CN101642848B

CN101642848B - 激光加工系统及方法

Info

Publication number: CN101642848B
Application number: CN 200810144387
Authority: CN
Inventors: 蔡国双; 黄小平; 李延民; 齐欢; 麦格迪·阿泽尔; 刘勇; 陈晓宾
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: CN101642848A

Abstract

本发明涉及一种激光加工系统及方法。该激光加工系统包括激光发生器、喷嘴、光学单元、图像处理单元、过程模型及控制装置。激光发生器用来产生激光于基板上形成熔池。喷嘴可向所述熔池中提供熔覆材料。光学单元可获取加工过程中一个或多个内征参数的图像。图像处理单元可处理所述图像以获得所述内征参数的测量值。过程模型用于设定所述内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量。控制装置可基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。

Description

激光加工系统及方法

技术领域

本发明涉及一种激光加工系统及方法，尤其涉及一种激光净成型加工系统及用于激光净成型加工的方法。

背景技术

激光净成型加工是一种激光添加技术，其中，高能激光束用来在物体表面进行材料的沉积。通过重复此种方法就可以加工出期望的部件。激光净成型技术与传统的加工技术不同，在传统的加工技术中，其是通过移除物体上的材料来形成期望的部件。这样，激光净成型加工以其可明显的缩减从最初概念的形成到加工出最终成品所需的时间而成为一种非常具有前景的制造技术。

在激光净成型加工过程中，通常激光先聚焦于加工表面的刀路(Toolpath)上以在该平面上形成熔池。然后，熔池随着激光以横向速度(Traverse Velocity)沿着刀路移动。同时，在这个过程中，不断的向熔池中加入需要熔覆的材料(通常为可熔性的粉末或金属丝)以使其熔覆在熔池中。这样，熔覆的材料就可以沿着刀路而沉积在加工表面上以形成一个熔覆层。进而，不同的熔覆层叠加就可以形成期望的工件。

为了提供激光加工的精度，在一些激光净成型加工技术中常使用反馈系统，比如电荷耦合装置(Charged Coupled Device，CCD)来对激光加工过程进行实时检测。然而，由于加工过程的复杂性，此种系统常不能满足更高的精度要求，特别是在加工曲面工件时。

所以，需要提供一种新的激光净成型加工系统及用于激光净成型加工的方法。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种激光加工系统。该激光加工系统包括激光发生器、喷嘴、光学单元、图像处理单元、过程模型及控制装置。激光发生器用来产生激光于基板上形成熔池。喷嘴可向所述熔池中提供熔覆材料。光学单元可获取加工过程中的一个或多个内征参数的图像。图像处理单元可处理所述图像以获得所述内征参数的测量值。过程模型用于设定所述内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量。控制装置可基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。

本发明的另一个实施例提供了一种激光加工方法。该方法包括设定激光加工过程中内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量；于激光发生器产生激光以在基板上形成熔池；向所述熔池中提供熔覆材料；获取激光加工过程中一个或多个所述内征参数的图像；处理所述图像并获得所述内征参数的测量值；及基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1为本发明激光净成型加工系统的一个实施例的示意图；

图2a-2c为用来说明图1所示的本发明激光净成型加工系统中的光学单元获取加工过程图像的示意图；

图3为图1所示的本发明激光净成型加工系统中的控制系统的示意图；

图4为用于说明实像(Real Image)与重影(Ghost Image)产生的示意图；

图5为本发明中用于消除重影的一个实施例的示意图；

图6为本发明中用于消除重影的另一个实施例的示意图；

图7为本发明中一个工件的立体示意图；

图8为本发明激光净成型加工系统用于加工图7所示的工件的刀路示意图。

具体实施方式

在本发明的实施例中，激光净成型加工系统可用来加工或修复工件，比如涡轮叶片或压缩机叶片等。如图1所示，本发明激光净成型加工系统10包括激光发生器11、喷嘴12、过程模型13、光学单元14、图像处理单元15和控制装置16。在本发明的一个实施例中，过程模型13、图形处理单元15和控制装置16可分别是独立的元件，或者可集成在一个相同的计算装置，如计算机中。

