專利名稱：基于激光熔覆的稀釋率均勻性控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域的方法及其裝置，具體是一種基于激光熔覆的稀釋率均勻性控制方法及其裝置。
背景技術(shù)：
激光熔覆是通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束輻照使之與基材表面薄層一起快速熔凝，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層，從而顯著改善基材表面的耐磨損、耐腐蝕、耐高溫、抗氧化等服役性能的工藝方法。激光熔覆具有稀釋度小、組織致密、熔覆層與基體冶金結(jié)合、適合熔覆材料多、熱輸入量小和基體變形小等特點； 利用激光熔覆對材料表面進(jìn)行改性或者對磨損表面進(jìn)行修復(fù)，既滿足了復(fù)雜工況對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重元素，應(yīng)用前景十分廣闊，正成為當(dāng)前表面工程技術(shù)領(lǐng)域的再制造重要技術(shù)手段。激光熔覆過程中，為了保證基體和熔覆層的冶金結(jié)合，客觀上要求必須有一定薄層的基材表面熔化，這必然造成熔覆層合金的稀釋。稀釋程度的大小直接影響熔覆層合金的化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)與服役性能；在保證基體和熔覆層達(dá)到冶金結(jié)合的前提下，盡可能降低稀釋率從而最大限度發(fā)揮熔覆層合金的服役性能。因此，激光熔覆過程中，稀釋率的控制是獲得優(yōu)良熔覆層的重要控制目標(biāo)。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，張慶茂等在《金屬熱處理》2001年第沈卷第8期 20-23頁題為“寬帶送粉激光熔覆稀釋率的控制”的論文中述及一種激光熔覆稀釋率的控制方法，通過激光功率、光斑尺寸、掃描速度、送粉速率等工藝參數(shù)相互匹配來達(dá)到稀釋率的控制在激光參數(shù)保持恒定的情況下，隨著掃描速度和送粉速率的增加，激光透過粉末云入射基體表面的能量減小，基材表面熔化量減小，結(jié)果降低稀釋率。這種激光熔覆稀釋率控制方法的缺點在于，激光工藝參數(shù)多，需要通過相互匹配來達(dá)到控制稀釋率，優(yōu)化過程復(fù)雜； 且為開環(huán)控制模式，不能避免工件狀態(tài)變化等因素引起的控制失效。^ W M R M' J- τ. Hofman φ $《Journal of Materials Processing ^Technology》(材料加工技術(shù)學(xué)報)2011年第211卷187-196頁題為“FEM Modeling and experimental verification for dilute control in laser cladding，，(激光;)§覆稀釋率控制的有限元模型與實驗驗證)的論文中述及一種稀釋率的映射方法，發(fā)現(xiàn)稀釋率與熔池寬度存在高度依存關(guān)系，以熔池寬度作為傳感變量，從而達(dá)到稀釋率的非破環(huán)檢測；然而， 論文中沒有述及以熔池寬度為控制變量的激光熔覆稀釋率的閉環(huán)控制方法，此外，采取一維尺寸的熔池寬度作為控制手段，在熔池傾向時熔池寬度計算會出現(xiàn)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于激光熔覆的稀釋率均勻性控制方法及其裝置，使得用母材熔化的面積在激光熔覆涂層中所占的百分比在基板表面每一點相當(dāng)，且激光熔覆時稀釋率的調(diào)控變得簡單、容易、可靠，而且避免了工件冷熱狀態(tài)差異等因素對稀釋率的影響，使得基板表面熔覆涂層的各點的稀釋率保持均勻一致。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于激光熔覆的稀釋率均勻性控制方法，通過紅外增強(qiáng)CXD攝像機(jī)拍攝熔覆過程中的熔池圖像并轉(zhuǎn)換為溫度場圖像后得到實際熔池尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定熔池尺寸與實際熔池尺寸的差值作為偏差信號，采用PID算法對激光功率進(jìn)行反饋控制，通過對設(shè)定熔池大小的調(diào)整實現(xiàn)稀釋率調(diào)控。所述的PID算法是指按設(shè)定熔池尺寸與實際熔池尺寸之間偏差信號的比例(P)、 積分(I)和微分(D)三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對激光器輸出功率的控制量。