CN111141391B - 针对slm成形过程熔池激光同步跟随测温装置及测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温装置及测温方法，测温装置包括红外测温模块和安装在SLM成形设备上的可编程二维移动平台，所示可编程二维移动平台上安装有基板，基板上开设有熔池；所述红外测温模块包括至少一个双色红外测温仪以及多个单色红外测温仪，进行温度测量时，所述双色红外测温仪的光斑对准热源激光光斑中心，所述单色红外测温仪的光斑分布在熔池的轮廓线上。在保证扫描路径的前提下，将热源激光的扫描运动转化为基板的运动。从而将困难的激光快速精准跟随测温，转化为相对简单的定点测温，由于红外测温仪和热源在成形过程中均保持静止，红外测温仪始终能捕捉热源激光光斑中心及其周围熔池温度。
Description
技术领域
本发明属于增材制造温度监控技术领域，具体涉及一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温装置及测温方法。
背景技术
选区激光熔化(SLM)作为金属增材制造的重要分支，其在金属材料的小尺寸复杂构型，材料梯度复合制造等方面有着巨大优势。因此吸引了越来越多的科研人员及企业从事相关领域的研究。但是由于材料制备和工艺理论等研究目前还不够成熟，导致目前SLM设备的工件成品率极低从而一定程度上限制了此技术的大规模应用。
SLM成形过程的核心在于熔池及热场的控制，在成形过程中如何获得相对平均的热场以及稳定的熔池是提高成型成功率的关键。目前对热场和熔池的监控手段主要是红外测温仪测温以及红外热成像仪的全场测温。SLM成形过程中激光移动较快(多为100mm/s以上)，对于红外测温仪测温，目前移动平台的移动响应速度和精度难以实时跟随激光移动，因此其只能测量成形过程中保持静止不动的单个测温点的温度。而红外热成像仪的全场测温精度远低于红外测温仪测温精度，达不到熔池监控所需的要求。目前还没有有效的技术手段实现激光扫描过程中的实时跟随测温，从而对熔池形貌的监控提供重要的温度数据。
发明内容
本发明提供了一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温装置及测温方法，目的在于获得SLM激光扫描过程中的温度数据和热场分布，突破了单点测温和热成像仪全场测温的传统测温思路，采用相对运动的方式对激光扫描实现相对跟随。
为达到上述目的，本发明所述一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温装置，包括红外测温模块和安装在SLM成形设备上的可编程二维移动平台，所示可编程二维移动平台上安装有基板，基板上开设有熔池；所述红外测温模块包括至少一个双色红外测温仪以及多个单色红外测温仪，进行温度测量时，所述双色红外测温仪的光斑对准热源激光光斑中心，所述单色红外测温仪的光斑分布在熔池的轮廓线上。
进一步的，可编程二维移动平台的移动精度为0.05mm。
进一步的，基板通过延长支架固定在可编程二维移动平台上。
基于权利要求上述的测温装置的针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，包括以下步骤：
步骤1，调节基板的位置，使得基板的工作面为热源激光光斑最小平面；
步骤2，将双色红外测温仪的光斑对准热源激光光斑中心，单色红外测温仪的光斑分布在热源激光光斑的不同侧面；
步骤3，对双色红外测温仪发出的双色红外激光及热源激光进行对准操作，使双色红外激光的最小光斑直径与热源激光光斑同心；
步骤4，保持热源激光位置不动；
步骤5，先开启双色红外测温仪和单色红外测温仪，再启动可编程二维移动平台和热源激光，开始测温并记录双色红外测温仪和单色红外测温仪所测得的温度；
步骤6，根据所测温度制作各红外测温仪测量温度随时间的变化图。
进一步的，步骤2中，通过调整单色红外测温仪的位置，结合重复性实验对熔池形貌进行温度描述。
进一步的，步骤2中，通过调整测量位置，使得被测温度处于采用单色红外测温仪的测温区间内，从而获得成形过程中热源附近任意点的实时温度。
进一步的，在步骤3中，在使用双色红外测温仪对光斑进行温度测量时，热源激光光斑面积不小于双色红外测温仪的红外激光光斑面积的30％。
进一步的，步骤5中，通过双色红外测温仪和单色红外测温仪测量得到的不同位置的温度测量熔池的尺寸。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温装置，将基板安装在移动精度高的可编程二维移动平台上，使双色红外测温仪和单色红外测温仪的位置和热源位置相对固定，在保证扫描路径的前提下，将热源激光的扫描运动转化为基板的运动。从而将困难的激光快速精准跟随测温，转化为相对简单的定点测温。
进一步的，设置多个红外激光测温仪能测量熔池尺寸。
进一步的，所述基板，通过延长支架，固定在可编程二维移动平台上，可根据SLM成形设备腔体尺寸，来选择安装基板的方式，适用于不同尺寸的SLM成形设备。
