一种熔池三维形貌原位实时测量装置、系统及方法

本发明属于三维形貌测量，更具体地，涉及一种熔池三维形貌原位实时测量装置、系统及方法。

背景技术：

1、增材制造技术作为一种创新型的制造方式，因其制备周期短、成形复杂程度高、可实现近净成形等优点以及优异的制品性能已经在航空航天、核能工业以及生物医疗等领域展现出广阔的应用前景。激光粉末床熔融(laser powder bed fusion，lpbf)是一种主流的金属增材制造技术，制造过程中一些关键的过程变量可以用于表征构件的质量。换言之，制造过程中这些变量的行为特征与构件性能直接相关，如熔池形貌与温度、溅射及表面形貌特征等。然而，lpbf是一个涉及跨尺度和复杂动力学的制造过程，包括金属粉末颗粒的熔化、气化和凝固等，在此过程中可能会出现球化、裂纹和翘曲等缺陷。缺乏质量保证和性能控制是阻碍lpbf技术广泛应用的关键障碍。因此开展激光粉末床熔融增材制造过程的在线监测技术研究，是解决这一挑战的重要途径，也是学术界和工业界的共同关注点之一。

2、然而，增材制造过程中熔池温度较高、面积较小，为熔池实时监测带来很大阻碍。目前常采用高速摄像机捕捉熔池表面的二维形貌信息，而二维形貌信息没有定量阐释熔池三维真实形貌尺寸。同时，增材制造过程中熔池往往伴随着高温、高曝光等特点，因此直接利用高速相机难以捕捉到较为清晰的熔池表面细节信息。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种熔池三维形貌原位实时测量装置、系统及方法，解决现有技术难以对熔池的三维形貌进行实时在线监测、形貌测量精度较差的问题。

2、第一方面，本发明提供一种熔池三维形貌原位实时测量装置，包括：测量激光器、分束镜、加工激光器、振镜、场镜和图像获取单元；所述测量激光器发出的激光束经所述分束镜后分成两路，一路作为参考激光束，另一路作为测量激光束；所述加工激光器用于发出加工激光束，所述加工激光束与所述测量激光束同轴，同轴的两束激光束依次经所述振镜、所述场镜后作用在加工表面分别进行熔池的加工与测量，由熔池反射的测量激光束和所述参考激光束经由所述分束镜进行合束后干涉，并入射至所述图像获取单元；所述图像获取单元包括滤波片和探测器，所述滤光片用于滤除熔池的高温热辐射，所述探测器用于捕捉干涉图像。

3、优选的，所述测量激光器与所述分束镜之间还设置有扩束镜，所述扩束镜用于对所述测量激光器发出的激光束进行扩束；所述参考激光束经第一反射镜反射后再次经过所述分束镜，以与所述由熔池反射的测量激光束发生干涉。

4、优选的，所述熔池三维形貌原位实时测量装置还包括：第二反射镜和分光镜；所述测量激光束经所述第二反射镜反射后入射至所述分光镜，所述加工激光束经所述分光镜透射后与经所述分光镜反射的所述测量激光束同轴。

5、优选的，所述测量激光器发出的激光的波长与所述加工激光器发出的激光的波长不同，所述测量激光器发射连续激光束，所述加工激光器的激光扫描间距为50um-100um。

6、优选的，所述滤光片选取的波段使熔池表面的光辐出度和自然光的光辐出度可比。

7、第二方面，本发明提供一种熔池三维形貌原位实时测量系统，包括：解析单元，以及上述的熔池三维形貌原位实时测量装置；所述解析单元用于对所述干涉图像进行处理，得到熔池的三维形貌信息。

8、优选的，所述解析单元包括生成对抗网络、包裹相位获取模块和绝对相位获取模块；所述生成对抗网络用于对所述干涉图像进行去噪；所述包裹相位获取模块用于进行相位包裹运算，获得干涉图像的包裹相位；所述绝对相位获取模块用于进行相位解包裹运算，获得熔池的连续绝对相位。

9、优选的，熔池三维形貌测量的精度为微米级。

10、第三方面，本发明提供一种熔池三维形貌原位实时测量方法，利用上述的熔池三维形貌原位实时测量系统实现，所述测量方法包括以下步骤：

11、步骤1、利用熔池三维形貌原位实时测量装置得到干涉图像；

12、步骤2、利用解析单元对所述干涉图像进行处理，得到熔池的三维形貌信息。

13、优选的，所述步骤2中，对所述干涉图像进行处理时，调用所述解析单元中包含的生成对抗网络、包裹相位获取模块、绝对相位获取模块中的至少一个网络或模块执行相关处理步骤；所述生成对抗网络用于对所述干涉图像进行去噪；所述包裹相位获取模块用于进行相位包裹运算，获得干涉图像的包裹相位；所述绝对相位获取模块用于进行相位解包裹运算，获得熔池的连续绝对相位。

14、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

15、(1)针对目前仅能捕捉熔池表面二维形貌信息的研究现状，本发明提出了一种熔池三维形貌原位实时测量装置，使加工激光束与测量激光束同轴，同轴的两束激光束依次经振镜、场镜后作用在加工表面分别进行熔池的加工与测量，由熔池反射的测量激光束和参考激光束发生干涉并入射至图像获取单元，获得实时熔池表面干涉图像，进而能够得到熔池的三维形貌信息，本发明填补了对熔池的三维形貌进行实时在线监测的空白，首次实现了增材制造过程熔池三维形貌的实时测量和可视化。同时，针对增材制造过程中熔池往往伴随着高温、高曝光的情况，本发明通过设置滤波片能够滤除熔池的高温热辐射，消除高温高曝光的影响，得到较为清晰的熔池图像特征，因此能够有效提高形貌测量精度，监测精度可达微米级，实现实时高精度监测熔池三维形貌。

