高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置与方法

技术领域

本发明涉及熔池温度场在线监控技术领域，具体涉及一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置与方法，可适用于增材制造激光选区熔化加工过程中熔池温度场的在线监测。

背景技术

金属3D打印技术是目前3D打印体系中最为前沿和最具有潜力的技术，是目前先进制造技术中的重点发展方向之一。金属3D打印技术按照采用金属粉末添置的方式主要分为三类：激光选区熔化技术、激光近净成型技术、电子束选区熔化技术。激光选区熔化技术适用于传统工艺无法制造的内部有异形复杂结构的零件的制造，同时，由于该技术成形精度较高，在普通零件应用中可保留更多的非加工面，因此可更好地解决难切削材料的加工问题。

激光选区熔化技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。其原理是首先通过专用软件对零件三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能量激光束根据轮廓数据逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件。

在激光选区熔化加工过程中，激光功率和扫描速度等参数在加工过程中是不变的，但是在每一层加工时，成形件内部的热应力会随着成形层数的增加而逐渐累积，当残余应力达到材料的屈服强度时发生塑性变形产生裂纹；此外如果冷却速度过快，气体来不及从熔池中逸出，则有可能形成孔隙；孔隙和裂纹又会影响熔池的温度场分布。可见，如果能在加工过程中实时监测熔池温度，可以及时发现缺陷并对缺陷进行处理，将会大大的提高成型产品的质量。同时，熔池的温度场信息对分析产品成型质量、残余应力、强度等具有重要作用，准确测量熔池的温度场有利于提高增材制造技术的制造精度。然而在激光选区熔化过程中，熔池的范围特别小(一个熔池大小为200～300μm)、激光扫描速度和熔池温度的变化速度很快(激光扫描速度在4m/s-10m/s之间，粉末的加热和凝固速度最快在一秒有几百度的变化)、熔池温度极高(熔池最高温度可达3000℃)；如果利用现有的普通红外热像仪测量其温度场，受红外热像仪的分辨率和测量帧率限制，其测量精度难以达到高速测温、高分辨率的要求(红外热像仪的帧率往往只有几十，由于熔池本身很小，如果用红外热像仪，整个熔池在红外热像仪上只能看见一个点，而对于激光扫描而言，在一秒拍10000张图像的情况下，其分辨率要求大概在500×400)；而且，增材制造设备的集成化发展趋势急需一种易于集成的熔池温度场的在线监测设备。

在公开号为CN109014202A，名称为“一种激光选区熔化加工过程熔池温度实时监测装置及方法”的中国专利申请中，在振镜与激光器之间加入半反半透镜，将测温所需波长的范围增透，增透后的光线通过分光镜分光，分别用两个高速相机进行处理。但是该方法使用两个高速相机、价格昂贵，且两台高速相机同步触发时间不准确或者图形匹配不准确都会造成测温结果的误差。在公开号为CN108871585A，名称为“基于单相机的温度场测量系统及方法”的中国专利申请中，利用平板分光镜将入射窗的光束分成相同的两束光，再经过反射镜反射到同一个相机的靶面中。该方法仅需一个相机即可拍摄到具有两个目标图像的图片，避免了现有技术中两个相机不方便同步触发的缺陷，提高了测量精度，同时降低了成本。但是激光选区熔化设备中打印室为封闭结构且激光选区熔化设备中各个装置之间结构紧凑，该方案中，光线在分光光路里面经过多次的反射，并且出射光和入射光的夹角是135度，分光角度过大，造成两束光难以同时进入高速相机，摆放高速相机不太方便；并且不能直接应用于同轴测温，无法使相机拍的两幅图像同时对焦，图像会模糊。此外，该方法中所用的平板分光镜将光分为相同的光束一和光束二，造成熔池辐射的光强有损耗，相机采集到图片亮度偏弱。

在公开号为CN109759591A，名称为“一种选择性激光熔融3D打印机的熔池光谱温控方法及系统”的中国专利申请中，通过光电二极管监测熔池辐射光强度间接表征熔池热情况，将辐射光依次转化为电压信号、数字信号，然后对数字信号进行处理得到温度数据。其根据熔池辐射光强度大小间接表征熔池的温度是否过高或过低，但该方法为单点测温法，只能测量熔池的平均温度，无法测量出具体的熔池温度值分布，仅知道熔池的平均温度无法用于熔池的缺陷监测。

