的第一片透镜为凹透镜，由低折射率高色散系数的光学材料制成，用于矫正场曲；中间的透镜为凸透镜，由高折射率低色散系数的光学材料制成，用于汇聚光线，并与所述凹透镜配合用于矫正包括球差、彗差在内的像差；光束出射的透镜为平凸透镜，由高折射率低色散系数的光学材料制成，其平面一侧根据所耦合的工作波段设有二元衍射面，用于减小或消除色差；所述二元衍射面用于实现二元衍射功能，与前述各折射光学元件组成折-衍混合光学系统，用于突破传统光学系统的局限，消除多波段耦合带来的像差，减小系统体积和重量。

优选地，所述二元衍射面为刻制在平凸透镜平面侧的连续浮雕结构，该结构为在空间上呈周期分布的连续位相光栅结构，其特征尺寸(沟槽尺寸)与工作波长相对应。

优选地，所述激光照明光源为高频大功率脉冲激光照明系统，其峰值功率为100～500w，波长为640±10nm或者810±10nm，脉冲持续时间0.02～2μs；所述激光照明光源输出照明光通过光纤或者光学镜筒耦合到分光镜上。

优选地，所述高速摄像机的分辨率在2kpixel～1mpixel范围内可调，采样帧率在10kfps～1mfps范围内可调，数据吞吐速度为10gpixel/s～25gpixel/s，以实现pbf快速移动熔池的在线捕捉成像。

优选地，所述长焦显微镜头的放大率为5～20倍，以实现pbf微小熔池的远距离放大成像。一般来说，镜头放大率＝高速相机探测器尺寸/pbf熔池成像视场范围。根据上述公式，结合pbf熔池尺寸(0.1～1mm)，可知其优选的视场范围是0.5mm～2mm，结合探测器尺寸可知优选的放大率为5～20倍。

优选地，所述数据存储单元为两级存储方式；其中：所述前级存储包括多个大容量固态硬盘(ssd)组成的raid磁盘阵列，其读写速度为10～100gb/s，用于保证监测数据的快速存储；当存储数据量达到设定值后，将数据打包为一个文件传至后级存储以腾出存储空间；所述后级存储包括多个大容量机械硬盘(hdd)组成的磁盘阵列系统，用于转存、压缩前级存储产生的数据包，从而保证前级存储有足够的存储空间，以此实现长时间监测目的。

优选地，所述的熔池监测装置的信号采集单元的图像处理步骤如下：

(1)图像预处理：对所采集的当前帧图片进行阈值分割，将其转化成二值图像，以便于区分熔池区域；然后对二值化后图像进行滤波处理，以去除图片中的噪声点；

(2)分辨率自适应调节：首先提取步骤(1)中图像预处理后的前序若干张图片，计算熔池区域面积占整个图像面积的平均百分比，若该比值达到设定范围，则转步骤(3)；若该比值未达到设定范围，则调节高速摄像机的分辨率和采样频率，转步骤(1)，直至该比值达到设定范围；(通常pbf熔池尺寸(0.1～1mm)远小于所在的粉末床尺寸(100～1000mm)，并且熔池在加工过程中会有较大波动，因此通过“分辨率自适应调节”在线地对熔池及周边热影响区局部成像而非对粉末床整体成像，能够减小冗余数据、提高检测精度；对熔池及周边热影响区局部成像，将有更多的像素描述熔池，可提高熔池细节的分辨能力。在高速相机传输速率一定的前提下，减小分辨率可提高最大采样帧率，因此能更加及时地捕捉pbf熔池的演变过程提高采样帧率。通过该功能对pbf熔池及周边热影响区局部成像而非粉末床整体成像，能够减小冗余数据并提高检测精度；

