CN102323756B - 基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种材料表面处理技术领域的基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置，通过红外增强CCD摄像机拍摄熔覆过程中的熔池图像并转换为温度场图像后得到实际熔池尺寸数据，根据设定熔池尺寸与实际熔池尺寸的差值作为偏差信号，采用PID算法对激光功率进行反馈控制，通过对设定熔池大小的调整实现稀释率调控。本发明使得用母材熔化的面积在激光熔覆涂层中所占的百分比在基板表面每一点相当，且激光熔覆时稀释率的调控变得简单、容易、可靠，而且避免了工件冷热状态差异等因素对稀释率的影响，使得基板表面熔覆涂层的各点的稀释率保持均匀一致。

Description

基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置

技术领域

本发明涉及的是一种材料表面处理技术领域的方法及其装置，具体是一种基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置。

背景技术

激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束辐照使之与基材表面薄层一起快速熔凝，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，从而显著改善基材表面的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等服役性能的工艺方法。激光熔覆具有稀释度小、组织致密、熔覆层与基体冶金结合、适合熔覆材料多、热输入量小和基体变形小等特点；利用激光熔覆对材料表面进行改性或者对磨损表面进行修复，既满足了复杂工况对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素，应用前景十分广阔，正成为当前表面工程技术领域的再制造重要技术手段。激光熔覆过程中，为了保证基体和熔覆层的冶金结合，客观上要求必须有一定薄层的基材表面熔化，这必然造成熔覆层合金的稀释。稀释程度的大小直接影响熔覆层合金的化学成分、微观结构与服役性能；在保证基体和熔覆层达到冶金结合的前提下，尽可能降低稀释率从而最大限度发挥熔覆层合金的服役性能。因此，激光熔覆过程中，稀释率的控制是获得优良熔覆层的重要控制目标。

经对现有技术文献的检索发现，张庆茂等在《金属热处理》2001年第26卷第8期20-23页题为“宽带送粉激光熔覆稀释率的控制”的论文中述及一种激光熔覆稀释率的控制方法，通过激光功率、光斑尺寸、扫描速度、送粉速率等工艺参数相互匹配来达到稀释率的控制：在激光参数保持恒定的情况下，随着扫描速度和送粉速率的增加，激光透过粉末云入射基体表面的能量减小，基材表面熔化量减小，结果降低稀释率。这种激光熔覆稀释率控制方法的缺点在于，激光工艺参数多，需要通过相互匹配来达到控制稀释率，优化过程复杂；且为开环控制模式，不能避免工件状态变化等因素引起的控制失效。

经检索还发现，J.T.Hofman等在《Journal of Materials Processing Technology》(材料加工技术学报)2011年第211卷187-196页题为“FEM Modeling and experimental verification fordilute control in laser cladding”(激光熔覆稀释率控制的有限元模型与实验验证)的论文中述及一种稀释率的映射方法，发现稀释率与熔池宽度存在高度依存关系，以熔池宽度作为传感变量，从而达到稀释率的非破环检测；然而，论文中没有述及以熔池宽度为控制变量的激光熔覆稀释率的闭环控制方法，此外，采取一维尺寸的熔池宽度作为控制手段，在熔池倾向时熔池宽度计算会出现误差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置，使得用母材熔化的面积在激光熔覆涂层中所占的百分比在基板表面每一点相当，且激光熔覆时稀释率的调控变得简单、容易、可靠，而且避免了工件冷热状态差异等因素对稀释率的影响，使得基板表面熔覆涂层的各点的稀释率保持均匀一致。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法，通过红外增强CCD摄像机拍摄熔覆过程中的熔池图像并转换为温度场图像后得到实际熔池尺寸数据，根据设定熔池尺寸与实际熔池尺寸的差值作为偏差信号，采用PID算法对激光功率进行反馈控制，通过对设定熔池大小的调整实现稀释率调控。

所述的PID算法是指：按设定熔池尺寸与实际熔池尺寸之间偏差信号的比例(P)、积分(I)和微分(D)三个环节的不同组合计算出对激光器输出功率的控制量。

所述的熔池图像是指激光熔覆过程中红外增强CCD摄像机拍摄的熔池灰度图像。

所述的温度场图像，控制模块按照灰度值与温度值的对应关系，将熔池图像中各像素点的灰度值转换成温度值，并用不同颜色标识不同温度，从而构造的彩色图像。

所述的实际熔池尺寸数据通过以下方式得到：将激光熔覆过程中的熔池图像转换成每一个像素点的亮度即代表温度高低的温度场图像，当像素点温度值超过涂层熔点的连续区域则判定为熔池区域，最后对熔池区域的像素点累积合并后获得实际熔池的尺寸大小。

