CN102962452A - 基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法 - Google Patents

基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法 Download PDF

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Abstract

基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，要建立熔宽和熔高的预测模型，然后进行红外热像仪的几何标定、成形层面温度分区及分区边缘轮廓识别与几何表达、分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配，最后实现分区扫描路径规划。采用红外热像仪测量成形层面温度分布，具有较强的抗干扰能力和适应性，并且具有较高的测量精度。采用工作台三轴精确运动换位与热像仪在指定位置采集成形层面图像的方法，图像质量稳定，红外热像仪的几何标定计算简单快速。采用实际层高的分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配，既保证了下一成形层边界精确又融合了已成形层作为基体层温度分布的几何信息。采用基于成形层面实时热像温度分布的分区动态扫描路径规划，有利于减小温度梯度和和局部热应力集中。

Description

基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法
技术领域：本发明涉及一种金属零件激光沉积成形和修复扫描路径的规划方法，尤其是一种基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法。
背景技术:激光沉积制造技术是指：以激光为热源，以金属粉末为原材料，基于层层叠加制造的快速原型原理，通过激光对同轴输送的金属粉沫材料按照规划的扫描路径实现逐层熔化堆积，来成形（称为激光沉积成形，也称之为激光快速成形）或修复（称为激光沉积修复，也称之为激光成形修复）具有三维形状的金属功能零件的技术。它具有热输入能量可控以及柔性化制造特点，这项技术特别适合于精密、复杂结构的钛合金、高温合金等贵重金属材料零件的直接制造和修复，可有效缩短新产品开发周期、降低开发费用和开发风险，近年来逐渐受到了国内外研究者及相关厂商的关注，并已在航空钛合金零部件的修复和成形制造领域得到初步应用。在未来的一个时期内，激光沉积制造技术将得到飞速发展和广泛应用。
但在金属零件激光沉积制造技术研究和工程化应用中，大面积和大体积金属零件激光沉积制造过程中的变形开裂问题是阻碍激光沉积制造技术顺利发展和拓展应用的主要障碍；导致这个问题出现原因包括材料、设备、工艺等多方面的众多因素，但其主要原因在于激光光束局部加热，且沉积工件不同部位热传导和辐射条件不同，按照设定的扫描路径沉积成形，导致成形工件局部温度累积现象明显不同，造成成形工件内部温度场分布不均匀，局部产生内应力集中现象，进而引起成形工件变形开裂。从工艺角度来看，金属零件激光沉积制造是从点到线、从线到面、层层叠加堆积的过程，不同扫描路径形式匹配不同的工艺参数形成不同的扫描路径规划，扫描路径规划会直接影响到成形过程温度场和热应力场的分布，进而影响到成形工件内应力分布和表面质量。因此，合理扫描路径规划是激光沉积制造的前提，是减小成形工件内部温度梯度和内应力集中的根本措施，也是抑制成形工件变形开裂的关键途径。
目前金属零件激光沉积制造扫描路径是基于几何模型按照设定的分层厚度和扫描间距进行分层和扫描路径生成，是静态扫描路径规划；尚未考虑金属零件激光沉积制造过程中由于热量累积而导致熔池尺寸和温度在动态变化，进而直接导致沉积熔覆宽度（熔宽）和沉积熔覆高度（熔高）等过程参量随之改变，路径规划的关键参数分层厚度和扫描间距也在随之改变等实际情况，这容易造成成形工件的表面凸凹不平、尺寸精度较差、扫描道与道以及成形层与层的熔合不良等缺陷。另外，现有的激光沉积制造过程是按事先设定的激光功率、扫描速度、送粉速度等工艺参数下的静态扫描路径规划来沉积制造零件的，沉积过程中不可避免造成局部热量累积集中，进而造成温度梯度越来越大，产生局部应力集中进而造成工件变形开裂，而对成形过程温度场有效实时检测是揭示成形过程温度场演化规律的必要手段；相对于接触法测量温度，利用先进的红外测温技术等非接触测量方法具有较强的抗干扰能力和适应性，并且具有较高的测量精度。
发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，通过采用红外热像仪直接测量激光沉积制造层面温度，并基于层面温度分布实现分区扫描路径规划，减小温度梯度和局部热应力集中，提高制造质量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，具体步骤如下：
(1)建立熔宽和熔高的预测模型
采用红外热像仪实时检测的方法，对不同激光功率、送粉速度、扫描速度、基体层温度等工艺参数下单道多层、多道多层等扫描方式下的每个层面温度分布进行检测分析，并检测成形层面的熔高和熔宽。建立描述激光功率、送粉速度、扫描速度、基体层温度等与熔宽、熔高变化规律的预测模型；并对预测模型进行测试和改进，保证利用该模型预测熔高和熔宽的准确有效。
(2)红外热像仪的几何标定
在激光沉积制造过程中，将红外热像仪固定在成形工件上方位置，每层成形后，工作台及其上工件移动，通过红外热像仪采集稳定质量的图像，并可实现工作台三轴精确运动换位采集多幅图像。