如图1所示，在本发明实施例中，激光发生器11用于产生激光，如二氧化碳激光来在基板18上形成熔池17。喷嘴12用于向熔池17中注入熔覆的材料，比如金属粉末以在基板18上形成部件19。用来熔覆的材料包括但不限于钛和钛合金，镍和镍合金，钴和钴合金，铁和铁合金，含有镍、钴或铁的超合金，陶瓷或塑性材料等。在一些实施例中，本发明激光净成型加工系统10可设置有多个激光发生器11，这样多个激光发生器可同时用来加工或者不同的激光发生器用来对不同的熔覆材料进行加工。另外，本发明激光净成型加工系统10还可设置多个喷嘴12，其可用来在不同的位置向熔池17中注入熔覆的材料。在图1中，控制装置16可与喷嘴12相连，用来控制熔覆材料的供给速率。此外，喷嘴12也可独立设置。

过程模型13基于在计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)中对部件19的描述来对用于加工部件19的内征参数设定目标值。在本发明实施例中，内征参数包括但不限于熔池宽度、熔覆层厚度及部件19的沉积高度。

光学单元14用来获取加工过程的实时图像。在本发明的实施例中，光学单元14可借助由熔池17产生的光线来进行图像扑捉。随后，获取的实时图像被传输给图像处理单元15。该图像处理单元15内设置有图像运算处理运算法则来对图像进行处理以获得内征参数的实时测量值。进而，控制装置16接收来自处理单元15的内征参数的测量值并把其与来自过程模型13的目标值进行比较，从而来调整可控参数，比如激光功率、横向速度和/或熔覆材料供给速率，以使测量值与目标值相匹配。此外，控制装置16也可来控制光学单元14的操作。

在本发明实施例中，图像处理单元15内的图像处理运算法则包括但不限于连通域分析(Blob Analysis)、最大内圆分析(Maximum Inside CircleAnalysis)或消波分析(Clipper)。另外，控制装置16包括有比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative，PID)控制装置、预测(Predictive)控制装置或模糊(Fuzzy)控制装置。这些运算规则及控制装置对业界技术人员来说都是可以容易实现的。

在一个激光加工系统中，一些过程参数是可以单独直接控制的，而另一些在制造过程中实质上是不能被直接控制的。在正在进行的制造过程中，那些能够被直接调整的参数可称为可控参数。所谓内征参数，其与制造过程所处的环境相关。在本发明实施例中，内征参数包括比如基板18表面的温度分布、熔池的尺寸和形状、熔池过热的最大限度、沉积层的厚度等，这些参数共同的特征是其受系统的状态的影响，特别是其不是可以直接控制的参数。比如，在本发明实施例中，熔池的宽度一旦通过CAD在过程模型13中预设后就不能再被设定为可控参数。

如图1所示，在本发明实施例中，光学单元14包括用来产生第一图像的第一成像装置20及用来产生第二图像的第二成像装置21。特别是第一图像与熔池17相关，第二图像与正在熔覆形成的部件19相关。第一和第二成像装置20和21可包括互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxidesemiconductor，CMOS)或CCD.

在图1所示的实施例中，第一和第二成像装置20和21通过来自熔池17的发光来获取加工过程的图像。这样，本发明激光净成型加工系统10利用自发光来降低系统的复杂度且可排除外部干扰的情况以提高成像的质量。此外，系统10也可设置有外部发光装置(未图示)来照明加工过程。

如图1所示，本发明激光净成型加工系统10还设置有第一带通滤波器(Band Pass Filter)22，第二带通滤波器23及光束分裂器24。第一和第二带通滤波器22和23分别设置于第一和第二成像装置20和21之前。分裂器24用来分裂来自熔池17的光束并把其传输过第一滤波器22后进入第一成像装置20。在本发明一个实施例中，来自熔池17的光束可与激光同轴，这样，在激光沿着刀路移动的过程中可保持熔池17成像的稳定性而不受到影响。在本发明实施例中，激光沿着基板行走的路径可称为刀路。

另外，本发明激光系统10还可设置有透镜25，其设置于激光传输的路径上，这样，通过上下移动透镜25就可以来调整激光聚焦到基板18表面上的光斑的尺寸。特别是，在本发明一个实施例中，基板18的表面远离相邻的透镜25的一个聚焦平面，且激光斑点尺寸大约为1毫米。在本发明实施例中，激光发生器11、喷嘴12、过程模型13、图像处理单元15或者成像装置20和21中的单个元件对业界技术人员来说均可较容易的获得。

