CN111595783B - 材料激光吸收率测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种材料激光吸收率测量***及方法，包括：激光发射装置、激光聚集装置、扫描装置、量热装置、粉末台、平场聚焦镜、第一振镜、第二振镜、实验腔室、调压阀和控制***；激光发射装置发射出的激光通过激光聚集装置使激光束聚焦，聚焦后的激光经扫描装置和平场聚焦镜实现激光在粉末台区域范围内的动态扫描；粉末台与量热装置连接，实时监测激光扫描样品所产生的温度变化。本发明实现了不同波长、不同激光功率范围内以及不同离焦量大小的激光吸收率测量；实现了不同视场的扫描；实现了激光移动平台与量热平台的集成，可以实时测量材料的激光吸收率。

Description

材料激光吸收率测量***及方法

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体地，涉及一种材料激光吸收率测量***及方法。尤其地，涉及一种激光粉末床熔化增材制造过程中材料的激光吸收率测试***以及测试方法。

背景技术

激光粉末床熔化增材制造通过激光束逐层选区熔化粉末层来生产金属零件。

传统的高温下直接测量吸收率的方法是通过积分球收集反射光，而积分球是否能吸收全部的反射光以及吸收的反射光要通过积分球内壁多次散射均匀化后进行探测，当激光的入射功率较强时，有可能造成积分球内壁损伤，影响设备性能，造成误差。当激光束作用于物体表面时，若激光束的作用时间短，功率密度较低，大部分入射光被吸收，材料的温度逐渐升高；若激光的功率密度升高使得激光加热金属表面的温度达到熔点，材料开始熔化，形成熔池。这时熔体表面与激光的相互作用是非平稳的，并且由于熔体运动而被调制，会对吸收率造成影响。若激光的功率密度达到更高的强度，材料表面强烈气化，形成等离子体。当蒸汽反冲压力足够大，在熔池中产生一个深的表面凹陷(匙孔)时，光与小孔喷出的蒸汽相互作用，部分激光可通过逆辐射吸收直接吸收到蒸汽流或等离子体中，增强了材料对激光的吸收。当前，由于缺乏对于增材制造过程吸收率的直接的实时测量，增材制造数值模拟面临着较大的挑战。通过合适的装置直接测量典型激光粉末床熔化增材制造过程中材料的吸收率，有助于对激光能量耦合和随后的物理过程进行精确建模。

本专利介绍了在粉末床熔化增材制造过程中可以实时测量激光吸收率的***以及测试方法。

专利文献CN107561017A(申请号：201710806672.5)公开了一种光学材料非线性吸收率微区测量方法、装置及***，方法以具有变化光强的激光照射待测样品的固定照射区域，获取照射待测样品前的激光的第一光强和照射待测样品后的透射激光的第二光强，通过所述第一光强和所述第二光强计算确定所述待测样品的非线性吸收率。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种材料激光吸收率测量***及方法。

根据本发明提供的材料激光吸收率测量***，包括：

激光发射装置、激光聚集装置、扫描装置、量热装置、粉末台、平场聚焦镜、第一振镜、第二振镜、实验腔室、调压阀和控制***；

所述激光发射装置发射出的激光通过所述激光聚集装置使激光束聚焦，聚焦后的激光经所述扫描装置和所述平场聚焦镜实现激光在所述粉末台区域范围内的动态扫描；

所述粉末台与所述量热装置连接，实时监测激光扫描样品所产生的温度变化；

所述控制***连接激光发射装置、激光聚集装置、扫描装置、量热装置、粉末台、平场聚焦镜和调压阀，控制激光发射、第一振镜和第二振镜的偏转、激光扫描速度、粉末台高度、实验腔室内气体压力以及处理温度数据。

进一步地，所述激光发射装置包括激光器和激光控制器，所述激光器与所述激光控制器相连；

所述激光发射装置通过改光源，测量不同波长、不同功率范围、不同离焦量的吸收率。

进一步地，所述激光聚集装置包括激光扩束镜，所述激光器发射的激光通过激光扩束镜将光束直径变大，减小聚焦光斑；

所述激光扩束镜的类型包括一个凹透镜和一个凸透镜组成的伽利略望远镜。

进一步地，所述扫描装置包括第一振镜、第二振镜，第一振镜是X振镜，第二振镜是Y振镜，聚焦的激光束通过X-Y检流计式振镜实现目标区域的二维扫描，即第一振镜、第二振镜分别在各自的驱动电路下实现偏振，由控制驱动电压的波形，确定第一振镜、第二振镜的扫描图形，根据驱动电压或电流的大小，控制第一振镜、第二振镜偏转角度的大小，实现不同视场的扫描和对目标区域的二维扫描。

