激光熔覆成形中熔池表面温度场的检测与研究

针对激光熔覆成形中熔池表面温度场难以测量的问题,搭建了彩色CCD同轴测温系统。通过优化实验参数,该测温平台可获得清晰、稳定的熔池表面图像,对所拍图像进行处理和计算,可以得到熔池表面的温度场。为了验证得到的温度场是否准确,搭建了红外测温系统,通过对熔池表面不同区域进行测温,得到了与CCD测量结果基本吻合的熔池表面温度分布。两种不同的测温方式得到一致的温度场,说明此测温平台是实用、可靠的,为通过实时检测熔池表面温度进而控制熔覆成形系统打下基础。     

镍硅硼合金粉末激光熔覆中熔池光谱检测分析

为了研究激光熔覆过程中激光熔池的光谱辐射特性,采用光栅光谱检测技术检测镍硅硼合金粉末熔覆过程中熔池光谱,得到不同功率、速度及时间下的光谱分布。结果表明:激光功率900 W时波长550nm处熔池光谱相对强度最高为500,功率增加到1000 W时,光谱相对强度增加为600;激光功率保持不变时,光谱辐射相对强度随扫描速度增加而减小,随熔覆过程时间增加而增加,但在15s后,基本达到稳定状态。激光熔覆过程中熔池光谱波动与熔覆层质量存在一定的关系,试验中发现,功率为900 W,扫描速度2mm/s时,熔覆层质量较好,试样基体变形较小,熔池光谱相对强度波动也较小。     

激光熔覆熔池温度监测与控制系统的研究现状北大核心CSCD

激光熔覆是一种新兴的材料表面技术,近年来得到了快速发展。激光熔覆层的质量受熔覆过程中多种因素的影响,其中熔池温度是一个非常关键的因素,激光熔覆熔池温度的监测与控制系统的研究对提高熔覆层质量具有重大意义。介绍了激光熔覆熔池温度的检测方法,综述了目前激光熔覆熔池温度控制系统的研究现状,并列举了部分温度控制系统。根据目前国内外的发展现状提出了熔池温度监测与控制系统的发展方向。     

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。     

激光熔覆立铣刀的制造研究

采用同步送粉激光熔覆方法，在45#钢立铣刀坯材的刃带部位，熔覆一层钴基自熔合金作为立铣刀的加工刃。研究了激光熔覆工艺参数对激光熔覆层形状和开裂的影响，结果表明，熔层宽度的关键因素是激光的有效光斑尺寸，它是由激光功率密度与熔覆速度决定的；熔层高度的关键因素是粉末的线送粉速率，它是由送粉器的送粉速率与熔覆速度的比值决定的；提高激光功率可显著降低熔层开裂倾向。同时，薄的熔层形状可以降低熔层开裂的倾向。进行了激光熔覆立铣刀工装设备．和工艺研究；采用优化工艺，在45#钢铣刀坯材上熔覆成功无裂纹，成型良好、硬度分布满足使用要求的功能层；通过了国标GB／T122．4．3-90规定的立铣刀切削性能试验。以激光熔覆新工艺完成了立铣刀的制造。     

激光熔覆梯度生物陶瓷涂层的研究

钛合金表面涂覆羟基磷灰石 (HA)用作硬组织植入体 ,既有优良的力学性能 ,又有优良的生物相容性 ,是材料学和生物医学中的研究热点。基于CaCO3 +CaHPO3 ·2H2 O在高温下能反应生成羟基磷灰石 ,以及激光熔覆技术能够制备与基体材料结合良好的陶瓷涂层的事实 ,尝试了利用激光处理在钛合金表面同步合成与熔覆羟基磷灰石生物陶瓷涂层的新技术。实验表明 ,以 80CaCO3 2 0CaHPO3 ·2H2 O ,另加 1%Y2 O3 为原料 ,在功率密度 13～ 15W/mm2 ,扫描速度 6 30mm/min的处理条件下 ,在TC4钛合金表面成功地制备出以羟基磷灰石为主的、具有梯度特征的生物陶瓷涂层。该涂层由表及里钙含量逐渐减少 ,钛、钇递增 ,磷则是先增加后减少 ;致密度由表及里呈现出逐步提高的特征 ;显微硬度则逐渐降低     