(3)计算熔池尺寸：提取步骤(2)处理后的图像，根据熔池区域内的像素个数和像素尺寸参数计算熔池尺寸；

(4)计算熔池停留时间：提取步骤(2)处理后的图像，根据熔池区域同一位置灰度值变化的帧数和采样间隔参数，计算该位置的熔池停留时间；

(5)记录：记录步骤(3)的熔池尺寸和步骤(4)的熔池停留时间、当前时刻增材制造加工的层数和激光的位置信息。

本申请中f-theta聚焦镜，也称平场聚焦镜、场镜，可将激光束在整个工作平面内形成均匀大小的聚焦光斑，保证同一工作平面内激光能量分布均匀。即：f-theta聚焦镜聚焦于一个平面；而普通的聚焦镜聚焦于一点。进一步的，普通的f-theta镜只能对单一波长的光响应。本发明提供的多波长折-衍混合f-theta聚焦镜为包含二元衍射光学元件在内的多透镜系统，其在普通的f-theta镜的“折射功能”基础上，增加“衍射功能”，即根据所耦合的波段，对二元衍射面的相位分布等结构参数进行优化设计，以实现“折衍混合”。所述多波长折-衍混合f-theta聚焦镜可以使不同波长、不同入射角的光聚焦于同一平面内，以减少甚至消除“加工、检测和照明”三个波段光路耦合带来的色差等像差，从而满足多波段传输的需求。

本申请中，所述二元衍射光学元件为采用光学光刻等方法将聚焦透镜的一面刻蚀出起负透镜作用的衍射沟槽，另一面保持原有折射特性不变的折-衍混合器件。利用折射和衍射相反的色散特点，消除系统色差。

本申请中，所述激光照明光源为高频大功率脉冲激光器，具有单色性、方向性等优势，可为高速摄像机提供满足实验需求的照明环境，获得更为清晰的熔池图像，便于对熔池尺寸及形貌的观察。

本申请中，所述二向色镜具有波长选择功能，用于对加工激光、照明激光和熔池辐射光的耦合及解耦，实现同轴监测。

本申请中，所述数据处理单元可采用集成了采样控制、图像处理和特征量计算等功能的可编程逻辑阵列(fpga)实现，通过对高速摄像机和激光照明光源采样参数的调控，能实现分辨率自适应调节；对采集到的熔池图像依次进行图像分割、去噪，以及根据处理后的二值化图像，能计算出熔池的特征参数(如面积、熔宽、停留时间等)。

本申请中，所述数据处理单元的工作流程可以简要归纳为：a、分辨率自适应调节：首先采集一定量的熔池图片进行图像处理，并算出熔池区域面积占图像整个面积的百分比。然后根据此比值控制高速摄像机和激光照明光源的采样参数，进而调节熔池区域占整个幅面的比例。由于pbf熔池尺寸(0.1～1mm)远小于所在的粉末床尺寸(100～1000mm)，并且熔池在加工过程中会有较大波动，因此通过“分辨率自适应调节”在线地对熔池及周边热影响区局部成像而非对粉末床整体成像，能够减小冗余数据、并提高检测精度。b、在上述调节后的采样参数下，对采集到的熔池图片进行实时的图像处理和熔池特征参数的计算。

总体而言，本发明提供的一种基于多波段耦合的粉末床熔化增材制造过程熔池监测装置及方法，适用于激光选区熔化(selectivelasermelting，slm)技术、激光选区烧结(selectivelasersintering，sls)技术等基于预置铺粉的金属零件激光增材制造技术。通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)装备集成度更高。利用多波长折-衍混合f-theta聚焦镜和二向色镜等光学元件将加工、照明和检测光路耦合到腔外同轴光路中，提高了装备集成度。“同轴”有利于对熔池的实时动态追踪，“腔外”有利于保护监测设备，提高检测的稳定性。

(2)熔池监测效果更好。高帧率高速摄像机、激光辅助照明光源、长焦显微镜头提高了成像质量，多波长折-衍混合的f-theta聚焦镜消除了多波段光路耦合带来的像差(包括球差、场曲和色差)。本发明提升了系统检测的精度，可以清晰的采集到熔池快速的演变过程。通过对图像的实时处理及熔池特征量的在线计算，为成形质量的评估和工艺参数的调控奠定基础。