所述的熔池区域，物理上指激光熔覆过程中熔化金属形成的连续区域，温度场图像中温度值超过涂层熔点的像素点所构成的连续区域。

所述的涂层熔点是指同涂层化学成分一样的合金熔化时的温度。

本发明涉及上述方法的控制装置，包括：送粉枪、控制模块以及分别与之相连接的红外增强CCD摄像机和激光器，其中：控制模块从红外增强CCD摄像机中得到熔池图像并输出功率控制指令至激光器，激光器的输出端和红外增强CCD摄像机的镜头分别正对基板上的待处理区域，送粉枪与激光器的输出光轴同轴设置。

所述的红外增强CCD摄像机采用特殊滤光片过滤可见光和激光，经校正后，拍摄图像的灰度值可反映相应点的温度值。

所述的控制模块包括：串行通讯单元、模拟信号输出单元、人机界面单元、计算机信号处理单元，其中：串行通讯单元与红外增强CCD摄像机相连接并传输熔池图像信息至计算机信号处理单元，模拟信号输出单元与激光器相连接并传输激光器输出功率的控制量信号，计算机信号处理单元实现PID算法计算激光器输出功率的控制量信号，人机界面单元实现熔池大小的设定。

所述的激光器的技术参数要求为：激光器输出功率可通过0-10V的模拟信号进行线性调整，模拟信号为0V时激光器输出为0，模拟信号为10V时激光器输出为最大额定功率。

上述装置通过先在控制模块上设定预期的熔池面积，即给出设定熔池大小的像素点值；激光熔覆时，送粉机通过送粉枪输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，红外增强CCD摄像机拍摄加热区域的熔池图像，传输给控制模块以后转换为温度场图像，分析出熔池区域和实际熔池大小，计算出设定熔池大小与实际熔池大小之间的偏差信号，并按PID算法确定调控激光功率的幅度，结合偏差信号的正负和调控激光功率的幅度来调控激光器的输出功率，从而实现熔池大小的闭环控制。

在此基础上，利用作为过程参数的熔池大小与稀释率之间存在的高度依存关系，通过设定熔池大小的像素点值来调控稀释率的大小：增加设定熔池大小的像素点值，稀释率增加；降低设定熔池大小的像素点值，稀释率降低。此外，熔池大小的闭环反馈控制中，通过自动调整激光器输出功率补偿工件状态等因素引起的干扰，避免了工件状态等因素对稀释率的影响，使得基板表面熔覆涂层的各点的稀释率保持均匀一致。

与现有技术相比，本发明的优点包括：(1)以过程参数，即熔池大小，作为稀释率的调控手段，避免了激光参数与工艺参数的匹配优化，调控变得简单、方便；(2)作为过程参数的熔池大小与稀释率具有高度依存性，用来控制稀释率，更加可靠；(3)熔覆过程中的熔池大小闭环控制系统可以使得大面积激光熔覆时各点的稀释率保持均匀一致。

附图说明

图1为本发明原理示意图。

图2为本发明实施例1中激光熔覆涂层的示意图。

图3为本发明实施例2中激光熔覆涂层的示意图。

图4为本发明实施例3中激光熔覆涂层的示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例涉及的控制装置包括：送粉枪1、控制模块2以及分别与之相连接的红外增强CCD摄像机3和激光器4，其中：控制模块2从红外增强CCD摄像机3中得到熔池图像并输出功率控制指令至激光器4，激光器4的输出端和红外增强CCD摄像机3的镜头分别正对基板5上的待处理区域6，送粉枪1与激光器4的输出光轴同轴设置。

所述的红外增强CCD摄像机3采用特殊滤光片过滤可见光和激光，经校正后，拍摄图像的灰度值可反映相应点的温度值。

所述的控制模块2包括：串行通讯单元、模拟信号输出单元、人机界面单元、计算机信号处理单元，其中：串行通讯单元与红外增强CCD摄像机相连接并传输熔池图像信息至计算机信号处理单元；模拟信号输出单元与激光器相连接并传输激光器输出功率的控制量信号；计算机信号处理单元实现PID算法计算激光器输出功率的控制量信号；人机界面单元实现熔池大小的设定。

所述的激光器4的技术参数要求为：激光器输出功率可通过0-10V的模拟信号进行线性调整，模拟信号为0V时激光器输出为0，模拟信号为10V时激光器输出为最大额定功率。

所述的送粉枪1的输入端与送粉机7相连。

如图1所示，本实施例中，工件尺寸为100mm×50mm×10mm(长×宽×厚)的模具钢，激光束8的焦点位于工件表面，焦点尺寸为2.0mm×3.2mm；送粉枪1以氩气输送钴基合金粉末，通过熔覆枪9以后聚焦于激光束8焦点，送粉速率为20g/min；在控制模块上设定熔池大小的像素点为600后，启动激光熔覆过程，以1m/min的扫描速度移动后，形成单道激光熔覆涂层。