所述的熔池圖像是指激光熔覆過程中紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)拍攝的熔池灰度圖像。所述的溫度場圖像，控制模塊按照灰度值與溫度值的對應(yīng)關(guān)系，將熔池圖像中各像素點的灰度值轉(zhuǎn)換成溫度值，并用不同顏色標(biāo)識不同溫度，從而構(gòu)造的彩色圖像。所述的實際熔池尺寸數(shù)據(jù)通過以下方式得到將激光熔覆過程中的熔池圖像轉(zhuǎn)換成每一個像素點的亮度即代表溫度高低的溫度場圖像，當(dāng)像素點溫度值超過涂層熔點的連續(xù)區(qū)域則判定為熔池區(qū)域，最后對熔池區(qū)域的像素點累積合并后獲得實際熔池的尺寸大小。所述的熔池區(qū)域，物理上指激光熔覆過程中熔化金屬形成的連續(xù)區(qū)域，溫度場圖像中溫度值超過涂層熔點的像素點所構(gòu)成的連續(xù)區(qū)域。所述的涂層熔點是指同涂層化學(xué)成分一樣的合金熔化時的溫度。本發(fā)明涉及上述方法的控制裝置，包括送粉槍、控制模塊以及分別與之相連接的紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)和激光器，其中控制模塊從紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)中得到熔池圖像并輸出功率控制指令至激光器，激光器的輸出端和紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)的鏡頭分別正對基板上的待處理區(qū)域，送粉槍與激光器的輸出光軸同軸設(shè)置。所述的紅外增強(qiáng)CXD攝像機(jī)采用特殊濾光片過濾可見光和激光，經(jīng)校正后，拍攝圖像的灰度值可反映相應(yīng)點的溫度值。所述的控制模塊包括串行通訊單元、模擬信號輸出單元、人機(jī)界面單元、計算機(jī)信號處理單元，其中串行通訊單元與紅外增強(qiáng)CXD攝像機(jī)相連接并傳輸熔池圖像信息至計算機(jī)信號處理單元，模擬信號輸出單元與激光器相連接并傳輸激光器輸出功率的控制量信號，計算機(jī)信號處理單元實現(xiàn)PID算法計算激光器輸出功率的控制量信號，人機(jī)界面單元實現(xiàn)熔池大小的設(shè)定。所述的激光器的技術(shù)參數(shù)要求為激光器輸出功率可通過0-10V的模擬信號進(jìn)行線性調(diào)整，模擬信號為OV時激光器輸出為0，模擬信號為IOV時激光器輸出為最大額定功率。上述裝置通過先在控制模塊上設(shè)定預(yù)期的熔池面積，即給出設(shè)定熔池大小的像素點值；激光熔覆時，送粉機(jī)通過送粉槍輸送合金粉末到基板表面，激光束以一定功率照射到基板表面，紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)拍攝加熱區(qū)域的熔池圖像，傳輸給控制模塊以后轉(zhuǎn)換為溫度場圖像，分析出熔池區(qū)域和實際熔池大小，計算出設(shè)定熔池大小與實際熔池大小之間的偏差信號，并按PID算法確定調(diào)控激光功率的幅度，結(jié)合偏差信號的正負(fù)和調(diào)控激光功率的幅度來調(diào)控激光器的輸出功率，從而實現(xiàn)熔池大小的閉環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，利用作為過程參數(shù)的熔池大小與稀釋率之間存在的高度依存關(guān)系， 通過設(shè)定熔池大小的像素點值來調(diào)控稀釋率的大小增加設(shè)定熔池大小的像素點值，稀釋率增加；降低設(shè)定熔池大小的像素點值，稀釋率降低。此外，熔池大小的閉環(huán)反饋控制中，通過自動調(diào)整激光器輸出功率補(bǔ)償工件狀態(tài)等因素引起的干擾，避免了工件狀態(tài)等因素對稀釋率的影響，使得基板表面熔覆涂層的各點的稀釋率保持均勻一致。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括(1)以過程參數(shù)，即熔池大小，作為稀釋率的調(diào)控手段，避免了激光參數(shù)與工藝參數(shù)的匹配優(yōu)化，調(diào)控變得簡單、方便；( 作為過程參數(shù)的熔池大小與稀釋率具有高度依存性，用來控制稀釋率，更加可靠；C3)熔覆過程中的熔池大小閉環(huán)控制系統(tǒng)可以使得大面積激光熔覆時各點的稀釋率保持均勻一致。


