基于CCD的激光熔覆熔池宽度的在线检测研究

为了研究激光熔覆熔池尺寸,采用CCD摄像机和VISUAL C++平台自主开发的图像处理软件,建立了一套针对激光熔覆熔池宽度的在线检测系统,提取了熔池边缘和几何特征参量,通过标定试验测定系统的校正系数,在线获取了熔覆层的宽度。结果表明,该系统能比较准确地实现熔池宽度的在线检测,为实时检测激光熔覆熔池表面质量提供了一个有效的工具。     

激光熔覆研究现状与发展趋势

通过对国内外对激光熔覆技术研究现状,概括了国内外激光熔覆在熔覆特性、不同材料与基体组合的激光熔覆工艺及参数、激光熔覆层的微观组织结构和金相分析、熔覆层缺陷以及激光熔覆基础理论,激光熔覆专用材料研制、激光熔覆过程裂纹形成与消除机制、激光熔覆过程关键因素的检测与控制、激光熔覆送粉器和喷嘴、激光熔覆制备新材料、激光熔覆快速成形与制造技术等领域的研究现状.分析指出激光熔覆过程是一个多源耦合复杂信息作用下的加工过程,激光熔覆加工过程稳定性、多源耦合复杂信息的作用规律及决策机制、多源耦合复杂信息的获取处理、融合能力及小确定信息处理和激光熔覆多源耦合复杂信息优化控制以及激光熔覆加工质量的定量控制是今后的主要发展方向.     

激光熔覆工艺参数对金属成形效率和形状的影响

针对激光熔覆再制造装备零件的快速高效熔覆成形及其控形问题,采用1kW全固态激光器和铁基合金粉末进行了不同激光线能量和送粉量下单道熔覆对比实验,研究了激光功率、激光扫描速度和送粉量等主要工艺参数对熔覆线形状尺寸和金属成形效率的影响.结果表明:熔覆线的宽度是光斑直径、激光功率、激光扫描速度和送粉量的函数,随激光功率增加和激光扫描速度降低,熔宽增加;随送粉量增加熔高增大.成形效率随工艺参数变化具有复杂的变化趋势,随激光线能量增加和送粉量增加,成形效率一般增高.在合适的参数范围内,需要对工艺参数进行优化以获得较高的成形效率.     

激光-MIG复合焊背面熔宽的检测

对接焊中,背面熔宽最直接地反映了熔透状态.为获取CO2激光-MIG复合焊背面熔宽的信息,本文采用视觉传感器获得了熔池背面清晰的图像,并运用图像增强及边界追踪的算法提取了熔池边缘,通过多帧图像取平均值的方法确定了输出熔池宽度的最佳位置,从而成功确定了熔池的背面宽度.     

超高速激光熔覆头非稳态追踪粉末流场研究

超高速激光熔覆技术取代电镀铬,可解决电镀铬工艺重金属铬离子(Cr6+)重金属污染,被禁止或限制的工业应用问题。金属工件表面镀硬铬,集耐蚀性防护、装饰于一体,有着巨大的应用前景。 我国超高速激光熔覆技术的研发,主要侧重点在于设备集成与工艺实验研究,缺少熔覆过程仿真模型。本文以超高速激光熔覆环形熔覆头为研究对象,利用FLUENT建立了基于非稳态粒子追踪技术的CFD仿真模型,开发了一种针对环形熔覆头激光熔覆粉末流场模型。针对超高速激光熔覆工艺进行了实验与分析;建立了该过程的理论模型。通过仿真结果发现超高速激光熔覆环形熔覆头可以形成半径0.8mm的粉斑,熔覆头下方15～19mm空间内粉末浓度最高,并通过实验对比验证了模型的可行性。     

激光熔覆快速制造金属零件研究与发展

论述了激光快速直接制造的国内外研究和发展现状,介绍了激光快速制造金属零件的方法,重点说明了基于激光熔覆的快速制造技术和激光制造技术涉及的关键问题:精密高质量同轴送粉熔覆系统、激光熔覆的工艺优化与稳定性和激光熔覆过程的检测与闭环控制。展示了激光熔覆快速制造的典型金属零件和应用领域。提出了激光熔覆制造进一步研究的方向。     