(3)监测时间更长。通过fpga控制高速摄像机和激光照明光源的采样参数，提高有效信息的获取，提升数据处理的速度和精度。利用高速磁盘阵列对数据进行存储，提高了监测效率、延长了监测时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的装置工作原理示意图；

图2是本发明实施例中多波长折-衍混合f-theta聚焦镜的结构示意图；

图3是本发明实施例中平凸透镜的二元衍射表面浮雕结构示意图；

图4是本发明实施例提供的装置一的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的装置二的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1高速摄像机；2长焦显微镜头；3滤光片；4分光镜；5二向色镜；6扫描振镜；7多波长折-衍混合f-theta聚焦镜；8激光照明光源；9激光器；10扩束镜；11熔池；12粉床；13照明激光；14加工激光；15熔池辐射光；16成形腔；17数据处理单元；18数据存储单元；19凹透镜；20凸透镜；21平凸透镜；22二元衍射面；23光纤；24笼式立方体镜座；25光学镜筒。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，本发明实施例提供了一种基于多波段耦合的粉末床熔化增材制造过程熔池监测装置及方法，其由加工单元、信号采集单元、数据处理单元17和数据存储单元18组成。实现了加工光路、照明光路和熔池图像信息采集光路3种不同波段光路的耦合，可以实时高效的对熔池进行追踪和采样，进而将拍摄的图像传输到数据处理单元进行分析处理。最后，将处理后的图像和计算所得的熔池特征信息存储到数据存储单元。

本发明实施例提供的熔池监测装置的光路结构包括：高速摄像机1、长焦显微镜头2、滤光片3、分光镜4、二向色镜5、扫描振镜6、多波长折-衍混合f-theta聚焦镜7、激光照明光源8、激光器9、扩束镜10。耦合后的光路位于成形腔16之外。

本发明实施例提供的光路耦合过程如下：

a、激光器9发射出波长为1064nm的加工激光14，通过扩束镜10扩束准直后到达二向色镜5，经二向色镜5反射后依次通过扫描振镜6和多波长折-衍混合f-theta聚焦镜7到达粉床12表面，与金属粉末相互作用形成熔池11。

b、激光照明光源8发射出波长为640±10nm或者810±10nm的照明激光13依次经分光镜4反射、二向色镜5透射后与加工激光14耦合，经扫描振镜6和多波长折-衍混合f-theta聚焦镜7到达熔池11。

c、熔池11的辐射光15和反射的照明光沿原光路返回，依次经二向色镜5透射、分光镜4透射，经滤光片3过滤，经长焦显微镜头2放大进入高速摄像机1，完成熔池图像的采集。

其中，二向色镜5通过镀膜实现波长选择功能，对激光器输出的1064nm的激光表现出高反的特性，以减小热透镜效应的影响；对照明光波长以及熔池辐射的780～1000nm的近红外光表现出高透的特性。滤光片3为500～1000nm的带通滤光片。分光镜4的响应波段为500～1000nm。扫描振镜6的响应波段为500～1200nm。

参见图2、图3，多波长折-衍混合f-theta聚焦镜7由三片透镜组成，其中第一片透镜为凹透镜19，采用包括bk7、k9在内的低折射率高色散系数的光学材料制成，用于矫正场曲；第二片透镜为凸透镜20，采用包括sf11、zf6在内的高折射率低色散系数的光学材料制成，用于汇聚光线，并与凹透镜配合用于矫正包括球差、彗差在内的单色像差；第三片透镜为平凸透镜21，采用包括sf11、zf6在内的高折射率低色散系数的光学材料制成，以其平面为基底通过光学光刻法引入具有连续浮雕结构的二元衍射面22，该连续浮雕结构为空间上呈周期分布的连续位相光栅结构，其特征尺寸在微米、亚微米量级，用于减小甚至消除色差。通过优化设计使得该多波长折-衍混合f-theta聚焦镜7工作于500～1200nm波段，系统的总长度为100～300mm。该多波长折-衍混合f-theta聚焦镜7到粉床12表面的距离为200～1000mm。