图2a-2c为用来说明图1所示的本发明激光净成型加工系统中的光学单元获取加工过程图像的示意图。如图2a所示，第一成像装置20用来获取正在形成的部件19的上部(第一)图像，第二成像装置21用来获取部件19的侧部(第二)图像。上部图像包含有熔池宽度201和熔池长度202的测量信息(如图2b所示)，侧部图像包含有沉积层211厚度和部件19高度的测量信息(如图2c所示)。而且，熔池17的温度的测量信息也可通过上部和侧部图像获得。

在本发明实施例中，激光净成型加工系统10设置第一和第二成像装置20和21来分别获取熔池17和部件19的图像。这样，熔池17和部件19的测量值分别与其目标值进行比较，进而准确的通过控制装置16来调整可控参数使测量值与目标值相匹配。从而，可获得较好的加工精度。

图3为图1所示的本发明激光净成型加工系统中的控制系统30的示意图。如图3所示，控制系统30包括有目标值模块33、闭环控制模块34、可控参数模块35、加工过程模块36及测量值模块37。在本实施例中，其以控制熔池17的宽度和部件19的沉积高度为例。当然，其也可以来控制其它参数。另外，控制系统30还包括主要用来控制熔池17宽度的第一闭环31和主要用来控制部件19的沉积高度的第二闭环32。

参看图1和图3所示，通过过程模型13于目标值模块33中预设熔池17的宽度和部件19的沉积高度的目标值。在加工过程中，熔池17的宽度主要与激光的功率相关，部件19的沉积高度主要与横向速度相关。控制装置16基于熔池17的宽度和部件19的沉积高度的目标值产生初始的激光功率值和横向速度以开始加工过程。在本发明一个实施例中，激光功率和横向速度的初始值可来自于经验或实验数据，其对业界技术人员来说都是较容易获得的。同时，第一和第二成像装置20和21获取上部和侧部图像并传输给图像处理单元15以提取熔池17宽度和部件19的沉积高度的测量值。

随后，熔池17宽度和部件19的沉积高度的测量值分别通过第一和第二闭环31和32反馈到控制装置16中的闭环控制模块34中并与预设的目标值相比较。然后，基于测量值与目标值的不同，控制装置16产生新的激光功率值和横向速度值，如可控参数模块35所示。进而，新的激光功率值和横向速度值在控制装置16中的过程模块36中进行调整计算后输入给激光发生器11来执行部件19的加工。在本发明实施例中，过程模块36包括有运算规则，比如傅立叶级数，其对业界技术人员来说是都是已知的。

在本发明的实施例中，测量值被反馈给控制装置16并与目标值进行实时比较，这样，就可以实时的调整可控参数，比如激光功率和/或横向速度来提高加工精度。此外，第一和第二闭环30和31可分别独立或相互配合来进行净成型系统10的加工。

如图1所示，在本发明一个实施例中，分裂器24用来分开来自熔池17的光束。然而，这样就有可能造成第一成像装置20同时获取实像和重影。如图4所示，在本发明实施例中，实像40产生于来自分裂器24下表面(未图示)的光线，重影41产生于来自分裂器24上表面(未图示)的光线。在一些实施例中，由于重影41与实像40的重叠就会影响到图像的质量，进而影响到对熔池17的测量精度。

图5为本发明中用于消除重影的一个实施例的示意图。在本实施例中，可选择具有一定厚度t的分裂器24，利用厚度t来分离实像40和重影41从而来消除二者的重叠。另外，如图6所示，可在分裂器24的下表面设置有镀层42来提高具有期望波长的光束的反射。这样，也就可以减少具有期望波长的光束从上表面的反射。镀层42对业界技术人员来说是可以容易获得的。同时，不期望的光束大多从上表面反射，然而此时由于滤波器22的存在而过滤掉了来自上表面的不期望的光束，这样就可消除重影的产生。

在本发明另一实施例中，激光净成型加工系统10可以被用来加工具有曲面轮廓的工件。图7为本发明中一个具有曲面轮廓的元件的立体示意图。在本实施例中，元件70可以是涡轮叶片，其包括基板71及形成于基板71上且具有曲线边界73的部件72。

图8为本发明激光净成型加工系统10用于加工图7所示的部件72的刀路示意图。如图8所示，系统10用于加工部件72的刀路包括第一刀路81，第二刀路82及位于第一和第二刀路81和82之间的第三刀路83。

