[发明专利]一种增材制造过程激光熔池在线校准装置及评价方法

说明书

本发明公开的一种增材制造过程激光熔池在线校准装置及评价方法，属于激光加工设备校准领域。该装置包括图像采集系统、隔温密封防护装置、工装支架、数据高速传输与图像预处理系统、上位机控制系统。在加工过程中，该装置在线采集激光熔池形貌特征及位置参数，实现多速率、多功率、不同扫描轨迹下熔池形位测量校准。基于该装置的在线采集，本评价方法利用双切特征圆法提取熔池形貌特征参数及位置信息，并采用统计分析方法获取熔池形貌特征参数与加工工艺参数的对应关系，最后应用该对应关系判定当前加工状态。本发明适用于激光选区熔化加工领域，实现对加工过程激光熔池的在线测量评价，指导增材制造产品工艺优化改进、提升增材制造设备精度。

技术领域

本发明涉及一种增材制造过程激光熔池在线校准装置及评价方法，属于激光加工设备校准领域。

背景技术

激光选区熔化(selective laser melting，SLM)技术以其高精度、快速成型、可成型精密复杂结构等优势成为增材制造(Additive Manufacturing，AM)中最具发展前景的一项精密加工成型技术，并在航空航天领域广泛应用。SLM技术应用中存在致密度不达标、几何精度不够及材料性能不稳定等问题，目前SLM技术的次品率高达5％～30％。通过监测激光熔池的动态形貌及位置状态变化可在线把控SLM设备的成型质量，推动增材制造产品质量提升及加工过程实时工艺保障技术的发展。

在激光熔池在线监测中，常以熔池缺陷、等离子羽为研究对象，利用智能算法监测识别熔池状态，但测量精度较低且对于熔池并无统一的评价标准。其中同轴式熔池在线监测为利用分光棱镜分出高能激光束万分之一的能量进行监测，无法获取熔池更多表征信息。旁轴式 SLM在线监测多为铺粉质量监测及熔池缺陷监测，测量精度较低。

在熔池形貌特征参数定义中，多采用最小外接矩形法对熔池形貌特征参数进行相关定义，该方法具有快速、简便等优点。但在实际熔池图像采集过程中，熔池两侧常有一些干扰，利用图像处理算法难以处理。因此在利用最小外接矩形获取熔池参数时，两侧干扰对于参数提取值影响较大，且利用最小外接矩形法求得熔池拖尾角度参数值时，算法较为复杂，且容错率低。

发明内容

针对现有在线监测装置测量精度底、无法获取熔池更多表征信息的问题，本发明的主要目的之一是提供一种增材制造过程激光熔池在线校准装置，实现SLM激光熔池形貌在线校准测量。

本发明另一个主要目的是提供一种增材制造过程激光熔池评价方法，通过积累工艺参数，指导增材制造产品工艺优化改进、提升增材制造设备精度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明公开的一种增材制造过程激光熔池在线校准装置，主要由图像采集系统、隔温密封防护装置、工装支架、数据高速传输与图像预处理系统、上位机控制系统组成。图像采集系统经隔热密封防护后安装固定在工装支架上并与熔池所处平面成一定夹角；数据高速传输与图像预处理系统与图像采集系统利用高速数据传输线缆连接，图像数据经图像预处理后传输至上位机控制系统。

图像采集系统由高速工业相机、镜头、线缆组成，其中高速工业相机适用帧频不小于 300fps，相机单个像元大小不大于0.02mm，相机尺寸在100mm×100mm×80mm以内，相机工作距离不小于100mm，且相机与拍摄平面成一定角度。相机线缆要求抗干扰性强、耐高温且柔韧性较高。

隔温密封防护装置，由覆在图像采集系统表面实现有效隔热的隔热材料构成，相机线缆出口处进行耐高温密封处理。

工装支架架在SLM设备侧壁板上，不与设备干涉。工业相机固定在支架上，可调整支架更改图像采集角度及位置。

数据高速传输与软件处理系统，采用搭载高性能芯片的图像采集卡进行实时数据传输及图像预处理。

本发明公开的一种增材制造过程激光熔池在线评价方法，基于所述一种增材制造过程激光熔池在线校准装置实现，包括以下步骤：