综上，目前实现激光选区熔化加工过程中在线熔池温度场的精确测量很有必要。发展一种可以应用在激光选区熔化设备中，测量精度高、高速高分辨率、经济实用、体积小可直接安装在打印设备上的熔池温度场的在线监测装置和技术，是目前增材制造领域中需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，能够只采用一个高速相机实现对熔池温度的检测，且能够实现同轴测温，结构简单，易于实现。

本发明的高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，包括激光器、扫描振镜、分光系统、高速相机和电脑，其特征在于，还包括长波通二向色镜；

其中，长波通二向色镜位于激光器和扫描振镜之间；所述长波通二向色镜上镀有增透膜的平面面向激光器，用于透射激光器的激光，镀有二向色膜的平面面向扫描振镜，用于反射熔池辐射的红外光信号；所述激光器出射的激光经长波通二向色镜透射、扫描振镜照射在打印室的熔池上；熔池辐射的红外光信号经扫描振镜、长波通二向色镜反射进入分光系统；

所述分光系统包括第一二向色镜、第二二向色镜、第二椭圆形反射镜、第三椭圆形反射镜、第一带通滤波片和第二带通滤波片；其中，熔池辐射的红外光信号经长波通二向色镜反射进入分光系统后，被第一二向色镜分光成第一波段光和第二波段光；其中，第一波段光经第三椭圆形反射镜照射在第二带通滤波片上被滤波后，再经第二二向色镜反射进入高速相机；第二波段光经第二椭圆形反射镜照射在第一带通滤波片上被滤波后，再经第二二向色镜透射进入高速相机；其中，所述第一二向色镜和所述第二二向色镜起始波长相同但功能相反，对称放置；滤波后的第一波段光和第二波段光以一定的光程差平行进入高速相机，两个波段的光在高速相机中的成像不重叠且同时聚焦；

高速相机对入射的两个波段的光进行成像；电脑对高速相机的成像结果进行图像处理得到熔池温度场的分布。

较优的，还包括可调节光程中继系统，所述可调节光程中继系统位于长波通二向色镜与分光系统之间；所述可调节光程中继系统用于调节长波通二向色镜反射光的光程，并消除反射光的色差；长波通二向色镜的反射光经可调节光程中继系统进入分光系统。

较优的，长波通二向色镜安装在笼式立方体中；所述可调节光程中继系统包括：第一近红外消色差双胶合透镜对、第二近红外消色差双胶合透镜对、连接镜筒、第一可调节镜筒、第二可调节镜筒、第一直角光学调整架、第一椭圆形反射镜和整体消色差双胶合透镜；其中，第一椭圆形反射镜安装在第一直角光学调整架上；第一近红外消色差双胶合透镜对通过连接镜筒与笼式立方体连接；第二近红外消色差双胶合透镜对通过第一可调节镜筒与所述第一近红外消色差双胶合透镜对的出光侧连接；所述第一直角光学调整架通过连接镜筒与所述第二近红外消色差双胶合透镜对的出光侧连接；所述整体消色差双胶合透镜通过第二可调节镜筒与第一直角光学调整架的出光侧连接。

较优的，所述第一近红外消色差双胶合透镜对、第二近红外消色差双胶合透镜对和整体消色差双胶合透镜表面均镀有650～1050nm的增透膜。

较优的，所述长波通二向色镜的起始波长范围为950～1000nm；所述第一二向色镜和第二二向色镜的起始波长范围为805～880nm；所述长波通二向色镜和所述第一二向色镜、第二二向色镜表面镀有二向色膜和增透膜；第一带通滤波片和第二带通滤波片的中心波长分别为780nm和905nm。

本发明还提供了一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测方法，采用上述高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置对熔池温度进行监测；