一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，在保证扫描路径的前提下，将热源激光的扫描运动转化为基板的运动。从而将困难的激光快速精准跟随测温，转化为相对简单的定点测温，由于红外测温仪和热源在成形过程中均保持静止，红外测温仪始终能捕捉热源激光光斑中心及其周围熔池温度。通过运动的转换实现SLM成形过程中激光熔池温度实时测量；同时使用单双色红外激光测温仪组合能同时测量低温区间与高温区间的温度。通过布置红外测温仪的位置可以获得测温点阵，从而测得扫描过程中不同位置的精确温度。在步骤2中，采用双色红外测温仪及多个单色红外测温仪协同测温有以下优势：
a)通过步骤二将两种不同类型和不同温度范围的红外测温仪的优势最大化从而更加精确地获取熔池周边温度变化数据，以便对熔池形貌进行精确构建。
b)通过调整单色红外测温仪的位置，结合重复性实验可以对熔池形貌进行温度描述从而根据实验结果精确推测熔池尺寸，而不是以往的模拟预测。
c)采用低温范围的单色红外测温仪，通过调整测量位置，使得被测温度处于单色红外测温仪测温区间内，从而可以获得成形过程中热源附近任意点的实时温度。
进一步的，在步骤3中，在使用双色红外测温仪对光斑进行温度测量时，由于双色红外测温仪具有较好的鲁棒性。在保证热源激光光斑面积不小于双色红外测温仪的红外激光光斑面积的30％就可精确测出热源激光光斑的实际温度。
附图说明
图1是本发明实施流程图；
图2是本发明所示基板安装方式一示意图；
图3是本发明所示基板安装方式二示意图；
图4是本发明所用示例对焦方式示意图；
图5是本发明所用示例所测温度变化图；
图2、图3中，1-可编程二维移动平台，2-基板，3-熔池，4-单色红外测温仪，5-双色红外测温仪，6-延长支架。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1，一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，包括以下步骤:
步骤1，在SLM成形设备中安装可编程二维移动平台1，可编程二维移动平台1的移动速度最快达到1000mm/s，移动精度为0.05mm。在可编程二维移动平台1上安装基板2并进行调平，使得基板2的工作面为热源激光光斑最小平面以确保测温精度。
步骤2，搭建红外测温模块，采用四只乃至更多红外测温仪用于进行测温，分别记录不同区域的温度变化，从而对熔池形貌进行测量。红外测温仪选用一个双色红外测温仪5以及三个单色红外测温仪4。双色红外测温仪5的光斑对准热源激光光斑中心，另外三只单色红外测温仪的光斑分布在热源激光光斑的后侧、左侧及右侧，通过4个红外测温仪共同作用可以测量熔池的尺寸。
步骤3，对双色红外测温仪5发出的双色红外激光及热源激光进行对准操作。通常双色红外激光的最小光斑直径与热源激光光斑直径尺寸不同，尽量保证上述两个光斑同心，以保证测量精度。
步骤4，导入可编程二维移动平台1的移动程序。保持热源激光位置不动，为基板2的移动做好准备。
步骤5，先开启双色红外测温仪5和单色红外测温仪4，再启动可编程二维移动平台1和热源激光，开始测温并记录双色红外测温仪5和单色红外测温仪4所测得的温度。
步骤6，根据所记录数据制作各红外测温仪测量温度随时间的变化图。
在步骤1中，根据SLM设备内的空间以及设备结构特性选择移动平台的安装方式，即当SLM机床基板腔体尺寸足够时，可按照图2所示的方式将基板2直接安装在可编程二维移动平台1上；若SLM机床基板安装部位尺寸较小，亦可以按照图3所示的方式将基板安装在可编程二维移动平台1的延长支架上，此时同时调节热源激光的工作平面，保证基板的工作平面为热源激光的激光光斑最小平面。基板移动过程中的机械震动会对测温过程中的温度波动产生影响。因此应选择稳定性较好的二维移动平台并牢固安装基板。
在所述步骤2中，采用双色红外测温仪及多个单色红外测温仪协同测温有以下优势：
a)目前红外测温仪均有一定的测温区间，无法做到同时覆盖低温和高温测量。通过步骤二将两种不同类型和不同温度范围的红外测温仪的优势最大化从而更加精确地获取熔池周边温度变化数据，以便对熔池形貌进行精确构建。
b)通过调整单色红外测温仪4的位置，结合重复性实验可以对熔池形貌进行温度描述从而根据实验结果精确推测熔池尺寸，而不是以往的模拟预测。
c)采用低温范围的单色红外测温仪4，通过调整测量位置，使得被测温度处于单色红外测温仪测温区间内，从而可以获得成形过程中热源附近任意点的实时温度。
在步骤3中，在使用双色红外测温仪5对光斑进行温度测量时，由于双色红外测温仪5具有较好的鲁棒性。因此只需保证热源激光光斑面积不小于双色红外测温仪5的红外激光光斑面积的30％就可精确测出热源激光光斑的实际温度。