铝合金的激光熔覆修复

通过对航空航天用超高强7050铝合金进行激光熔覆修复的实验研究,探讨了激光熔覆修复铝合金的可行性。实验采用5kWCO2连续激光器作为加热源,在惰性气体保护隔离箱中,对7050铝合金的板状试样进行了激光单道熔覆、多道搭接熔覆、多层堆积熔覆的实验研究。得到优化的激光熔覆工艺参数,制备了激光熔覆修复试样,并观察了不同激光熔覆区的微观组织以及拉伸断口形貌。实验结果表明,优化激光熔覆工艺参数是:激光功率密度为1.84×104～2.12×104W/cm2,扫描速度为5mm/s,送粉量为1.8～2.4g/min,搭接宽度为1.5mm。采用优化工艺参数熔覆,基底和熔覆区形成良好的冶金结合,熔覆后工件表面平整且基底没有变形。同时,采用干燥的氩气加强对激光熔池的保护可以有效消除铝合金激光熔覆中的缺陷。     

大功率碟片激光焊接状态多特征融合分析法

为了实现大功率激光焊接状态的实时检测,采用了基于传感器信号多特征融合进行焊缝成形预测的方法,以大功率碟片激光焊接304不锈钢为试验对象,应用分光仪获取焊接过程中的光谱分布,并用紫外波段和可见光波段高速摄像机采集金属蒸气视觉图像,对所提取的特征参量与焊接状态之间的关系进行了理论分析和实验验证。结果表明,通过建立后向传播神经网络焊缝成形预测模型,取得了熔宽和熔深的预测绝对误差平均值数据分别为0.18mm和0.72mm。该方法能够准确反映熔宽及熔深的状态变化,这一结果对大功率激光焊接状态在线监测是有帮助的。     

激光熔覆过程中熔池图像的实时检测

建立了基于CCD摄像机的激光熔覆过程检测系统，得到熔池的动态变化过程。从动态视频中读取每祯数字图像，获得稳定的熔池区图像。对熔池图像处理的算法进行研究，得到清晰准确的熔池形貌边缘;提取熔池中心，得到单道熔覆层熔池的相对高度变化，能够近似表征沉积表面的起伏。在图像采集卡与计算机图像处理单元互相通信和采集软件模块的基础上进行连续视频图像实时处理程序的开发，在0.2 s内完成对图像的采集处理工作，为获得精确的熔池位置偏差和激光熔覆过程控制提供了检测基础。     

激光熔覆工艺修复轧辊技术研究

近年来,激光表面处理技术在轧辊表面处理上应用广泛,文中以轧辊为主要对象,研究激光熔覆工艺在棒材轧辊表面的应用,并对激光熔覆工艺参数进行了讨论。针对激光修复轧辊加工过程中,熔覆质量难以控制的问题,采用改变激光功率、扫描速度、送粉率等激光熔覆工艺参数的方法,通过试验得出工艺参数在激光功率3.7 kW、扫描速度6 mm·s^-1、送粉量19 g·min^-1、搭接系数在40%时,激光的熔覆效果最好。对修复好的轧辊跟踪作业,单槽轧钢量较熔覆前提高了近1倍,经济效益可观。     

基于彩色CCD的激光熔覆熔池温度闭环控制研究

为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定,采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制,搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中,建立了灰度比值与K的对应关系,推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递,设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明,此系统能实时准确地测量并控制熔池温度,控制精度在3%以内;将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中,能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应;成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm,成形件各处显微组织差异较小,组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。     

激光沉积成形熔池尺寸分析与预测

激光沉积制造过程中,单道沉积宽度主要受激光熔池宽度的制约,稳定的熔池是保证成形精度的前提。为了建立工艺参数激光功率、扫描速度以及送粉速率与熔池尺寸之间的经验模型,采用非匀速段关光控制及卡尔曼滤波技术对采集的熔池测量数据进行去噪处理,以实现成形过程熔池宽度的精确检测,为熔池宽度预测精度提供了保证。基于正交试验建立了多元回归模型,其拟合优度可达94%,最大误差不超过4.5%。经单一变量试验方法验证,结果表明熔池宽度与激光功率呈正相关,与扫描速度呈负相关,实验结果与回归分析结果具有较好的一致性。     

高功率横流CO2激光熔池形成过程检测研究

检测激光熔池信息,研究其分布情况,对于控制激光熔池形貌,改进工艺设计,提高激光加工质量,具有重要意义.研制了一套激光熔池动态检测系统,实时检测了高功率横流CO2激光熔池的形成过程,并给出了其温度场分布情况.实验结果表明,刚开始形成的激光熔池由几个分熔池组成,经过一段时间后,形成一个完整的熔池.可通过调整能量密度较高的分光斑覆盖整个加工轨迹截面,优化加工速度和激光功率等参数,提高激光加工质量均匀性.     

