CN112517926A - 一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法 - Google Patents

一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光增材制造和过程自动控制领域，特指一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：通过红外成像设备拍摄熔池动态形成过程，在PC端的采集控制软件中记录每帧的实时打印温度，绘制温度梯度反馈曲线，通过功率的自动调节改变温度的大小，利用PID算法反馈控制温度梯度变化于额定范围内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度的数据采集和梯度温度的在线PID调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量。

Description

一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造和过程自动控制领域，特指一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法。利用PID算法反馈控制温度梯度变化于额定范围内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度的数据采集和梯度温度的在线PID调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量。
背景技术
激光熔覆技术以高能激光为能量源，利用激光喷头熔化金属粉末至熔池，从而实现零件的快速熔化和逐层堆积。激光熔覆技术采用逐层堆焊的方式制造出致密的金属构件，因其减少加工工序、缩短加工周期、快速制造精密零件等优点而广泛应用于航空航天、汽车船舶等领域。
熔池尺寸是影响工件成型质量的重要原因，而激光熔覆过程中熔池梯度温度的形成是影响熔池尺寸及稀释率的主要因素。温度梯度的形成导致表面张力梯度的产生，从而引发熔池内密度的变化。温度过高会使熔池呈小孔模式，温度过低会使熔池尺寸减小且降低孔隙率，熔池温度得不到有效控制会影响工件的成型质量。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：通过红外成像设备拍摄熔池动态形成过程，在PC端的采集控制软件中记录每帧的实时打印温度，绘制温度梯度反馈曲线，通过功率的自动调节改变温度的大小，利用PID算法反馈控制温度梯度变化于额定范围内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度的数据采集和梯度温度的在线PID调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量。
本发明采用的技术方案，具体步骤如下：
(1)搭建同轴红外相机监测平台，将红外相机放置于激光打印头上方一侧，两者作同轴运动。红外相机的镜头对准工件放置平台，用于拍摄熔池动态图像。红外相机的接口由以太网接头、I/O接口，水冷接口和手动对焦机构接口组成。
(2)以太网接头连接路由器至PC端，手动对焦机构机械连接至对焦用红外灯，I/O接口连接红外相机接线盒，通过红外相机接线盒连接PC端的功率控制软件，水冷接口连接水冷回路。
(3)在PC端采集软件的显示窗口中初设激光熔覆设备的激光功率，熔池温度，熔道宽度、长度和熔道数，设置熔池温度与激光功率的关系式，增材制造过程中绘制实时温度曲线；在PC端功率控制软件中设置熔池温度阈值和PID参数，便于实时调节熔覆过程中的熔池温度在设定的范围内。
(4)在送粉器中装进待打印粉末，在激光熔覆设备的数控操作平台中设置工艺参数：送粉速度，扫描速度，搭接率和功率，等待工件打印。
(5)激光打印过程中通过采集软件实时记录工件的熔池动态图像、激光功率、熔道尺寸、熔池动态温度等信息，绘制以帧为横坐标，熔池实时动态温度为纵坐标的曲线。
(6)利用熔池温度与激光功率的关系式将激光功率转化为熔池动态温度，以红外相机拍摄下的熔池宽度为基准宽度，将实时记录的熔池尺寸与基准宽度的差值为偏差量，利用PID算法调节温度在标定温度内，当偏差量为正数时减小输入功率，降低温度，当偏差量为负数时增大输入功率，提升温度。
步骤(2)中水冷回路需满足条件:最大流体压力为2.8bar，最小流速为0.2L/min，水冷电路用于红外相机工作过程中的散热保护电路。
温度与功率之间的换算关系满足关系式：
Figure BDA0002806230550000021
k为热效率系数，P为激光功率(w)，A为熔道的横截面积(mm3)，V为激光扫描速度(mm/min)，DT为载荷步的时间，ρ为材料密度(g/mm3)，c为材料比热容(J*K/g)，F为激光熔覆过程中熔道受到的压力(N)，d为熔道宽度(mm)。
本发明通过对温度的实时控制，能够避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度数据的采集和梯度温度的在线调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为激光熔覆过程中梯度温度调控系统构成图。
图2为熔覆过程中监测熔池梯度温度变化的曲线图。
图3为激光功率600w时工件调控温度前后的微观组织对比图。
图4为激光功率800w时工件调控温度前后的微观组织对比图。
图5为激光功率1000w时工件调控温度前后的微观组织对比图。
上述图中：1：氩气；2：送粉器；3：激光熔覆设备；4：红外相机；5：PC端；6：工件；7：加工平台；8：数控设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例采用的是150mm×150mm×15mm规格的Ti6Al4V工件，熔覆层粉末为Fe101(粒径50-150μm)。
实施例
(1)搭建同轴红外相机4监测平台，本实施例选用的红外相机4购于西班牙新红外技术公司,型号为CLAMAR型红外相机。将红外相机4放置于激光熔覆设备3的激光打印头上方一侧，与激光打印头连接固定，两者作同轴运动。红外相机4的镜头对准工件6的加工平台7，用于拍摄熔池动态图像。红外相机4的接口由以太网接头、I/O接口，水冷接口和手动对焦机构接口组成。
(2)以太网接头连接路由器至PC端5，手动对焦机构机械连接至对焦用红外灯，I/O接口连接红外相机接线盒，通过接线盒连接PC端5的功率控制软件，水冷接口连接水冷回路。
(3)进行三次不同功率的激光熔覆实验，确定最佳功率及温度。在PC端5采集软件中初设激光熔覆设备的激光功率分别为600w，800w,1000w，设置熔道宽度为0.1mm、熔道数为20，熔道长度为40mm，依托熔池温度与激光功率的关系式：
Figure BDA0002806230550000031
建立增材过程中温度与功率的数学模型，便于反馈PID算法对温度的调节与控制，并反映在曲线图上如图2所示。设置熔池温度阈值为300℃-520℃，设置初始PID参数为KP为200，KI为500，KD为100，可根据控制情况实时调节参数。
(4)选择同轴送粉金属打印机进行熔覆实验，型号为LMD 8060，于南京中科煜宸激光技术有限公司进行实验。将Ti6Al4V工件放置于设备的加工平台7上，在送粉器2中加入Fe101粉末，通过数控设备8预设激光增材制造的工艺参数：送粉速度为0.5r/min，扫描速度为600mm/min，搭接率50％，光斑直径为2mm，层厚为0.7mm。惰性气体氩气1作为载气接入激光打印喷头作保护气流，防止高温下发生氧化反应，调节加工平台7至起点，等待工件6打印。
(5)激光增材制造过程中，考虑控制精度要求以及公式计算的时限，在采集软件界面处设置学习熔道数为不超过单次熔覆总道数的三分之一至二分之一，优选的，本实施例经过实验对比控制的效果选择学习熔道数为8，即熔覆过程中的前8道采用恒定的功率打印，从第9道开始结合PID控制，通过软件自动学习来限制激光功率处于一定的动态范围内，从而监测控制对应熔池的实时温度。
(6)通过红外相机4对熔池的实时监测，在采集软件中记录熔池的动态尺寸、大小及形状，本实施例中恒定400℃参数中的熔池基准宽度为3.12mm，恒定600℃参数中的熔池基准宽度为3.43mm，恒定800℃参数中的熔池基准宽度为3.52mm。当调节功率进行熔覆时，以熔池宽度输出值与基准宽度之间的差值为参照对象，PID算法控制其大于零时适当降低功率，小于零时适当提高功率，变化的范围当不超过限值。绘制以帧为横坐标，梯度温度变化为纵坐标的曲线，如图2所示，曲线记录控制功率前后温度的动态变化，初始恒定温度分别为400℃，600℃和800℃温度下，通过实时温度的采集可以与对应温度下的工件熔覆质量作对比，便于找到最佳熔覆功率及参数。
(7)利用推导公式:
Figure BDA0002806230550000041
将熔覆过程中的软件实时记录的激光功率转化为熔池动态温度，利用PID算法调节温度在标定温度内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度数据的采集和梯度温度的在线调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，如图3，图4，图5所示，当初始温度分别为400℃，600℃，800℃时，控制温度后的工件微观组织比恒定温度下的微观组织熔覆质量更好，缺陷得到了明显改善，提高了成型质量。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (4)