进一步地，所述量热装置包括样品架和热电偶；

所述样品架由多孔氧化铝制成；

所述热电偶将温度数据传给计算机，得到评估净能量吸收的典型温度测量曲线；

激光扫描实验中，两个热电偶为K型热电偶，其中一个热电偶居中，将热电偶点焊到粉末台的后侧并用氧化铝管将电线绝缘，根据两条温度随时间的变化曲线得到两个激光开始照射时的温度以及激光照射结束时的温度，分别取平均值确定T0和T1；

进一步地，所述平场聚焦镜将激光束在整个打标平面内形成均匀大小的聚焦光斑。

进一步地，材料激光吸收率测量过程在实验腔室中进行，实验腔室配备一套进入熔池的诊断工具，并施加受控气氛和调节所用保护气体的流量。

进一步地，所述粉末台根据需求改变粉末层的厚度，研究粉末层厚对于吸收率的影响规律；

所述粉末台的高度根据实验需求实时调节，由控制***控制；

所述控制***还实时调整激光功率和激光扫描速度。

进一步地，所述调压阀根据实验需求调节实验腔室内气体压力，测量不同保护气体、不同压力环境下的吸收率。

根据本发明提供的材料激光吸收率测量方法，包括：

确定所用粉末的质量；

在设定好激光功率大小P，扫描速度V，离焦量等参数后，使各个部分处于工作状态；

激光照射粉末引起的粉末床温度变化由两个热电偶测得，得到两条温度随时间的变化曲线；

根据温T度随时间的变化曲线可以得到两个激光开始照射时的温度以及激光照射结束时的温度，分别取平均值作为T0和T1；

确定激光扫描轨迹的总长度l；结合

计算得到该粉末的吸收率大小；其中m是粉末和粉末台的总质量；

控制***根据需求设定改变激光功率、扫描速度和离焦量，量热装置测量的温度实时输入处理器，计算出实时吸收率，获得随参数变化的实时吸收率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明激光发射装置中，激光器与激光控制器相连，在此装置中可以实现激光波长、激光功率、激光离焦量的大小控制，从而实现不同波长、不同激光功率范围内以及不同离焦量大小的激光吸收率测量；

2、本发明由驱动电压或者电流的大小，控制振镜偏转角度的大小，从而实现不同视场的扫描；

3、本发明整个过程实现了激光移动平台与量热平台的集成，可以实时测量材料的激光吸收率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为激光粉末床熔化增材制造过程中测量激光吸收率的装置结构示意图；

图2为本发明扫描***以X-Y检流计式振镜为核心部件的原理示意图；

图3为粉末台的截面图；

图中，1-样品架；2-热电偶；3-粉末台；4-平场聚焦镜；5-第一振镜；6-第二振镜；7-激光扩束镜；8-激光器；9-实验腔室；10-调压阀；

X振镜振动时绕着Z轴振动，控制的是水平方向的扫描范围，Y振镜振动时，绕着X轴振动，控制的是垂直方向的扫描范围。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

根据本发明提供的材料激光吸收率测量***，包括：

激光发射装置、激光聚集装置、扫描装置、量热装置、粉末台3、平场聚焦镜4、第一振镜5、第二振镜6、实验腔室9、调压阀10和控制***；

所述激光发射装置发射出的激光通过所述激光聚集装置使激光束聚焦，聚焦后的激光经所述扫描装置和所述平场聚焦镜4实现激光在所述粉末台3区域范围内的动态扫描；

所述粉末台3与所述量热装置连接，实时监测激光扫描样品所产生的温度变化；

所述控制***连接激光发射装置、激光聚集装置、扫描装置、量热装置、粉末台3、平场聚焦镜4和调压阀10，控制激光发射、第一振镜5和第二振镜6的偏转、激光扫描速度、粉末台3高度、实验腔室9内气体压力以及处理温度数据。