加权融合鲁棒增量Kalman滤波器

在一定环境条件下,当系统的量测方程没有进行验证或校准时,使用该量测方程往往会产生未知的系统误差,从而导致较大的滤波误差。同样地,当系统的噪声方差不确定时,滤波的性能也将会变坏,甚至会引起滤波器发散。增量方程的引入可以有效消除系统的未知量测误差,从而带未知量测误差的欠观测系统的状态估计问题可以转换为增量系统的状态估计问题。该文考虑带未知量测误差和未知噪声方差的线性离散系统,首先提出一种基于增量方程的鲁棒增量Kalman滤波器。进而,基于线性最小方差最优融合准则,提出一种加权融合鲁棒增量Kalman滤波算法。仿真实例证明了所提算法的有效性和可行性。     

激光快速成形过程熔池行为的实时观察研究

通过建立近距离连续拍摄系统实现了对激光快速成形过程中熔池行为的实时观察,并采用图像分割算法获得了熔池侧视形态,结合熔覆试样的定量金相法获得的熔池前视形态,对熔池进行了定量表征。结果发现,熔池的长度和宽度与光束直径相当,熔池自由表面呈圆弧形并向外凸起,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间存在夹角,表明熔池向激光束轴线方向倾斜,而熔池在液态存在时间较短,例如光束直径为4mm,光束扫描速度为5mm/s时,熔池在液态存在时间小于1秒。激光熔覆区的高速摄影实验结果发现,随金属粉末的射入,熔池的几何尺寸逐渐减小,熔池后沿不断抬高,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由1度左右逐渐增大到25度左右,导致熔池中局部凝固条件发生改变,从而影响到局部熔覆层的微观组织。     

CO2激光熔凝中熔池冷却过程检测研究

为了研究激光熔凝温度场的分布,采用非接触式的直接检测方法,研制了一套新型激光熔池动态检测系统,实时拍摄了激光熔凝中熔池冷却过程热辐射图像,进行了理论分析和实验验证,取得了熔池冷却时非稳态温度场分布数据。结果表明,激光熔凝熔池冷却过程分为熔化凝固和固态降温两个过程,检测得到了熔化时间、凝固时间、熔池温度场分布、熔池尺寸等信息。这一结果对于激光熔凝工艺参数的优化选择设计是有帮助的。     

激光熔池动态过程检测研究

提出采用CCD相机结合数字图像处理技术检测监控激光熔池方案，建立了激光熔池动态过程检测系统，开发了激光熔池图像处理专用软件，进行了激光熔敷实验研究。结果表明，该技术可以检测激光熔池温度和几何尺寸，记录熔池动态变化过程。进一步发展，可成为激光加工在线检测过程的有用工具。     

基于理想弹道的全捷联弹药视线角估计方法

针对惯性测量元件不能满足低成本制导弹药作战需求问题,提出一种基于理想弹道的全捷联激光半主动末制导弹药视线角估计方法。该方法根据弹目相对运动模型及导引头量测模型建立非线性滤波系统;针对弹体运动参数在末制导段变化范围较小的特点,通过分析弹体运动参数对系统不确定性的影响,将理想弹道弹体运动参数标准值作为滤波系统参数;利用激光半主动导引头量测信息,结合容积卡尔曼滤波对弹目视线角进行估计。数字仿真实验结果表明:在小扰动条件下,弹目视线倾角与偏角末制导段的均方根误差分别为0.182与1.668,其最大估计误差分别为0.259与2.913,具有较好的估计精度与鲁棒性能。     

一种卡尔曼滤波与粒子滤波相结合的非线性滤波算法

提出一种基于卡尔曼滤波与粒子滤波的非线性滤波算法.这种方法对于状态变量服从线性变化而观测方程为非线性的动态系统模型具有显著的效果.首先使用粒子滤波对状态变量进行初估计,然后对估计结果进行卡尔曼滤波,另外推导出该系统模型下状态变量估计误差的克拉美劳下界.通过计算复杂度分析及仿真实验验证,表明新方法与标准粒子滤波算法复杂度相当,但参数估计精度要高于标准粒子滤波以及扩展卡尔曼滤波算法,估计误差甚至要低于系统模型的克拉美劳下界.     

激光近净成形中熔池宽度实时监控系统的研究

在激光近净成形过程中,为了快速有效地获取熔池区域信息并加以控制,文设计了CCD同轴拍摄系统获取熔池的双色图像,可以准确地获得熔池区域的图像信息,并利用最小外接矩形图像处理方法快速有效地获取熔池宽度,通过PID控制器调节激光功率加以控制。实验表明,基于双色图像的CCD同轴拍摄方法和熔池宽度闭环控制系统有效解决了激光往复扫描下薄壁工件的边缘凸起和上下宽度不均匀的问题。