设计制造几何尺寸和结构已知、发热温度恒定的圆形标志点放置在工作台固定位置，结合红外热像仪几何位置信息，通过对热像仪采集多幅圆形标志点图像的处理计算，完成红外热像仪的几何标定。
（3）成形层面温度分区及分区边缘轮廓识别与几何表达
利用热像仪输出的按照不同温度范围分区分颜色显示图像和分区温度数据，进行图像转换，提取出各温度分区的边缘轮廓，并对非闭合边缘轮廓进行边缘连接。
每层成形后，通过工作台在指定位置的三轴精确运动换位，热像仪采集同一成形层面场景的两幅或以上的图像，并将发热圆形标志点作为两幅或以上的图像的匹配点，根据图像所提供的有关信息进行三维几何重建，完成成形层面内部温度分区边缘轮廓离散点的三维坐标计算，实现成形层面红外图像内温度信息和几何信息匹配。
（4）分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配
通过提取成形层面边缘轮廓离散点的Z值，结合成形层数，计算实际成形层厚，在下一层分层高度位置对模型进行分层，获得分层轮廓；将成形层面内部温度分区边缘轮廓与分层轮廓匹配合成。
(5)分区扫描路径规划
基于红外热像仪实时检测的成形层面的各分区温度，依据熔高和熔宽的预测模型，为保证熔高稳定一致，分区适应性调整激光功率和扫描速度等工艺参数；在调整后工艺参数条件下预测熔宽，分区变扫描间距生成扫描路径；基于各分区温度，按先低后高的原则，优化分区扫描顺序。
本发明具有如下优点：
（1）采用红外热像仪测量成形层面温度分布，具有较强的抗干扰能力和适应性，并且具有较高的测量精度。
（2）采用工作台三轴精确运动换位与热像仪在指定位置采集成形层面图像的方法，图像质量稳定，红外热像仪的几何标定计算简单快速。
（3）采用在工作台固定位置发热圆形标志点作为两幅图像匹配点，使成形层面内部温度分区边缘轮廓离散点的三维坐标计算快速准确。
（4）采用实际层高的分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配，既保证了下一成形层边界精确又融合了已成形层作为基体层温度分布的几何信息。
（5）采用基于成形层面实时热像温度分布的分区动态扫描路径规划，有利于减小温度梯度和和局部热应力集中。
附图说明
图1是本发明的扫描路径规划流程图。
图2是激光沉积制造系统结构示意图。
图3是红外热像仪的几何标定示意图。
图4是成形层面温度分区示意图。
图5是分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配示意图。
图6是分区扫描路径规划示意图。
具体实施方式：
如图1所示，基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，其具体实现步骤如下：
（1）建立熔宽和熔高的预测模型
结合待沉积制造的工件材料，采用红外热像仪检测的方法，对不同激光功率、送粉速度、扫描速度、基体层温度等工艺参数下单道多层、多道多层等扫描方式下的每个层面温度进行检测分析，并检测成形层面的熔高和熔宽，建立描述激光功率、送粉速度、扫描速度、基体层温度等与熔宽、熔高变化规律的预测模型。
(2)红外热像仪的几何标定
激光沉积制造系统示意图如图2所示，利用高能激光束1作为热源，高能激光束1经聚焦镜7聚焦，在同轴送粉头2的下端形成熔池5。经同轴送粉头2向激光熔池5送入金属粉末6，通过迅速熔化、扩展和迅速凝固，在基体4表面形成与其为冶金结合的添料沉积层3；上述过程按照设定的填充路径在基体上逐点填满给定的二维形状，重复这一过程逐层堆积完成零件沉积制造。本发明的基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划是面向该系统应用的。
红外热像仪的几何标定示意图如图3所示，将红外热像仪8固定在成形工件9上方位置，每层成形后，工作台10及其上的工件移动到指定位置采集稳定质量的图像。结合红外热像仪几何位置信息，通过对热像仪采集多幅圆形标志点11图像的处理计算，完成红外热像仪的几何标定。
（3）模型的首层分层和扫描路径填充
输入工件的三维模型，首先进行模型的首层分层处理，得到第一个二维平面的分层轮廓数据，对上述分层轮廓区域生成X方向、Y方向或层间正交式扫描路径进行填充。
（4）成形层面温度分区及分区边缘轮廓识别与几何表达
每层成形后，通过工作台在指定位置的三轴精确运动换位，热像仪采集同一成形层面场景的两幅或以上的图像。
如图4所示，利用热像仪输出的按照不同温度范围分区12、13分颜色显示图像，提取出各温度分区的边缘轮廓14。
计算出成形层面内部温度分区边缘轮廓14离散点的三维坐标。
（5）分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配
图5所示为分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配示意图，通过提取成形层面边缘轮廓15离散点的Z值，结合成形层数，计算实际成形层厚，在下一层分层高度位置对模型进行分层，获得分层轮廓18；将成形层面内部温度分区边缘轮廓16与分层轮廓匹配合成扫描路径规划的内部分区轮廓17。
(6)分区扫描路径规划
图6所示为分区扫描路径规划示意图，基于红外热像仪实时检测的成形层面19的各分区20温度，依据熔高和熔宽的预测模型，为保证熔高稳定一致，分区适应性调整激光功率和扫描速度等工艺参数；在此工艺参数条件下预测熔宽，分区变扫描间距生成扫描路径21；基于各分区温度，按先低后高的原则，优化分区扫描顺序。
（7）反复重复第（4）步到第（6）步，直至完成工件模型的分区动态扫描路径规划和激光沉积制造。