所述电脑采用以下比色测温公式计算熔池的温度场温度T：

其中，c

较优的，所述电脑在计算熔池的温度场温度T前，先对高速相机的成像结果进行畸变标定，获得畸变标定后的图像；根据畸变标定后的图像计算熔池的温度场温度T；其中，所述畸变标定的方法如下：

步骤1，在白纸上打印N个随机分布的标记点作为散斑；将带有散斑的白纸贴在打印室内成型平面上，带有标记点的图片作为参考图I，以参考图I的中心为原点建立坐标系Ox

步骤2，将高速高分辨高精度超高温熔池温度场的在线监测装置安装在激光选区熔化设备上，调节好光路，对带有标记点的白纸进行拍摄；将所述高速相机拍到的两个成像图分别作为畸变图J

步骤3，分别给定畸变图J

x

y

x

y

其中，(x

分别计算未畸变图f

步骤4，采用步骤3获得的最优畸变系数对所述高速相机拍的图片进行畸变校正。

较优的，所述步骤3中，采用遗传算法或粒子群算法求取最优畸变系数。

有益效果：

(1)本发明首先采用长波通二向色镜只将熔池辐射的红外光信号反射进入分光系统，避免了激光器激光对成像的影响；然后在分光系统中，利用二向色镜及带通滤波片，选定2个不同波段的红外光进行成像和温度计算，一方面避免了打印室中等离子体对高速相机成像的影响，提高了温度计算的精度，另一方面利用二向色镜将熔池辐射的2个不同波段的红外光完全分开，避免两个波段都是同一波段光束造成的光强的损耗，利于相机成像，提高了温度计算的精度。本发明分光系统结构简单紧凑、体积小，可实现分出的光束一和光束二以平行光的形式进入同一高速相机中；同时，通过微调分光光路中椭圆形反射镜的角度和位置，可以避免分光后的两个图像出现重合等问题。此外，通过调整椭圆形反射镜的位置，反射光束和透射光束出现特定的光程差，使高速相机可以对两个图像同时聚焦，调整方式简单、易于实现。

(2)本发明采用一个高速相机即可实现激光选区熔化工艺中熔池温度场的在线快速测量，避免了两个高速相机同步触发时间上不准确的缺陷，既提高了测量精度，又降低了成本；同时，采用的高速相机为高速高分辨相机(一秒拍十万张图)，极大地提高了温度场的测量速度和精度，满足了熔池温度场高分辨、高速的测量需求，弥补了现有红外热像仪速度与分辨率较低的不足。

(2)利用可调节光程中继系统可有效拉长熔池红外光的光程，可以集成在大部分的金属增材制造设备上进行测温，同时拉伸光程对熔池成像的大小影响很小；同时，可调节光程中继系统可以对装置的色差进行一定的补偿，提高成像精度以及问题的计算精度。

(3)本发明中继系统采用了第一近红外消色差双胶合透镜对、第二近红外消色差双胶合透镜对、整体消色差双胶合透镜等多个消色差透镜，消色差透镜拥有很好的改善单色性能和出色的聚焦能力，提高高速相机图片的质量，进而提高了测量的精度。

(4)分光系统中，利用第一带通滤波片和第二带通滤波片选定780nm和905nm波段的红外光进行成像计算，该两个波段能够避免熔池上方形成的等离子体对熔池测温的影响，同时测温范围可达1000～3000℃。

(4)本发明采用比色测温法，测量的范围覆盖到高温和超高温领域(1000～3000℃)，克服了现有红外热像仪无法测量超高温温度场的缺陷；同时，比色测温法消除了干扰光、等离子体等对高速相机的干扰，提高了测量的精度。

(5)本发明基于上述装置能够获得同时聚焦的双波段清晰图像，双波段图像是平移关系，且具有良好的图像匹配效果，提高了比色测温的测量精度。

(6)本发明还对装置的光学畸变做了校正，可有效提高温度场计算的精度。

(7)本发明能实现高速相机采集速度一万帧率、熔池温度3000度的测量，且精度在2％以内、分辨率较高，可有效实现熔池温度场的监测，同时，也可用于炸药爆炸过程中的温度监测。