1.一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：通过红外成像设备拍摄熔池动态形成过程，在PC端的采集控制软件中记录每帧的实时打印温度，绘制温度梯度反馈曲线，通过功率的自动调节改变温度的大小，利用PID算法反馈控制温度梯度变化于额定范围内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸，通过熔池动态温度的数据采集和梯度温度的在线PID调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量，具体步骤如下：
(1)搭建同轴红外相机监测平台，将红外相机放置于激光打印头上方一侧，两者作同轴运动，红外相机的镜头对准工件放置平台，用于拍摄熔池动态图像，红外相机的接口由以太网接头、I/O接口，水冷接口和手动对焦机构接口组成；
(2)以太网接头连接路由器至PC端，手动对焦机构机械连接至对焦用红外灯，I/O接口连接红外相机接线盒，通过红外相机接线盒连接PC端的功率控制软件，水冷接口连接水冷回路；
(3)在PC端采集软件的显示窗口中初设激光熔覆设备的激光功率，熔池温度，熔道宽度、长度和熔道数，设置熔池温度与激光功率的关系式，增材制造过程中绘制实时温度曲线；在PC端功率控制软件中设置熔池温度阈值和PID参数，便于实时调节熔覆过程中的熔池温度在设定的范围内；
(4)在送粉器中装进待打印粉末，在激光熔覆设备的数控操作平台中设置工艺参数：送粉速度，扫描速度，搭接率和功率，等待工件打印；
(5)激光打印过程中通过采集软件实时记录工件的熔池动态图像、激光功率、熔道尺寸、熔池动态温度等信息，绘制以帧为横坐标，熔池实时动态温度为纵坐标的曲线；
(6)利用熔池温度与激光功率的关系式将激光功率转化为熔池动态温度，以红外相机拍摄下的熔池宽度为基准宽度，将实时记录的熔池尺寸与基准宽度的差值为偏差量，利用PID算法调节温度在标定温度内，当偏差量为正数时减小输入功率，降低温度，当偏差量为负数时增大输入功率，提升温度。
2.如权利要求1所述的一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：步骤(2)中，水冷回路需满足条件:最大流体压力为2.8bar，最小流速为0.2L/min，水冷电路用于红外相机工作过程中的散热保护电路。
3.如权利要求1所述的一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：步骤(3)和(6)中，温度与功率之间的换算关系满足关系式：
Figure FDA0002806230540000021
k为热效率系数，P为激光功率(w)，A为熔道的横截面积(mm3)，V为激光扫描速度(mm/min)，DT为载荷步的时间，ρ为材料密度(g/mm3)，c为材料比热容(J*K/g)，F为激光熔覆过程中熔道受到的压力(N)，d为熔道宽度(mm)。
4.如权利要求1所述的一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：步骤(6)中，PID算法中，考虑控制精度要求以及公式计算的时限，在采集软件界面处设置学习熔道数为不超过单次熔覆总道数的三分之一至二分之一。
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