在本实施例中，三个刀路81-83均为曲线且在加工前预设于过程模型13(如图1所示)中。特别是在加工过程中，沿着第一和第二刀路81和82，熔池17的宽度均可预设为固定值。第三刀路83位于第一和第二刀路81和82之间的中心线上，而且，沿着第三刀路83加工时，熔池17的宽度预设为变量。此外，沿着第一和第二刀路81和82，熔池17的宽度也可均预设为变量。

在加工过程中，激光沿着第一曲线刀路81产生具有第一固定宽度的第一熔池来进行熔覆，从而形成曲线边界73的第一部分。然后，激光沿着第二曲线刀路82产生具有第二固定宽度的第二熔池来进行熔覆，从而形成曲线边界73的第二部分。其中，第一固定宽度和第二固定宽度相同或者不同。最后，激光沿着第三曲线刀路83产生具有可变宽度的第三熔池来熔覆于前两次加工之间。在每次加工过程中，每一个实时的熔池的测量宽度均被反馈给控制装置16来调整可控参数，比如激光功率，从而使测量宽度与预设宽度相匹配。此外，在本发明实施例中，内征参数，比如每一个熔覆(沉积)层的厚度均可被预设为固定或可变的。特别是在沿着一个或多个刀路加工过程中，熔覆层的厚度也可是固定或可变的。这样，在本发明实施例中，激光净成型加工系统10可行进较少的刀路而加工出高精度的部件。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims

1.一种激光加工系统，包括：

激光发生器，其用来产生激光于基板上形成熔池；

喷嘴，其可向所述熔池中提供熔覆材料；

光学单元，其通过来自熔池的发光来获取加工过程中一个或多个内征参数的图像；

图像处理单元，其可处理所述图像以获得所述内征参数的测量值；

过程模型，其用于设定所述内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量；及

控制装置，其可基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。

2.如权利要求1所述的激光加工系统，其中所述内征参数至少包括熔池宽度和熔覆形成的部件的高度。

3.如权利要求2所述的激光加工系统，其中所述光学单元包括有第一成像装置及第二成像装置，所述第一成像装置用于获取所述熔池宽度的图像，所述第二成像装置用于获取所述熔覆形成的部件的高度的图像。

4.如权利要求3所述的激光加工系统，进一步包括光束分裂器、第一滤波器及第二滤波器，所述光束分裂器用于把来自所述熔池的光束分裂后输送给所述第一成像装置，所述第一滤波器设置于所述光束分裂器和所述第一成像装置间以过滤部分光束，所述第二滤波器设置于所述第二成像装置前以过滤部分光束。

5.如权利要求3所述的激光加工系统，其中所述第一和第二成像装置包括互补型金属氧化物半导体。

6.如权利要求2所述的激光加工系统，其中所述熔池宽度的目标值是可变的。

7.如权利要求6所述的激光加工系统，其中所述激光于所述基板上可沿第一、第二及第三刀路进行加工，所述过程模型设定所述熔池宽度的目标值在沿第三刀路加工中是可变的。

8.如权利要求7所述的激光加工系统，其中第三刀路位于所述第一和第二刀路间的中间线上。

9.如权利要求7所述的激光加工系统，其中在沿所述第一和第二刀路加工过程中，所述熔池宽度的目标值设定为固定值。

10.如权利要求2所述的激光加工系统，其中所述可控参数包括激光功率和横向速度，且所述控制装置基于所述熔池宽度和所述熔覆形成的部件的高度的测量值和目标值的比较来控制所述激光功率和所述横向速度。

11.如权利要求1所述的激光加工系统，其中所述光学单元是基于加工过程中产生的光线来获取图像的。

12.如权利要求1所述的激光加工系统，其中所述控制装置可与所述喷嘴相连以控制其供给熔覆材料的速率。

13.一种激光加工方法，包括：

设定激光加工过程中内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量；

于激光发生器产生激光以在基板上形成熔池；

向所述熔池中提供熔覆材料；

通过来自熔池的发光来获取激光加工过程中一个或多个所述内征参数的图像；

处理所述图像并获得所述内征参数的测量值；及

基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述内征参数至少包括熔池宽度和熔覆形成的部件的高度。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述激光于所述基板上可沿第一、第二及第三刀路进行加工，所述熔池宽度的目标值在沿第三刀路加工中是可变的。

16.如权利要求15所述的方法，其中第三刀路位于所述第一和第二刀路间的中间线上。

17.如权利要求15所述的方法，其中所述激光在沿所述第一和第二刀路加工过程中，所述熔池宽度的目标值设定为固定值。