附图说明

图1为本发明的熔池温度场在线监测装置的结构示意图。

图2为分光系统的结构示意图。

图3为总体光学畸变标定的流程图。

其中，1-熔池；2-成型平面；3-打印室；4-聚焦镜头；5-扫描振镜；6-长波通二向色镜反射的部分波段；7-长波通二向色镜；8-笼式立方体；9-激光器；10-1-连接镜筒；10-2-连接镜筒；11-第一近红外消色差双胶合透镜对；12-第一可调节镜筒；13-第二近红外消色差双胶合透镜对；14-第一直角光学调整架；15-第一椭圆形反射镜；16-第二可调节镜筒；17-整体消色差双胶合透镜；18-分光系统；19-高速相机；20-第一二向色镜；21-1-第二椭圆形反射镜；21-2-第三椭圆形反射镜；22-1-第二直角光学调整架；22-2-第三直角光学调整架；23-1-第一带通滤波片；23-2-第二带通滤波片；24-第二二向色镜；25-电脑。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种高速高分辨高精度超高温熔池温度场在线监测装置，如图1所示，包括激光器9、扫描振镜5、聚焦镜头4、长波通二向色镜7、分光系统18、高速相机19和电脑25；其中，长波通二向色镜7位于激光器9和扫描振镜5之间。

激光器9发出激光经长波通二向色镜7、扫描振镜5、聚焦镜头4照射在打印室3内的熔池1上；熔池1辐射的红外光经聚焦镜头4、扫描振镜5，由长波通二向色镜7反射进入分光系统18；分光系统将熔池1的红外光分为不同波段的平行的两束光；高速相机19对分光系统获得的2束光进行同时成像；电脑25根据高速相机18的成像结果，采用比色测温原理计算获得熔池的温度。

其中，所述长波通二向色镜7的两面分别镀有二向色膜和增透膜；其中，镀有增透膜的一面面向激光器9，用于透射激光器9发出的激光；镀有二向色膜的一面面向扫描振镜5，用于反射熔池1的红外光。二向色膜面对于短于起始波长(激光)的波段具有高反射性能，增透膜对于长于起始波长的波段具有高透过性；本发明根据熔池辐射的红外光与激光器发出的激光的波段差异，利用长波通二向色镜可以将透射波段和反射波段分开，减少激光对高速相机成像的影响，提高温度计算的精度。

为方便固定长波通二向色镜7，可以将长波通二向色镜7固定在一个笼式立方体8中，所述笼式立方体8开孔的中心位于扫描振镜5入射孔的中心与激光器9出射孔中心的连线上；长波通二向色镜7可以以斜45度角的方向固定在所述笼式立方体8中。长波通二向色镜7、笼式立方体8的组合可称为光路转向系统。

所述分光系统将熔池辐射红外光分为两束，均由同一台高速相机9进行成像。如图2所示，分光系统包括：第一二向色镜20，近红外波段滤光片组23-1、23-2，反射镜组21-1、21-2，以及第二二向色镜24；其中，第一二向色镜20的一面镀有二向色膜，另一面镀有增透膜；通过二向色膜波长设计，将熔池辐射红外光中短于/长于设计波长的光波(光束二)反射，并另一面的增透膜增强透射过来的长于/短于设计波长的光波(光束一)；由此，光束一和光束二经二向色镜实现了反射光和透射光的分离，并且在波段上也进行了分离。波段分离的好处是，能够分别利用熔池辐射红外光的不同波段信息，不会降低光束的强度，避免了传统方式下光束强度降低造成了成像亮度低，影响温度计算精度的问题。经第一二向色镜20透射的光束一和反射的光束二，分别经对应的反射镜组反射至第二二向色镜24；所述第二二向色镜24与第一二向色镜20起始波长相同功能相反(一个长波通一个短波通)，即当所述第一二向色镜为第一长波通二向色镜时，则所述第二二向色镜为第二短波通二向色镜；当所述第一二向色镜为第一短波通二向色镜时，则所述第二二向色镜为第二长波通二向色镜。通过设计第一二向色镜20，反射镜组21-1、21-2，以及第二二向色镜24之间的位置关系及镜片角度，可以实现波束一和波束二平行进入高速相机，并在高速相机中的成像不重合；若波束一和波束二不能同时聚焦，则可以通过调整镜片位置，使得波束一和波束二之间存在一定的光程差，进而实现均能在高速相机中聚焦成像。