16、(2)在捕捉干涉图像的基础上，本发明利用解析单元对干涉图像进行处理，得到熔池的三维形貌信息，其中解析单元包括生成对抗网络、包裹相位获取模块和绝对相位获取模块。本发明利用生成对抗网络对干涉图像进行去噪，利用包裹相位获取模块进行相位包裹运算，获得干涉图像的包裹相位，利用绝对相位获取模块进行相位解包裹运算，获得熔池的连续绝对相位。即本发明设计了人工智能算法对干涉图像进行处理，不仅能够在熔池动态变化快、尺寸小的情况下获得精准的熔池表面形貌信息，还能在仅采集一张干涉图像的情况下获得熔池的三维形貌信息，为增材制造过程的在线监测与调控提供了新的思路。此外，对干涉图像进行处理时，还可根据需要调用解析单元中包含的生成对抗网络、包裹相位获取模块、绝对相位获取模块中的至少一个网络或模块执行相关处理步骤，具有很好的灵活性。

技术特征：

1.一种熔池三维形貌原位实时测量装置，其特征在于，包括：测量激光器、分束镜、加工激光器、振镜、场镜和图像获取单元；所述测量激光器发出的激光束经所述分束镜后分成两路，一路作为参考激光束，另一路作为测量激光束；所述加工激光器用于发出加工激光束，所述加工激光束与所述测量激光束同轴，同轴的两束激光束依次经所述振镜、所述场镜后作用在加工表面分别进行熔池的加工与测量，由熔池反射的测量激光束和所述参考激光束经由所述分束镜进行合束后干涉，并入射至所述图像获取单元；所述图像获取单元包括滤波片和探测器，所述滤光片用于滤除熔池的高温热辐射，所述探测器用于捕捉干涉图像。

2.根据权利要求1所述的熔池三维形貌原位实时测量装置，其特征在于，所述测量激光器与所述分束镜之间还设置有扩束镜，所述扩束镜用于对所述测量激光器发出的激光束进行扩束；所述参考激光束经第一反射镜反射后再次经过所述分束镜，以与所述由熔池反射的测量激光束发生干涉。

3.根据权利要求1所述的熔池三维形貌原位实时测量装置，其特征在于，还包括：第二反射镜和分光镜；所述测量激光束经所述第二反射镜反射后入射至所述分光镜，所述加工激光束经所述分光镜透射后与经所述分光镜反射的所述测量激光束同轴。

4.根据权利要求1所述的熔池三维形貌原位实时测量装置，其特征在于，所述测量激光器发出的激光的波长与所述加工激光器发出的激光的波长不同，所述测量激光器发射连续激光束，所述加工激光器的激光扫描间距为50um-100um。

5.根据权利要求1所述的熔池三维形貌原位实时测量装置，其特征在于，所述滤光片选取的波段使熔池表面的光辐出度和自然光的光辐出度可比。

6.一种熔池三维形貌原位实时测量系统，其特征在于，包括：解析单元，以及如权利要求1-5中任一项所述的熔池三维形貌原位实时测量装置；所述解析单元用于对所述干涉图像进行处理，得到熔池的三维形貌信息。

7.根据权利要求6所述的熔池三维形貌原位实时测量系统，其特征在于，所述解析单元包括生成对抗网络、包裹相位获取模块和绝对相位获取模块；所述生成对抗网络用于对所述干涉图像进行去噪；所述包裹相位获取模块用于进行相位包裹运算，获得干涉图像的包裹相位；所述绝对相位获取模块用于进行相位解包裹运算，获得熔池的连续绝对相位。

8.根据权利要求6所述的熔池三维形貌原位实时测量系统，其特征在于，熔池三维形貌测量的精度为微米级。

9.一种熔池三维形貌原位实时测量方法，其特征在于，利用如权利要求6所述的熔池三维形貌原位实时测量系统实现，所述测量方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的熔池三维形貌原位实时测量方法，其特征在于，所述步骤2中，对所述干涉图像进行处理时，调用所述解析单元中包含的生成对抗网络、包裹相位获取模块、绝对相位获取模块中的至少一个网络或模块执行相关处理步骤；所述生成对抗网络用于对所述干涉图像进行去噪；所述包裹相位获取模块用于进行相位包裹运算，获得干涉图像的包裹相位；所述绝对相位获取模块用于进行相位解包裹运算，获得熔池的连续绝对相位。

技术总结
本发明属于三维形貌测量技术领域，公开了一种熔池三维形貌原位实时测量装置、系统及方法。本发明使加工激光束与测量激光束同轴，并分别作用在加工表面进行熔池的加工与测量，由熔池反射的测量激光束和参考激光束发生干涉并入射至图像获取单元，获得实时熔池表面干涉图像。本发明实现了增材制造过程熔池三维形貌的实时测量。同时本发明通过设置滤波片能够滤除熔池的高温热辐射，有效提高了形貌测量精度。在捕捉干涉图像的基础上，本发明利用解析单元对干涉图像进行处理，不仅能够在熔池动态变化快、尺寸小、温度高的情况下获得精准的熔池表面形貌信息，还能在仅采集一张干涉图像的情况下获得熔池的三维形貌信息。

技术研发人员：李辉,李秀花,刘哲,申胜男
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16