一种SLM成形过程中熔池状态实时监测装置及方法与流程

本发明属于slm设备技术领域，涉及一种slm成形过程中熔池状态实时监测装置，本发明还涉及使用该装置对熔池状态进行实时监测的方法。

背景技术：

slm技术即激光选区熔化技术，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造成实体的新兴制造技术。它利用激光和材料的热作用，按照设定好的轮廓数据选择性的进行熔化成形。slm技术不需要切削材料，也不需要磨具，可以批量制造，尤其适合于制造结构复杂，体积较小的产品。其制造速度快，生产周期短，可以降低开发成本和风险，带来了制造工艺和生产模式的变革，成为新时代极具发展潜力的高新技术。

slm成形过程中，金属熔池内部存在着强烈的热传导、热辐射、热对流、固化、相变等物理、化学变化。熔池状态与成形过程中的冶金、结晶和相变等过程有密切的关系，熔池状态在加工过程中的稳定性直接影响着成形产品的质量。因此，对熔池状态的实时监测是控制slm工艺的关键，根据熔池的状态可以及时发现打印过程中的缺陷，并寻找相应的解决措施，可以有效地避免零件成形失败。

现有的slm设备虽然可以实时查看零件成形过程，但是只是在宏观上进行把控。目前尚没有设备可以实现熔池状态的实时监测，并通过其来判断打印过程是否存在缺陷，造成零件无法成形，或者成形质量不合格，难以保证成品率。目前，很多机构已经展开了对成形过程中温度和熔池状态监测的研究，其大多是通过高速相机进行拍照，再进行图像处理分析的方式完成监测。然而在slm成形过程中，激光扫描速度较快，而且熔池受激光功率、扫描速度、材料性能和层厚等因素的影响较大，因此对高速摄像机的拍摄速度提出了很高的要求，造成装置复杂，成本较高。且需要采集的数据量较大，图像处理时间较长，难以做到实时监测和显示。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种slm成形过程中熔池状态实时监测装置，通过监测成形过程中熔池辐射波的强度变化来反映熔池的状态，不需要搭载高速相机等高速拍摄装置，结构简单。

本发明的另一目的是提供采用上述装置对熔池状态进行实时监测的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种slm成形过程中熔池状态实时监测装置，在激光器与振镜之间安装有半透镜，半透镜将由振镜传来的光束进行反射，在其反射光路上依次设置有滤波系统和光纤传感器，光纤传感器通过导线依次连接有采集卡和上位机。

滤波系统包括在反射光路上依次设置的第一滤波片和第二滤波片。

第一滤波片为波长为1000nn，带宽20nm的高通截止滤波片，第二滤波片为波长为600nm，带宽20nm的低通截止滤波片。

本发明的另一技术方案是，采用上述slm成形过程中熔池状态实时监测装置对熔池状态实时监测的方法为：激光器发出的激光单向穿过半透镜，经振镜偏转后，被传递到工件表面与材料发生相互作用，激光与材料相互作用过程中，形成一个短暂稳定的熔池，高温熔池的辐射光波反射回振镜，再经半透镜偏转后进入滤波系统进行过滤，然后光纤传感器对其光强信号进行采集，采集光强信号传送给采集卡，采集卡将光强信号转换成数字信号传输给上位机，上位机用分析软件进行实时分析和显示，根据显示的电信号的稳定状态判断熔池状态是否稳定。

上位机用labview分析软件进行数据分析，实时显示光强变化曲线。

在根据显示的电信号的稳定状态判断熔池状态是否稳定时：

在激光能量稳定时，所测得的光强信号平稳，则此时熔池状态稳定，判定为加工过程无异常；

反之，在激光能量稳定时，所测得的光强信号有不平稳，即在某点陡增或者陡降或者监测不到该波段信号时，则此时熔池状态不稳定，加工过程产生缺陷，在发生缺陷的点及时报警并记录下该事件发生的时间和位置及此时的光强曲线变化图；

在激光能量不稳定时，光强信号随着激光能量的变化而变化，在激光能量稳定时，光强信号趋于稳定，则此时熔池状态稳定，判定为加工过程无异常；

反之，若激光能量不稳定时，光强信号与激光能量的变化出现不一致，则此时熔池状态不稳定，加工过程产生缺陷，在发生缺陷的点及时报警并记录下该事件发生的时间和位置及此时的光强曲线变化图。

本发明的有益效果是：

(1)利用熔池辐射波光强的变化反应熔池状态的变化，而并非采用高速相机拍摄和图像处理的方式直接监测熔池状态，结构简单，成本较低。

(2)利用2个滤波片、一个传感器和一个采集卡就可以实现对熔池状态的监测。

(3)在数据采集过程中，仅采集光强这一单一数据，数据量少，数据分析处理时间较短，真正可以实现实时监测。

(4)根据光强信号的变化趋势，可以推断出熔池的状态，及时发现成形过程中的问题，降低废品率。

附图说明

图1是本发明一种slm成形过程中熔池状态实时监测装置的结构示意图；

图2是本发明熔池状态进行实时监测方法的流程图；

图3是熔池状态为稳定状态时上位机的输出曲线图；

图4是熔池状态为不稳定状态时上位机的输出曲线图。

图中，1.激光器，2.工件，3.熔池，4.振镜，5.半透镜，6.第一滤波片，7.第二滤波片，8.光纤传感器，9.采集卡，10.上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种slm成形过程中熔池状态实时监测装置，如图1所示，在激光器1与振镜4之间安装有半透镜5，半透镜5将由振镜4传来的光束进行反射，在其反射光路上依次设置有滤波系统和光纤传感器8，光纤传感器8通过导线依次连接有采集卡9和上位机10。