圖1為本發(fā)明原理示意圖。圖2為本發(fā)明實施例1中激光熔覆涂層的示意圖。圖3為本發(fā)明實施例2中激光熔覆涂層的示意圖。圖4為本發(fā)明實施例3中激光熔覆涂層的示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例涉及的控制裝置包括送粉槍1、控制模塊2以及分別與之相連接的紅外增強(qiáng)CXD攝像機(jī)3和激光器4，其中控制模塊2從紅外增強(qiáng)CXD攝像機(jī)3中得到熔池圖像并輸出功率控制指令至激光器4，激光器4的輸出端和紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)3 的鏡頭分別正對基板5上的待處理區(qū)域6，送粉槍1與激光器4的輸出光軸同軸設(shè)置。所述的紅外增強(qiáng)CXD攝像機(jī)3采用特殊濾光片過濾可見光和激光，經(jīng)校正后，拍攝圖像的灰度值可反映相應(yīng)點的溫度值。所述的控制模塊2包括串行通訊單元、模擬信號輸出單元、人機(jī)界面單元、計算機(jī)信號處理單元，其中串行通訊單元與紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)相連接并傳輸熔池圖像信息至計算機(jī)信號處理單元；模擬信號輸出單元與激光器相連接并傳輸激光器輸出功率的控制量信號；計算機(jī)信號處理單元實現(xiàn)PID算法計算激光器輸出功率的控制量信號；人機(jī)界面單元實現(xiàn)熔池大小的設(shè)定。所述的激光器4的技術(shù)參數(shù)要求為激光器輸出功率可通過0-10V的模擬信號進(jìn)行線性調(diào)整，模擬信號為OV時激光器輸出為0，模擬信號為IOV時激光器輸出為最大額定功率。所述的送粉槍1的輸入端與送粉機(jī)7相連。如圖1所示，本實施例中，工件尺寸為100mm X 50mm X IOmm (長X寬X厚)的模具鋼，激光束8的焦點位于工件表面，焦點尺寸為2. OmmX 3. 2mm ；送粉槍1以氬氣輸送鈷基合金粉末，通過熔覆槍9以后聚焦于激光束8焦點，送粉速率為20g/min ；在控制模塊上設(shè)定熔池大小的像素點為600后，啟動激光熔覆過程，以lm/min的掃描速度移動后，形成單道激光熔覆涂層。
如圖2所示，白色部分為熔化凝固后形成的涂層，涂層表面成形良好，涂層組織細(xì)密，涂層中無氣孔、夾雜等缺陷，涂層與基板之間形成冶金結(jié)合；圖2中，母材熔化極少，涂層與基板之間的界面基本同基板表面處于一個平面，稀釋率接近于零。這種成形良好、冶金結(jié)合、稀釋率接近于零的涂層，表明設(shè)定熔池大小為600像素點時，控制結(jié)果理想。實施例2如圖1所示，本實施例中，工件尺寸為100mm X 50mm X IOmm (長X寬X厚)的模具鋼，激光束8的焦點位于工件表面，焦點尺寸為2. OmmX 3. 2mm ；送粉槍1以氬氣輸送鈷基合金粉末，通過熔覆槍9以后聚焦于激光束8焦點，送粉速率為20g/min ；在控制模塊上設(shè)定熔池大小的像素點為1000后，啟動激光熔覆過程，以lm/min的掃描速度移動后，形成單道激光熔覆涂層。如圖3所示，白色部分為熔化凝固后形成的涂層，涂層表面成形良好，涂層組織細(xì)密，涂層中無氣孔、夾雜等缺陷，涂層與基板之間形成冶金結(jié)合；圖3中，部分母材熔化，涂層與基板之間的界面向母材移動。同實施例1相比，設(shè)定熔池大小增加，稀釋率隨之增加。 通過調(diào)控設(shè)定熔池大小，可以簡單、方便、可靠地調(diào)控稀釋率。實施例3如圖1所示，本實施例中，工件尺寸為IOOmmX IOOmmX IOmm (長X寬X厚)的模具鋼，激光束8的焦點位于工件表面，焦點尺寸為2. OmmX 3. 2mm ；送粉槍1以氬氣輸送鈷基合金粉末，通過熔覆槍9以后聚焦于激光束8焦點，送粉速率為30g/min ；在控制模塊上設(shè)定熔池大小的像素點為800后，啟動激光熔覆過程，激光束8與熔覆槍9以lm/min的掃描速度從工件左端移動到工件右端，形成單道激光熔覆涂層；隨后，激光束8與熔覆槍9回到從工件左端，以50%的搭接率重新以lm/min的掃描速度熔覆涂層；如此重復(fù)多次，形成多道熔覆涂層。如圖4所示，白色部分為熔化凝固后形成的涂層。涂層與基板之間形成冶金結(jié)合， 界面基本為直線，沒有較大的起伏，表明稀釋率在整個基板表面基本上是均勻一致的。熔池大小的閉環(huán)反饋控制中，自動調(diào)整激光器輸出功率避免了工件冷熱狀態(tài)差異等因素對稀釋率的影響，可使得大面積激光熔覆時各點的稀釋率保持均勻一致。
權(quán)利要求
