一种多光谱信息融合的激光熔覆监测装置及方法与流程

1.本发明属于激光熔覆熔池温度监测领域，特别涉及一种多光谱信息融 合的激光熔覆监测装置及方法。


背景技术：

2.激光熔覆技术是一种先进的表面改性技术，在基体表面上熔覆材料，经 激光辐照使之和基体表面薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与 基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐 蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。但由于激光熔覆速冷速热， 熔覆材料热物性能不匹配等原因，制备的涂层往往会产生裂纹等缺陷，影响 了该类涂层的进一步拓展和推广。
3.对于激光熔覆技术而言，不均匀的温度场分布是产生应力变形、精度降 低和力学性能差等其他问题的根源。熔池温度的变化导致熔池尺寸大小不稳 定，熔池金属熔液流淌导致成形件精度降低、表面质量变差，也会导致孔隙 率、稀释率发生变化。熔池温度不稳定会影响成形件温度场的分布，从而 导致成形件产生应力变形，凝固组织发生改变，力学性能差。在激光熔覆过 程中，温度场的影响众多，如送粉速率、熔覆层厚度、光斑直径、扫描速度 等，用实验的方法来研究热机制或者使用设备来检测熔池温度、涂层应力分 布等十分困难，且成本非常惊人。
4.为了解决上述现有技术问题的不足，本发明因此提供一种多光谱信息融 合的激光熔覆监测装置及方法，本发明公开了一种多光谱信息融合的激光 熔覆监测装置及方法，属于激光熔覆熔池温度监测领域，实现了激光熔覆 过程中高精度温度检测进而在工业中更好的控制熔池温度以及热机制的研 究；为研究激光熔覆过程中的热机制研究及温度场情况提供先进有效的解 决方案。其结构包括可调整支架、多光谱测温模块、激光测温模块等，本 发明具有以下有益效果：在激光熔覆过程中利用多光谱相机及激光测温模 块，对熔覆过程中的熔池进行实时测温，采用多光谱测温技术以及激光诱导 荧光测温技术具有高灵敏度、高分辨率、快速响应时间、较好的鲁棒性的特 点。在熔覆过程中根据多光谱测温模块和激光测温模块建立熔覆熔池的上 方、侧方温度时域变化曲线，精准检测熔覆过程中熔池温度，为激光熔覆 过程中温度场变化控制提供行之有效的解决方法。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.为了解决上述现有技术问题的不足，本发明因此提供一种多光谱信息融 合的激光熔覆监测装置及方法，本发明公开了一种多光谱信息融合的激光 熔覆监测装置及方法，属于激光熔覆熔池温度监测领域，实现了激光熔覆 过程中高精度温度检测进而在工业中更好的控制熔池温度以及热机制的研 究；为研究激光熔覆过程中的热机制研究及温度场情况提供先进有效的解 决方案。其结构包括可调整支架、多光谱测温模块、激光测温模块等，本 发明具有以下有益效果：在激光熔覆过程中利用多光谱相机及激光测温模 块，对熔
覆过程中的熔池进行实时测温，采用多光谱测温技术以及激光诱导 荧光测温技术具有高灵敏度、高分辨率、快速响应时间、较好的鲁棒性的特 点。在熔覆过程中根据多光谱测温模块和激光测温模块建立熔覆熔池的上 方、侧方温度时域变化曲线，精准检测熔覆过程中熔池温度，为激光熔覆 过程中温度场变化控制提供行之有效的解决方法。
7.(二)技术方案
8.本发明通过如下技术方案实现：
9.一种多光谱信息融合的激光熔覆监测装置及方法，包括多光谱测温模 块、激光光谱测温模块、监测支架，基于多光谱信息融合实现熔池温度场 变化实时监测，对熔池的热机制研究及熔池温度实时控制、反馈；
10.所述监测支架包括有：
11.激光熔覆头、法兰盘、固定支架、固定支架；
12.所述激光光谱测温模块包括有：
13.iccd相机：用于采集荧光信号；
14.荧光数据处理终端：用于存储、处理荧光数据；
15.脉冲延时触发装置：延时触发iccd相机开启收集时间；
16.脉冲激光器：用于泵浦液体染料激光器；
17.脉冲激光器主机：用于控制激光器参数；
18.光路系统：用于光路传输。
19.进一步的，还包括光谱数据处理中心、xyz三维移动平台、样品台。
20.进一步的，还包括所述激光熔覆头上固定有法兰盘；法兰盘上装有固定 支架、固定支架，同时可以调节两支架角度；固定支架用于固定iccd相 机；固定支架用于架设多光谱相机。
21.进一步的，所述激光光谱测温模块，脉冲激光器通过gpib(ieee
‑
488) 接口连接脉冲延时触发装置，脉冲延时触发装置通过gpib(ieee