如图2所示，白色部分为熔化凝固后形成的涂层，涂层表面成形良好，涂层组织细密，涂层中无气孔、夹杂等缺陷，涂层与基板之间形成冶金结合；图2中，母材熔化极少，涂层与基板之间的界面基本同基板表面处于一个平面，稀释率接近于零。这种成形良好、冶金结合、稀释率接近于零的涂层，表明设定熔池大小为600像素点时，控制结果理想。

实施例2

如图1所示，本实施例中，工件尺寸为100mm×50mm×10mm(长×宽×厚)的模具钢，激光束8的焦点位于工件表面，焦点尺寸为2.0mm×3.2mm；送粉枪1以氩气输送钴基合金粉末，通过熔覆枪9以后聚焦于激光束8焦点，送粉速率为20g/min；在控制模块上设定熔池大小的像素点为1000后，启动激光熔覆过程，以1m/min的扫描速度移动后，形成单道激光熔覆涂层。

如图3所示，白色部分为熔化凝固后形成的涂层，涂层表面成形良好，涂层组织细密，涂层中无气孔、夹杂等缺陷，涂层与基板之间形成冶金结合；图3中，部分母材熔化，涂层与基板之间的界面向母材移动。同实施例1相比，设定熔池大小增加，稀释率随之增加。通过调控设定熔池大小，可以简单、方便、可靠地调控稀释率。

实施例3

如图1所示，本实施例中，工件尺寸为100mm×100mm×10mm(长×宽×厚)的模具钢，激光束8的焦点位于工件表面，焦点尺寸为2.0mm×3.2mm；送粉枪1以氩气输送钴基合金粉末，通过熔覆枪9以后聚焦于激光束8焦点，送粉速率为30g/min；在控制模块上设定熔池大小的像素点为800后，启动激光熔覆过程，激光束8与熔覆枪9以1m/min的扫描速度从工件左端移动到工件右端，形成单道激光熔覆涂层；随后，激光束8与熔覆枪9回到从工件左端，以50％的搭接率重新以1m/min的扫描速度熔覆涂层；如此重复多次，形成多道熔覆涂层。

如图4所示，白色部分为熔化凝固后形成的涂层。涂层与基板之间形成冶金结合，界面基本为直线，没有较大的起伏，表明稀释率在整个基板表面基本上是均匀一致的。熔池大小的闭环反馈控制中，自动调整激光器输出功率避免了工件冷热状态差异等因素对稀释率的影响，可使得大面积激光熔覆时各点的稀释率保持均匀一致。

Claims (5)

1.一种基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法，其特征在于，通过红外增强CCD摄像机拍摄熔覆过程中的熔池图像并转换为温度场图像后得到实际熔池尺寸数据，根据设定熔池尺寸与实际熔池尺寸的差值作为偏差信号，采用PID算法对激光功率进行反馈控制，通过对设定熔池大小的调整实现稀释率调控；

所述的实际熔池尺寸数据通过以下方式得到：将激光熔覆过程中的熔池图像转换成每一个像素点的亮度即代表温度高低的温度场图像，当像素点温度值超过涂层熔点的连续区域则判定为熔池区域，最后对熔池区域的像素点累积合并后获得实际熔池的尺寸大小；

所述的熔池图像是指激光熔覆过程中红外增强CCD摄像机拍摄的熔池灰度图像；所述的温度场图像，控制模块按照灰度值与温度值的对应关系，将熔池图像中各像素点的灰度值转换成温度值，并用不同颜色标识不同温度，从而构造的彩色图像；所述的熔池区域，物理上指激光熔覆过程中熔化金属形成的连续区域，温度场图像中温度值超过涂层熔点的像素点所构成的连续区域；所述的涂层熔点是指同涂层化学成分一样的合金熔化时的温度。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的PID算法是指：按设定熔池尺寸与实际熔池尺寸之间偏差信号的比例、积分和微分三个环节的不同组合计算出对激光器输出功率的控制量。

3.一种根据权利要求1或2所述方法的控制装置，其特征在于，包括：送粉枪、控制模块以及分别与之相连接的红外增强CCD摄像机和激光器，其中：控制模块从红外增强CCD摄像机中得到熔池图像并输出功率控制指令至激光器，激光器的输出端和红外增强CCD摄像机的镜头分别正对基板上的待处理区域，送粉枪与激光器的输出光轴同轴设置。

4.根据权利要求3所述的控制装置，其特征是，所述的控制模块包括：串行通讯单元、模拟信号输出单元、人机界面单元、计算机信号处理单元，其中：串行通讯单元与红外增强CCD摄像机相连接并传输熔池图像信息至计算机信号处理单元，模拟信号输出单元与激光器相连接并传输激光器输出功率的控制量信号，计算机信号处理单元实现PID算法计算激光器输出功率的控制量信号，人机界面单元实现熔池大小的设定。

5.根据权利要求3所述的控制装置，其特征是，所述的激光器的技术参数要求为：激光器输出功率通过0-10V的模拟信号进行线性调整，模拟信号为0V时激光器输出为0，模拟信号为10V时激光器输出为最大额定功率。

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