1.一種基于激光熔覆的稀釋率均勻性控制方法，其特征在于，通過紅外增強(qiáng)CXD攝像機(jī)拍攝熔覆過程中的熔池圖像并轉(zhuǎn)換為溫度場圖像后得到實際熔池尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定熔池尺寸與實際熔池尺寸的差值作為偏差信號，采用PID算法對激光功率進(jìn)行反饋控制，通過對設(shè)定熔池大小的調(diào)整實現(xiàn)稀釋率調(diào)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的PID算法是指按設(shè)定熔池尺寸與實際熔池尺寸之間偏差信號的比例、積分和微分三個環(huán)節(jié)的不同組合計算出對激光器輸出功率的控制量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的熔池圖像是指激光熔覆過程中紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)拍攝的熔池灰度圖像；所述的溫度場圖像，控制模塊按照灰度值與溫度值的對應(yīng)關(guān)系，將熔池圖像中各像素點的灰度值轉(zhuǎn)換成溫度值，并用不同顏色標(biāo)識不同溫度，從而構(gòu)造的彩色圖像；所述的熔池區(qū)域，物理上指激光熔覆過程中熔化金屬形成的連續(xù)區(qū)域，溫度場圖像中溫度值超過涂層熔點的像素點所構(gòu)成的連續(xù)區(qū)域；所述的涂層熔點是指同涂層化學(xué)成分一樣的合金熔化時的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的實際熔池尺寸數(shù)據(jù)通過以下方式得到將激光熔覆過程中的熔池圖像轉(zhuǎn)換成每一個像素點的亮度即代表溫度高低的溫度場圖像，當(dāng)像素點溫度值超過涂層熔點的連續(xù)區(qū)域則判定為熔池區(qū)域，最后對熔池區(qū)域的像素點累積合并后獲得實際熔池的尺寸大小。
5.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法的控制裝置，其特征在于，包括送粉槍、控制模塊以及分別與之相連接的紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)和激光器，其中控制模塊從紅外增強(qiáng)CCD 攝像機(jī)中得到熔池圖像并輸出功率控制指令至激光器，激光器的輸出端和紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)的鏡頭分別正對基板上的待處理區(qū)域，送粉槍與激光器的輸出光軸同軸設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制裝置，其特征是，所述的控制模塊包括串行通訊單元、 模擬信號輸出單元、人機(jī)界面單元、計算機(jī)信號處理單元，其中串行通訊單元與紅外增強(qiáng) CCD攝像機(jī)相連接并傳輸熔池圖像信息至計算機(jī)信號處理單元，模擬信號輸出單元與激光器相連接并傳輸激光器輸出功率的控制量信號，計算機(jī)信號處理單元實現(xiàn)PID算法計算激光器輸出功率的控制量信號，人機(jī)界面單元實現(xiàn)熔池大小的設(shè)定。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制裝置，其特征是，所述的激光器的技術(shù)參數(shù)要求為激光器輸出功率可通過0-10V的模擬信號進(jìn)行線性調(diào)整，模擬信號為OV時激光器輸出為0，模擬信號為IOV時激光器輸出為最大額定功率。
全文摘要
一種材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域的基于激光熔覆的稀釋率均勻性控制方法及其裝置，通過紅外增強(qiáng)CCD攝像機(jī)拍攝熔覆過程中的熔池圖像并轉(zhuǎn)換為溫度場圖像后得到實際熔池尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定熔池尺寸與實際熔池尺寸的差值作為偏差信號，采用PID算法對激光功率進(jìn)行反饋控制，通過對設(shè)定熔池大小的調(diào)整實現(xiàn)稀釋率調(diào)控。本發(fā)明使得用母材熔化的面積在激光熔覆涂層中所占的百分比在基板表面每一點相當(dāng)，且激光熔覆時稀釋率的調(diào)控變得簡單、容易、可靠，而且避免了工件冷熱狀態(tài)差異等因素對稀釋率的影響，使得基板表面熔覆涂層的各點的稀釋率保持均勻一致。
文檔編號G05B13/04GK102323756SQ20111023508
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者張軻, 朱彥彥, 李瑞峰, 李鑄國, 黃堅 申請人:上海交通大學(xué)