在步骤4中，本发明的核心思想就在于速度的转化。在保证扫描路径的前提下，将热源激光的扫描运动转化为基板2的运动。从而将困难的激光快速精准跟随测温，转化为相对简单的定点测温。红外测温仪始终能捕捉热源激光光斑(热源)中心(二者在成形过程中均保持静止，)及其周围熔池温度。通过布置红外测温仪的位置可以获得测温点阵，从而测得扫描过程中不同位置的精确温度。
参照图2和图3，一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温装置，包括安装在SLM成形设备上的可编程二维移动平台1和红外测温模块，可编程二维移动平台1上固定有基板2，基板2上开设有熔池3。红外测温模块包括一个双色红外测温仪5以及三个单色红外测温仪4。双色红外测温仪5的光斑对准热源激光光斑中心，另外三只单色红外测温仪的光斑分布在热源激光光斑的后侧、左侧及右侧，通过4个红外测温仪共同作用可以测量熔池的尺寸。
实施例1
考虑一个长为40mm，宽为10mm的长方形单层扫描测温实验。在移动基板2上铺粉316L粉末，利用一个双色红外测温仪5实时测量热源激光光斑中心温度。其实施步骤为：
(1)按照图3在SLM成形设备中搭建可编程二维移动平台1，将移动基板2安装在可编程二维移动平台1上，调节基板2的高度至热源激光光斑最小平面，然后将基板2固定在可编程二维移动平台1上。将可编程二维移动平台1的移动速度调节为200mm/s。
(2)在SLM成形设备中安装一个双色红外测温仪5，所用双色红外测温仪5的测温范围为500℃-3000℃。调节双色红外测温仪5使其测温光斑中心对准热源激光光斑中心，如图4所示。
(3)导入可编程二维移动平台1的移动程序，本示例采用S型扫描策略，扫描间距为0.1mm。使成形过程中基板2的运动轨迹与理论成形轨迹相反，即可将热源激光的移动转换为基板2的移动。
(4)将单色红外测温仪4打开，开始测温。设定热源激光功率为500W，开启热源激光。成形结束后，保存测温数据并作图。
图5给出了本发明所述方法所测得的在SLM成形过程中的激光光斑中心温度变化曲线，证明了本方法的可行性。需要说明的是，虽然本示例仅使用单个红外测温仪测量热源激光光斑中心温度，但在条件允许时，可以通过设置多组红外测温仪器固定对准热源激光附近测温点，从而获取在打印过程中的熔池附近的任意一点的实时温度。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.基于测温装置的一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，调节基板(2)的位置，使得基板(2)的工作面为热源激光光斑最小平面；
步骤2，将双色红外测温仪(5)的光斑对准热源激光光斑中心，单色红外测温仪(4)的光斑分布在热源激光光斑的不同侧面；
步骤3，对双色红外测温仪(5)发出的双色红外激光及热源激光进行对准操作，使双色红外激光的最小光斑直径与热源激光光斑同心；
步骤4，保持热源激光位置不动；
步骤5，先开启双色红外测温仪(5)和单色红外测温仪(4)，再启动可编程二维移动平台(1)和热源激光，开始测温并记录双色红外测温仪(5)和单色红外测温仪(4)所测得的温度；
步骤6，根据所测温度制作各红外测温仪测量温度随时间的变化图；
所述测温装置，包括红外测温模块和安装在SLM成形设备上的可编程二维移动平台(1)，所示可编程二维移动平台(1)上安装有基板(2)，基板(2)上开设有熔池(3)；所述红外测温模块包括至少一个双色红外测温仪(5)以及多个单色红外测温仪(4)，进行温度测量时，所述双色红外测温仪(5)的光斑对准热源激光光斑中心，所述单色红外测温仪(4)的光斑分布在熔池(3)的轮廓线上。
2.根据权利要求1所述的一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，其特征在于，所述步骤2中，通过调整单色红外测温仪(4)的位置，结合重复性实验对熔池形貌进行温度描述。
3.根据权利要求1所述的一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，其特征在于，所述步骤2中，通过调整测量位置，使得被测温度处于采用单色红外测温仪(4)的测温区间内，从而获得成形过程中热源附近任意点的实时温度。
4.根据权利要求1所述的一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，其特征在于，在所述步骤3中，在使用双色红外测温仪(5)对光斑进行温度测量时，热源激光光斑面积不小于双色红外测温仪(5)的红外激光光斑面积的30％。
5.根据权利要求1所述的一种针对SLM成形过程熔池激光同步跟随测温方法，其特征在于，所述步骤5中，通过双色红外测温仪(5)和单色红外测温仪(4)测量得到的不同位置的温度测量熔池的尺寸。
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2019
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