具体的，如图2所示，第一二向色镜20与其入射光呈45度夹角，所述第一二向色镜20上镀有二向色膜的平面面向入射光；所述反射镜组包括第二椭圆形反射镜21-1和第三椭圆形反射镜21-2；采用椭圆形反射镜以45°角安装时可以提供圆形的通光孔径，能够对其入射光进行全面的反射，避免光强损失。所述第二椭圆形反射镜21-1可固定在第二直角光学调整架22-1上，所述第三椭圆形反射镜21-2可固定在第三直角光学调整架22-2上。第二直角光学调整架22-1和第三直角光学调整架22-2关于第一二向色镜20镜面对称。

考虑到熔池上方形成的等离子体辐射的波段也会被高速相机采集到，需要将等离子体辐射的波段去除掉。本发明在光束一和光束二的反射路径上设置近红外波段滤光片组。如图2所示，近红外波段滤光片组包括第一带通滤波片23-1和第二带通滤波片23-2；所述第一带通滤波片23-1和第二带通滤波片23-2分别位于第二椭圆形反射镜21-1和第三椭圆形反射镜21-2的反射端，并且所述第一带通滤光片23-1和所述第二带通滤光片23-2关于所述第一二向色镜20镜面对称。

所述第二二向色镜24中心点位于所述第二椭圆形反射镜21-1中心点和所述第一带通滤波片23-1中心点连线以及所述第三椭圆形反射镜21-2中心点和所述第二带通滤波片23-2中心点连线的交点处，所述第二二向色镜24与所述近红外波段滤光片组出射的光束夹角为45度，所述第二二向色镜24的增透膜平面面向所述第二带通滤波片23-1。

本实施例中，当第一二向色镜为第一长波通二向色镜时且所述第二二向色镜为第二短波通二向色镜时，第一二向色镜20将波长大于805nm的光线透射，小于805nm波长的光线反射；第二二向色镜24将波长小于805nm的光线透射，大于805nm波长的光线反射；第一带通滤波片23-1的中心波长为780nm，半高宽为10nm；第二带通滤波片23-2的中心波长为905nm,半高宽为10nm。由于增材制造过程中形成的等离子体中心温度可达上万摄氏度，辐射的波段主要集中在短波范围内，780nm和905nm的带通滤波片可以最大限度避免等离子体辐射波段对高速相机成像的影响；同时选取的780nm和905nm波段辐射能差异也较大，差异性越大，得到的灰度值比值的数值范围越大，可以提高测温的精度和分辨率；此外熔池在780nm和905nm都具有较高的辐射强度，采用带通滤光片后高速相机也可以采集到较强的辐射信号。

由此，分光系统18将熔池辐射红外光分成2个不同波段的光束，并以一定的光程差平行进入同一个高速相机19进行聚焦成像，且波束一和波束二在高速相机9中的成像不重叠。电脑25对高速相机19的成像结果进行图像处理，获得熔池的温度分布。

考虑到本装置集成在金属增材制造设备上时需要对金属增材制造设备进行改装，集成化相对困难，还可以在长波通二向色镜7和分光系统18之间设置可调节光程中继系统，用于延伸熔池辐射红外光的光路，并且能够起到一定的消除测温装置中各镜片的色差，提高成像效果和温度计算精度的效果。当可调节光程中继系统光路较长时，高速相机采集的熔池图像变小，可以将长焦距显微镜头安装在高速相机上，将熔池的图像放大。