进一步地，所述激光发射装置包括激光器8和激光控制器(未示出)，所述激光器8与所述激光控制器相连；

所述激光发射装置通过改光源，测量不同波长、不同功率范围、不同离焦量的吸收率。

进一步地，所述激光聚集装置包括激光扩束镜7，所述激光器8发射的激光通过激光扩束镜7将光束直径变大，减小聚焦光斑；

所述激光扩束镜7的类型包括一个凹透镜和一个凸透镜组成的伽利略望远镜。

进一步地，所述扫描装置包括第一振镜5和第二振镜6第一振镜5是X振镜，第二振镜6是Y振镜，聚焦的激光束通过X-Y检流计式振镜实现目标区域的二维扫描，即第一振镜5、第二振镜6分别在各自的驱动电路下实现偏振，由控制驱动电压的波形，确定第一振镜5、第二振镜6的扫描图形，根据驱动电压或电流的大小，控制第一振镜5、第二振镜6偏转角度的大小，实现不同视场的扫描和对目标区域的二维扫描。

进一步地，所述量热装置包括样品架1和热电偶2；

所述样品架1由多孔氧化铝制成；

所述热电偶2将温度数据传给计算机，得到评估净能量吸收的典型温度测量曲线；

激光扫描实验中，两个热电偶2为K型热电偶，其中一个热电偶2居中，将热电偶2点焊到粉末台3的后侧并用氧化铝管将电线绝缘，两个热电偶2测量的温度取平均值，得到最终的温度曲线，记录开始的温度T₀和平衡时所对应的温度T₁。

进一步地，所述平场聚焦镜4将激光束在整个打标平面内形成均匀大小的聚焦光斑。

进一步地，材料激光吸收率测量过程在实验腔室9中进行，实验腔室9配备一套进入熔池的诊断工具，并施加受控气氛和调节所用保护气体的流量。

进一步地，所述粉末台3根据需求改变粉末层的厚度，研究粉末层厚对于吸收率的影响规律；

所述粉末台3的高度根据实验需求实时调节，由控制***控制；

所述控制***还实时调整激光功率和激光扫描速度。

进一步地，所述调压阀10根据实验需求调节实验腔室9内气体压力，测量不同保护气体、不同压力环境下的吸收率。

根据本发明提供的材料激光吸收率测量方法，包括：

总的能量＝(l/v)*P；其中m是粉末和粉末台3的总质量，P是标准激光功率，v是扫描速度，l是激光轨迹的总长度；

在测得的温度T范围内，由函数C_P(T)＝C_P，0(1+αT)以及C_P，0和α给出随温度变化的热容，C_P，0表示0℃时的比热容，α是C_P的温度系数；T₀为开始的温度，T₁为平衡时所对应的温度；

控制***根据需求设定改变激光功率、扫描速度和离焦量，量热装置测量的温度实时输入处理器，计算出实时吸收率，获得随参数变化的实时吸收率。

实施例2：

本发明提供了一种在激光粉末床熔化增材制造过程中实时测试材料激光有效吸收率的***和测试方法。如图1、图2所示，包括激光发射装置，激光聚集装置，扫描装置，量热装置，实验腔室9，调压阀10，粉末台3，控制***。

测试粉末激光吸收率过程主要包括以下步骤：

a、启动激光器8控制***，使***初始化。在控制***上调节激光光斑直径大小、激光器8与激光扩束镜7的距离、扫描速度、粉末台3的高度等参数；通过改变激光功率和扫描速度，可以研究功率和速度的变化，对于吸收率的影响规律；

b、所测样品粉末放置在粉末台3中，记录所用粉末质量；通过改变粉末层的厚度，可以研究粉末层厚对于吸收率的影响规律；

c、粉末层可以被板材替代，那么此时该***可以测量板材在激光加工过程中的吸收率，例如，焊接以及热处理过程；

d、根据实验需要通入保护气体，并调节实验腔室9内的气体压力。

e、通过计算机软件设置X-Y检流计式振镜作用时要通过X、Y轴同时振动扫描的图形；以及X(第二振镜6)、Y(第一振镜5)振镜的偏转角度；并将信号传给关联的控制***。

f、在控制***的作用下使得激光发射装置、激光聚集装置，扫描装置，量热装置处于工作状态。

g、激光器8发射的激光透过激光扩束镜7由X-Y检流计式振镜扫描通过平场聚焦镜4最后照射在粉末上。

h、激光照射引起粉末床温度变化由两个热电偶2测得，并通过测温仪与计算机连接(如图3所示)，所得到的温度用软件处理可以得到两条温度随时间的变化曲线，整个***运行完毕。

i、该***实现了激光移动平台和量热平台的集成，可以实现激光参数(功率、扫描速度、离焦量)变化时的吸收率实时测量，基于热电偶2实时测量的温度结果，实时计算特定激光参数下的实时吸收率变化规律。

j、过程结束，根据温度随时间的变化曲线可以得到两个激光开始照射时的温度以及激光照射结束时的温度，分别取平均值确定T₀和T₁。结合

计算得到该粉末的吸收率大小。

k、其中m是材料总质量，P是标准激光功率，v是扫描速度，l是激光轨迹的总长度，在测得的温度范围内，由函数Cp(T)＝C_P，0(1+αT)和C_P，0和α给出随温度变化的热容，C_P，0表示0℃时的比热容，α是Cp的温度系数。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“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申请和简化描述，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申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种材料激光吸收率测量***，其特征在于，包括：