Claims (4)

1.基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，具体步骤如下：
(1)建立熔宽和熔高的预测模型
采用红外热像仪实时检测的方法，对每个层面温度分布进行检测分析，并检测成形层面的熔高和熔宽，建立预测模型；并对预测模型进行测试和改进，保证利用该模型预测熔高和熔宽的准确有效；
(2)红外热像仪的几何标定
在激光沉积制造过程中，将红外热像仪固定在成形工件上方位置，每层成形后，工作台及其上工件移动，通过红外热像仪采集稳定质量的图像，并可实现工作台三轴精确运动换位采集多幅图像，设计制造几何尺寸和结构已知、发热温度恒定的圆形标志点放置在工作台固定位置，结合红外热像仪几何位置信息，通过对热像仪采集多幅圆形标志点图像的处理计算，完成红外热像仪的几何标定；
（3）成形层面温度分区及分区边缘轮廓识别与几何表达
利用热像仪输出的按照不同温度范围分区分颜色显示图像和分区温度数据，进行图像转换，提取出各温度分区的边缘轮廓，并对非闭合边缘轮廓进行边缘连接，每层成形后，通过工作台在指定位置的三轴精确运动换位，热像仪采集同一成形层面场景的两幅或以上的图像，并将发热圆形标志点作为两幅或以上的图像的匹配点，根据图像所提供的有关信息进行三维几何重建，完成成形层面内部温度分区边缘轮廓离散点的三维坐标计算，实现成形层面红外图像内温度信息和几何信息匹配；
（4）分层轮廓与成形层温度分区边缘轮廓匹配
通过提取成形层面边缘轮廓离散点的Z值，结合成形层数，计算实际成形层厚，在下一层分层高度位置对模型进行分层，获得分层轮廓，将成形层面内部温度分区边缘轮廓与分层轮廓匹配合成；
(5)分区扫描路径规划
基于红外热像仪实时检测的成形层面的各分区温度，依据熔高和熔宽的预测模型，为保证熔高稳定一致，分区适应性调整工艺参数；在调整后工艺参数条件下预测熔宽，分区变扫描间距生成扫描路径；基于各分区温度，按先低后高的原则，优化分区扫描顺序。
2.如权利要求1所述的基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，其特征在于：步骤（1）中所述的不采用红外热像仪实时检测的方法是对不同同激光功率、送粉速度、扫描速度、基体层温度这些工艺参数下，单道多层、多道多层扫描方式下的每个层面温度分布进行检测分析。
3.如权利要求1所述的基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，其特征在于：步骤（1）中所述的预测模型是描述激光功率、送粉速度、扫描速度、基体层温度与熔宽、熔高变化规律的。
4.如权利要求1所述的基于红外测温图像的金属激光沉积制造扫描路径规划方法，其特征在于：所述的工艺参数为激光功率和扫描速度。
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