‑
488)连接 iccd相机，荧光数据处理终端通过usb连接iccd相机，光谱数据处理中心 通过usb连接荧光数据处理终端；连接iccd相机前端带有定焦镜头用于汇 聚光信号。
22.进一步的，所述脉冲激光器泵浦液体染料激光器发出脉冲激光，经由光 路系统辐射至检测点，等离子体光信号通过聚焦透镜iccd相机，经由iccd 相机将荧光数据传输至荧光数据处理终端进行存储处理后将数据信息通过 usb传输至光谱数据处理中心。
23.进一步的，所述光路系统，脉冲激光器泵浦液体染料激光器发出脉冲激 光，经由反射透镜、反射透镜以及聚焦透镜后辐射至检测位。
24.进一步的，所述方法如下：
25.步骤一：样件放置于样品台，xyz三维移动平台回零，检测校正多光谱 相机及iccd相机，设置激光器参数；
26.步骤二：开始激光熔覆实验；
27.步骤三：多光谱相机开始工作，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信 息，将数据传输至光谱数据处理中心，再对得到的数据处理得到熔池上方的 温度和光谱发射率；开启脉冲激光器泵浦液体染料激光器发出脉冲激光，脉 冲激光诱导熔池后辐射荧光，通过iccd相机采集荧光数据，传输至荧光数 据处理终端后进行校正、归一化处理，并将激光能量和
光斑分布带入计算， 最后得到熔池温度场时域变化曲线，并将数据传输至光谱数据处理中心，将 多光谱的结果以及激光光谱测温模块的结果进行比较取平均，最后得到最终 熔池时域变化曲线图；
28.步骤四：熔池温度场检测结束。
29.(三)有益效果
30.本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
31.为了解决上述现有技术问题的不足，本发明因此提供一种多光谱信息融 合的激光熔覆监测装置及方法，本发明公开了一种多光谱信息融合的激光 熔覆监测装置及方法，属于激光熔覆熔池温度监测领域，实现了激光熔覆 过程中高精度温度检测进而在工业中更好的控制熔池温度以及热机制的研 究；为研究激光熔覆过程中的热机制研究及温度场情况提供先进有效的解 决方案。其结构包括可调整支架、多光谱测温模块、激光测温模块等，本 发明具有以下有益效果：在激光熔覆过程中利用多光谱相机及激光测温模 块，对熔覆过程中的熔池进行实时测温，采用多光谱测温技术以及激光诱导 荧光测温技术具有高灵敏度、高分辨率、快速响应时间、较好的鲁棒性的特 点。在熔覆过程中根据多光谱测温模块和激光测温模块建立熔覆熔池的上 方、侧方温度时域变化曲线，精准检测熔覆过程中熔池温度，为激光熔覆 过程中温度场变化控制提供行之有效的解决方法。
附图说明
32.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：
33.图1为本发明的结构示意图；
34.图2为本发明的检测装置示意图；
35.图3为本发明的光路示意图；
36.图4为本发明的工作流程示意图；
37.图中：光谱数据处理中心(1)、激光熔覆头(2)、固定支架(3)、 多光谱相机(4)、固定支架(5)、iccd相机(6)、法兰盘(7)、荧光数 据处理终端(8)、脉冲延时触发装置(9)、脉冲激光器(10)、脉冲激光 器主机(11)、液体染料激光器(12)、光路系统(13)、聚焦透镜 (131)、反射透镜(132)、反射透镜(133)、xyz三维移动平台(14)、 样品台(15)。
具体实施方式
38.请参阅图1、图2、图3、图4，一种多光谱信息融合的激光熔覆监测 装置及方法，包括多光谱测温模块、激光光谱测温模块、监测支架，基于多 光谱信息融合实现熔池温度场变化实时监测，对熔池的热机制研究及熔池 温度实时控制、反馈；
39.所述监测支架包括有：
40.激光熔覆头、法兰盘、固定支架、固定支架；
41.所述激光光谱测温模块包括有：
42.iccd相机：用于采集荧光信号；
43.荧光数据处理终端：用于存储、处理荧光数据；
44.脉冲延时触发装置：延时触发iccd相机开启收集时间；
45.脉冲激光器：用于泵浦液体染料激光器；
46.脉冲激光器主机：用于控制激光器参数；
47.光路系统：用于光路传输。
48.进一步的，还包括光谱数据处理中心、xyz三维移动平台、样品台。
49.进一步的，还包括所述激光熔覆头上固定有法兰盘；法兰盘上装有固定 支架、固定支架，同时可以调节两支架角度；固定支架用于固定iccd相 机；固定支架用于架设多光谱相机。
50.其中，所述激光光谱测温模块，脉冲激光器通过gpib(ieee
‑