具体的，如图1所示，可调节光程中继系统包括：第一近红外消色差双胶合透镜对11、第二近红外消色差双胶合透镜对13、连接镜筒10、第一可调节镜筒12、第二可调节镜筒16、第一椭圆形反光镜15和整体消色差双胶合透镜17。其中，第一近红外消色差双胶合透镜对11通过连接镜筒10与光路转向系统中的笼式立方体8连接；第二近红外消色差双胶合透镜对13通过第一可调节镜筒12与第一近红外消色差双胶合透镜对11的出光侧连接；第一椭圆形反光镜15固定在第一直角光学调整架14上，第一直角光学调整架14通过连接镜筒10-2与第二近红外消色差双胶合透镜对13的出光侧连接；整体消色差双胶合透镜17通过第二可调节镜筒16与第一直角光学调整架14的出光侧连接。

所述第一近红外消色差双胶合透镜对11的焦距为f1，所述第一近红外消色差双胶合透镜表面镀一定范围波长的增透膜，两端都刻有内螺纹。所述第二近红外消色差双胶合透镜对13的焦距为f2，所述第二近红外消色差双胶合透镜表面镀有与所述第一近红外消色差双胶合透镜对相同波段范围的增透膜，两端都刻有内螺纹。所述连接镜筒两端都刻有外螺纹；所述第一椭圆形反射镜15对一定波段范围的波段具有高反射性。所述整体消色差双胶合透镜17的焦距为f3，所述整体消色差双胶合透镜表面镀有一定波段范围的增透膜，所述整体消色差双胶合透镜入光侧刻有外螺纹。

可调节光程中继系统将从光路转向系统接收到的光波经过一定的延伸距离无色差的延伸进入分光系统中，所述延伸距离可以通过调节第二近红外消色差透镜对13和整体消色差双胶合透镜17之间的距离来调节。

其中，电脑25可以采用比色测温、数字图像相关、畸变校正等方式，根据高速相机19的成像结果获取熔池的温度分布。

本实施例中，采用以下比色测温公式计算熔池(1)的温度场温度T：

其中，c

通过在黑体炉上多次测量某点的温度，同时计算机可以得到该点对应的N

考虑到熔池辐射出的红外光波经过了聚焦镜头4、扫描振镜5等激光选区熔化设备内的零器件以及光路转向系统、可调节光程中继系统和分光系统18，可能会引入一些光学畸变导致高速相机19拍的图片与实际有偏差，本发明还对测温装置的光学总体畸变进行了标定，消除因测温装置中的光学畸变导致的高速相机拍摄误差问题，提高了高速相机采集到图片的精确度。本实施例采用的光学畸变标定方法包括以下步骤：

步骤1，在白纸上打印N个随机分布的标记点作为散斑；将带有散斑的白纸贴在打印室内成型平面上，电脑上带有标记点的图片作为参考图I，以参考图I的中心为原点建立坐标系Ox

步骤2，将上述高速高分辨高精度超高温熔池温度场的在线监测装置安装在激光选区熔化设备上，调节好光路，对带有标记点的白纸进行拍摄；将所述高速相机拍到的两个成像图分别作为畸变图J

畸变图J

其中，

畸变图J

x

y

其中，r

畸变图JR的一阶径向畸变系数k

x

y

其中，r

步骤3，求畸变系数：

具体地，给定k值的取值范围(0，m)，m＝1～6；设置步长为n，将n,2n,3n,…,m分别作为k值并代入公式(3)～公式(6)求得未畸变图f

C(k

C(k

其中，C为相关性的数字表示，数字越小相关性越强；

可以运用遗传算法或粒子群算法等方法进行最优畸变系数的求解。

粒子群算法初始化为一群随机解(即我们给的k值的取值范围)，然后通过迭代找到最优解。在每一次迭代中，粒子通过跟踪两个"极值"来更新自己。第一个就是粒子本身所找到的最优解。另一个极值是整个种群目前找到的最优解。

遗传算法GA把问题的解表示成“染色体”，在算法中也即是以二进制编码的串。并且，在执行遗传算法之前，给出一群“染色体”，也即是假设解。然后，把这些假设解置于问题的“环境”中，并按适者生存的原则，从中选择出较适应环境的“染色体”进行复制，再通过交叉，变异过程产生更适应环境的新一代“染色体”群。这样，一代一代地进化，最后就会收敛到最适应环境的一个“染色体”上，它就是问题的最优解。

步骤4，最后分别选择未畸变图f

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。