激光发射装置、激光聚集装置、扫描装置、量热装置、粉末台、平场聚焦镜、实验腔室、调压阀和控制***；

所述扫描装置包括第一振镜、第二振镜；

所述激光发射装置发射出的激光通过所述激光聚集装置使激光束聚焦，聚焦后的激光经所述扫描装置和所述平场聚焦镜实现激光在所述粉末台区域范围内的动态扫描；

所述粉末台与所述量热装置连接，实时监测激光扫描样品所产生的温度变化；

所述控制***连接激光发射装置、激光聚集装置、扫描装置、量热装置、粉末台、平场聚焦镜和调压阀，控制激光发射、第一振镜和第二振镜的偏转、激光扫描速度、粉末台高度、实验腔室内气体压力以及处理温度数据；

所述激光发射装置包括激光器和激光控制器，所述激光器与所述激光控制器相连；

所述激光发射装置通过改光源，测量不同波长、不同功率范围、不同离焦量的吸收率；

第一振镜、第二振镜分别在各自的驱动电路下实现偏振，由控制驱动电压的波形，确定第一振镜、第二振镜的扫描图形，根据驱动电压或电流的大小，控制第一振镜、第二振镜偏转角度的大小，实现不同视场的扫描和对目标区域的二维扫描。

2.根据权利要求1所述的材料激光吸收率测量***，其特征在于，所述激光聚集装置包括激光扩束镜，所述激光器发射的激光通过激光扩束镜将光束直径变大，减小聚焦光斑；

所述激光扩束镜的类型包括一个凹透镜和一个凸透镜组成的伽利略望远镜。

3.根据权利要求1所述的材料激光吸收率测量***，其特征在于，所述量热装置包括样品架和热电偶；

所述样品架由多孔氧化铝制成；

所述热电偶将温度数据传给计算机，得到评估净能量吸收的典型温度测量曲线；

激光扫描实验中，两个热电偶为K型热电偶，其中一个热电偶居中，将热电偶点焊到粉末台的后侧并用氧化铝管将电线绝缘，两个热电偶测量的温度取平均值，得到最终的温度曲线，记录开始的温度T₀和平衡时所对应的温度T₁。

4.根据权利要求1所述的材料激光吸收率测量***，其特征在于，所述平场聚焦镜将激光束在整个打标平面内形成均匀大小的聚焦光斑。

5.根据权利要求1所述的材料激光吸收率测量***，其特征在于，材料激光吸收率测量过程在实验腔室中进行，实验腔室配备一套进入熔池的诊断工具，并施加受控气氛和调节所用保护气体的流量。

6.根据权利要求1所述的材料激光吸收率测量***，其特征在于，所述粉末台根据需求改变粉末层的厚度，研究粉末层厚对于吸收率的影响规律；

所述粉末台的高度根据实验需求实时调节，由控制***控制；

所述控制***还实时调整激光功率和激光扫描速度。

7.根据权利要求1所述的材料激光吸收率测量***，其特征在于，所述调压阀根据实验需求调节实验腔室内气体压力，测量不同保护气体、不同压力环境下的吸收率。

8.一种材料激光吸收率测量方法，其特征在于，采用权利要求1-7中任一种或任多种所述的材料激光吸收率测量***，包括：

确定所用粉末的质量；

设定激光功率大小P，扫描速度V和离焦量，使各个部分处于工作状态；

激光照射粉末引起的粉末床温度变化由两个热电偶测得，得到两条温度随时间的变化曲线；

根据温度T随时间的变化曲线得到两个激光开始照射时的温度以及激光照射结束时的温度，分别取平均值作为T0和T1；

确定激光扫描轨迹的总长度l；结合

计算得到该粉末的吸收率大小；其中m是粉末和粉末台的总质量；

控制***根据需求设定改变激光功率、扫描速度和离焦量，量热装置测量的温度实时输入处理器，计算出实时吸收率，获得随参数变化的实时吸收率。

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