激光照明光源8为高频大功率脉冲激光照明系统，其峰值功率为100～500w，波长为640±10nm或者810±10nm，脉冲持续时间0.02～2μs。高速摄像机1的分辨率在2kpixel～1mpixel范围内可调，采样帧率在10kfps～1mfps范围内可调，数据吞吐速度为10～25gpixel/s。长焦显微镜头2的放大率为5～20倍，数值孔径为0.02～0.4，工作距离为50～2000mm

本发明实施例提供的数据处理单元的工作原理如下：

(1)图像预处理：对当前帧图片进行阈值分割，将其转化成二值图像，以便于区分熔池区域；然后对二值化后图像进行滤波处理，以去除图片中的噪声点；

(2)分辨率自适应调节：首先提取步骤(1)中图像预处理后的前序若干张图片(如100张)，计算熔池区域面积占整个图像面积的平均百分比，若该比值达到设定范围(如60％～90％)，则转步骤(3)；若该比值未达到设定范围，则调节高速摄像机的分辨率和采样频率再重新采样后转步骤(1)，直至该比值达到设定范围；

(3)计算熔池尺寸：提取步骤(2)处理后的图像，根据熔池区域内的像素个数和像素尺寸参数计算熔池尺寸；

(4)计算熔池停留时间：提取步骤(2)处理后的图像，根据熔池区域同一位置灰度值变化的帧数和采样间隔参数，计算该位置的熔池停留时间；

(5)记录：记录步骤(3)的熔池尺寸和步骤(4)的熔池停留时间、当前时刻增材制造加工的层数和激光的位置信息。

本发明实施例提供的数据存储单元分为两级数据存储，其工作原理如下：

a、前级存储主要由5～10个容量为1～10tb的固态硬盘(ssd)组成的磁盘阵列系统构成，以raid0为例，其理论最大读写速度是所有固态硬盘读写速度之和，可达10gb/s～100gb/s。可以充分保证监测数据的快速存储。此外，若要保证存储数据的安全和冗余，可根据实际应用情况采用不同磁盘阵列类型，如raid1、raid5等。

b、当存储数据量达到设定值(如50gb)后对数据打包，以此循环往复，直至数据采集结束。

c、后级存储主要包括多个大容量机械硬盘(hdd)组成的磁盘阵列系统，当前级存储的打包文件个数达到设定的上限值后，打包文件将会按时间前后顺序依次转存到后级存储模块中，从而保证前级存储模块足够的存储空间。

d、后级存储可将打包文件进一步压缩存储，从而进一步降低数据存储量，以此实现长时间监测数据存储。

参见图4、图5，本发明实施例提供的光路和光学元件均置于封闭的环境内，用于提高系统的稳定性。其中，分光镜4和二向色镜5分别置于笼式立方体镜座24内，滤光片3安装于笼式立方体镜座24一端，激光照明光源8通过光纤23或者光学镜筒25与笼式立方体镜座24相连，激光器9通过光纤23或者光学镜筒25与扩束镜10相连，扩束镜10安装于笼式立方体镜座24一端，笼式立方体镜座24与扫描振镜6通过光学镜筒25相连。

本发明基于多波段耦合的增材制造过程熔池监测装置及方法，提出了激光照明光源、长焦显微镜头辅助高速摄像机成像的方法，利用多波长折-衍混合f-theta聚焦镜消除了多波段光路耦合带来的像差，实现了pbf增材制造过程加工、照明和检测光路的腔外同轴耦合，用于对快速移动的微小熔池进行实时追踪和采集，提高了装备集成度及成像效果。通过对图像的实时处理及熔池特征量的在线计算，为成形质量的评估和工艺参数的调控奠定基础。利用高速磁盘阵列对数据进行存储，提高了监测效率、延长了监测时间。最终能够实现pbf增材制造长时间工况过程中熔池的高精度、全流程监测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。