488)接口 连接脉冲延时触发装置，脉冲延时触发装置通过gpib(ieee
‑
488)连接iccd 相机，荧光数据处理终端通过usb连接iccd相机，光谱数据处理中心通过 usb连接荧光数据处理终端；连接iccd相机前端带有定焦镜头用于汇聚光信 号。
51.其中，所述脉冲激光器泵浦液体染料激光器发出脉冲激光，经由光路系 统辐射至检测点，等离子体光信号通过聚焦透镜iccd相机，经由iccd相机 将荧光数据传输至荧光数据处理终端进行存储处理后将数据信息通过usb传 输至光谱数据处理中心。
52.其中，所述光路系统，脉冲激光器泵浦液体染料激光器发出脉冲激光， 经由反射透镜、反射透镜以及聚焦透镜后辐射至检测位。
53.其中，所述方法如下：
54.步骤一：样件放置于样品台，xyz三维移动平台回零，检测校正多光谱 相机及iccd相机，设置激光器参数；
55.步骤二：开始激光熔覆实验；
56.步骤三：多光谱相机开始工作，利用多个光谱的物体辐射亮度测量信 息，将数据传输至光谱数据处理中心，再对得到的数据处理得到熔池上方的 温度和光谱发射率；开启脉冲激光器泵浦液体染料激光器发出脉冲激光，脉 冲激光诱导熔池后辐射荧光，通过iccd相机采集荧光数据，传输至荧光数 据处理终端后进行校正、归一化处理，并将激光能量和光斑分布带入计算， 最后得到熔池温度场时域变化曲线，并将数据传输至光谱数据处理中心，将 多光谱的结果以及激光光谱测温模块的结果进行比较取平均，最后得到最终 熔池时域变化曲线图；
57.步骤四：熔池温度场检测结束。
58.工作原理：
59.将样件放置于样品台，xyz三维移动平台回零，检测校正多光谱相机及 iccd相机，设置激光器参数；开始激光熔覆实验；多光谱相机开始工作，利 用多个光谱的物体辐射亮度测量信息，将数据传输至光谱数据处理中心，再 对得到的数据处理得到熔池上方的温度和光谱发射率；开启脉冲激光器泵浦 液体染料激光器发出脉冲激光，脉冲激光诱导熔池后辐射荧光，通过iccd 相机采集荧光数据，传输至荧光数据处理终端后进行校正、归一化处理，并 将激光能量和光斑分布带入计算，最后得到熔池温度场时域变化曲线，并将 数据传输至光谱数据处理中心，将多光谱的结果以及激光光谱测温模块的结 果进行比较取平均，最后得到最终熔池时域变化曲线图；熔池温度场检测结 束。
60.如果需要检测镍基合金粉末熔覆过程中的熔池温度，传统情况下工作人 员一般采用有限元模拟的方法或者红外测温装置分析模拟或者采集温度，但 分析模拟数据偏差
较大，边界条件建立在理想的假设，难以与实际情况进行 对比，而红外测温装置响应速度较慢，误差较大，难以实现实时自动化在线 监测。如果是采用本发明，在熔覆前设置激光器波长至激励光谱波长，在熔 覆过程中利用多光谱测温技术以及激光诱导荧光测温技术对熔池温度进行实 时监控，将得到的结果计算熔池实时温度，并反馈至工作人员处，多光谱测 温以及激光诱导荧光测温技术具有高灵敏度、高分辨率、快速响应时间、较 好的鲁棒性的优势可以再熔覆过程中实时监测温度场变化为工作人员研究熔 覆过程中的热机制以及温度场研究提供行之有效的方法。
61.本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线 图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装 置，所以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。
62.本发明的控制方式是通过控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本 领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识， 并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电 路连接。
63.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于 本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限 制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将 权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
64.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。