滤波系统包括在反射光路上依次设置的第一滤波片6和第二滤波片7。

第一滤波片6为波长为1000nn，带宽20nm的高通截止滤波片，第二滤波片7为波长为600nm，带宽20nm的低通截止滤波片。

如图2所示，采用slm成形过程中熔池状态实时监测装置进行熔池状态实时监测方法为：激光器1发出的激光11单向穿过半透镜5，经振镜4偏转后，被传递到工件2表面与材料发生相互作用，激光与材料相互作用过程中，形成一个短暂稳定的熔池3，高温熔池3的辐射光波12反射回振镜4，再经半透镜5偏转后进入滤波系统进行过滤，然后光纤传感器8对其光强信号进行采集，采集光强信号传送给采集卡9，采集卡9将光强信号转换成数字信号传输给上位机10，上位机10用分析软件进行实时分析和显示，根据显示的电信号的稳定状态判断熔池状态是否稳定。

上位机10用labview分析软件进行数据分析，实时显示光强变化曲线。

在根据显示的电信号的稳定状态判断熔池状态是否稳定时：

在激光能量稳定时，所测得的光强信号平稳，则此时熔池状态稳定，判定为加工过程无异常；

反之，在激光能量稳定时，所测得的光强信号有不平稳，即在某点陡增或者陡降或者监测不到该波段信号时，则此时熔池状态不稳定，加工过程产生缺陷，在发生缺陷的点及时报警并记录下该事件发生的时间和位置及此时的光强曲线变化图；

在激光能量不稳定时，光强信号随着激光能量的变化而变化，在激光能量稳定时，光强信号趋于稳定，则此时熔池状态稳定，判定为加工过程无异常；

反之，若激光能量不稳定时，光强信号与激光能量的变化出现不一致，则此时熔池状态不稳定，加工过程产生缺陷，在发生缺陷的点及时报警并记录下该事件发生的时间和位置及此时的光强曲线变化图。

本发明中因高温的熔池3辐射光波12中还夹杂着等离子体辐射光波和被材料表面反射的激光光波，因此，为了分离出熔池辐射的光波，要对反射光进行滤波处理。从理论上分析，等离子体辐射光谱主要由韧致辐射和复合辐射产生的连续光谱和基于跃迁产生的线光谱叠加而成，而熔池液体金属的辐射主要是连续谱热辐射，符合普朗克辐射定律。等离子体的温度高达10⁴k，熔池的温度最高在材料的沸点左右，大概为3000k，两者温度相差悬殊，所以其辐射光的主要波段也有明显的差别。等离子体辐射光波的波峰处于紫外波段，光谱绝大部分小于600nm。成形过程中，熔池的温度处于800-3000k的范围内，根据普朗克辐射定律，辐射光波的波长在600-900nm范围内。且已知被反射的激光波长为1064nm，由此可以确定滤波系统，采用一个中心波长为1000nn高通截止第一滤波片6，再加上一个中心波长为600nm低通截止第二滤波片7，过滤掉等离子辐射光波和材料表面反射的激光。经过滤波系统再传入光纤传感器的光便是熔池辐射的光波。

本发明的半透镜5只允许激光器的发射光单向通过，反射光和熔池辐射光、环境辐射光通过半透镜偏转进入滤波系统。

本发明的装置制作时，需根据成形过程中的激光扫描速率，选择合适的光纤传感器，保证传感器的响应频率足够高可以采集到当前点加工过程中熔池的连续变化。将采集到的光强信号经过采集卡转换成数字信号，输入到上位机中，用分析软件进行数据分析，实时显示光强变化曲线。

本发明在根据上位机实时显示的光强曲线变化判断熔池状态是否稳定时，正常成形过程中，当处于某一稳定的成形过程中时(如实体填充、轮廓扫描等过程)，不同点受到激光照射时发生熔化形成的熔池，在稳定状态的温度应该趋于一致，所以测得的光强信号应该较平稳，上位机信号分析软件输出的波形图如图3所示，光强随着激光能量的变化而变化，在激光能量稳定时，光强信号趋于稳定。

当激光能量稳定，但是在成形过程中产生缺陷时，熔池状态变得不稳定，熔池温度等发生了变化，其辐射的波长和辐射波的强度随之变化，此时上位机监测到的信号不再平稳，会发生急剧的变化，输出的波形曲线如图4所示，会在某点处陡增或者陡降甚至监测不到该波段的信号。

通过分析辐射波强度的变化，可以推断出熔池状态是否稳定。当光强信号如图3所示比较平稳时，说明熔池状态相对稳定。当光强信号如图4所示时，说明在发生急剧变化的点熔池状态发生了变化，根据波形上凸或者下凹可以大致判断出熔池的缺陷类型。在发生缺陷的点及时报警并记录下该事件发生的时间和位置及此时的光强曲线变化图，并根据光强变化初步推断缺陷的类型，及时找到解决和避免措施，以提高成形质量，减少成形的废品率。