反应放热激光熔覆过程中的熔池状态分析

对激光熔覆涂层过程中,激光能量问题以及动态熔池的对流变化和温度场分布进行了分析,重点研究了反应放热激光熔覆的熔池特点.普通激光熔覆由于存在激光能量问题,不易得到较厚涂层.反应放热制备激光涂层时,材料在熔池中发生反应,放出大量热量,可以补充所需的能量,有利于熔化较厚的预涂层.并且,反应放热生成的增强相性能优良,是进行激光熔覆涂层的优选方法.在钛合金表面上,通过NiCrBSi和NiCrBSi+5wt.%B4C两种材料体系的激光熔覆试验,验证了反应放热制备激光涂层的优越性.     

基于神经网络的宽带激光熔覆熔池特征参数预测

为了实现宽带激光熔覆熔池特征的准确预测,从 而对激光熔覆工艺过程进行实时监测、评价及反馈 控制。通过宽带激光熔覆全因素工艺试验采集熔池特征参数样本数据,采用遗传算法优化BP 神经网络的 初始权值和初始阈值,建立激光熔覆工艺参数(激光功率、粉末厚度、扫描速度)与熔池特 征参数之间的 BP神经网络预测模型。利用训练集数据对所建立的神经网络进行训练,形成输入与输出之间 的映射关系, 并利用测试集数据对网络进行测试。试验结果表明,宽带激光熔覆熔池特征参数神经网络预 测模型具有很 高的精度。该神经网络预测模型对激光熔覆过程监测及熔覆层质量控制具有重要意义。     

基于深度学习的激光熔覆熔池形貌提取方法研究

激光熔覆技术是先进制造的重要发展方向。随着科技和工业的高速发展,人们对熔覆层的质量要求越来越高,熔池作为激光熔覆过程中一个重要的检测对象,其特征直接决定着熔覆层的好坏。目前熔池形貌的提取都是基于传统的图像分割实现的,遇到特征不明显的熔池时,传统图像分割表现不佳,影响后续实验结果。为此,开发一种基于语义分割网络的熔池形貌提取方法,用语义分割网络替代传统图像分割,结合机器语言实现熔池形貌的高精度提取,并用实验验证证明方法的可行性,为后续熔池的检测与分析打下坚实基础。     

激光熔池CCD测温系统的软件设计研究

研制了一套激光熔池CCD测温系统专用软件,用于激光熔池温度场分析。在熔池斜上方固定安装激光熔池CCD测温装置,拍摄激光熔池,CCD经过光电转换产生代表熔池辐照度信息的信号,经过图像卡采集后,采用专用软件处理,就可以通过计算机显示熔池热辐射过程图像,并得到熔池温度场分布。结果表明,该软件界面简洁、操作简单,能够给出激光熔池温度场分布、尺寸、加工工艺等信息,进一步发展,可用于激光加工的在线监控和反馈控制。     

数字图像处理在激光再造熔池温度场检测中的应用

为了更好的研究激光与材料表面的相互作用,采用非接触式测温方法对激光再制造熔池温度场进行了检测。利用CCD对激光熔池进行拍摄,通过数字图像处理技术对拍摄图片进行处理,经过温度标定后便可以得到激光熔池温度场的分布情况。结果表明结合数字图像处理的温度场检测技术可以表征激光熔池温度场的分布规律。     

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。     

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.     

激光制造中金属熔池光谱检测系统设计及波长校准

针对激光制造过程中的高温金属熔池光谱特征分析,提出采用CCD光栅检测光谱技术检测其分布.检测了钨灯、钠灯、氘灯和汞灯的光谱曲线,得到了其在对应特征波长处光强随波长的分布,根据检测结果对系统进行了波长校准.结果表明,系统有比较高的波长准确度,对连续光谱、线光谱均能实现较稳定的检测.结合激光制造的实际情况,避开强激光反射的影响,该系统将能用于激光制造过程中的熔池光谱检测,为进一步分析激光熔池动态信息提供新的技术手段.     

基于数字信号处理器的图像处理系统在激光熔池温度场检测中的应用

激光制造中熔池温度场的检测具有重要的实用价值,温度场是激光加工中重要的技术参量,它直接影响加工质量.研究其分布情况,对于控制激光熔池形貌、改进工艺设计、提高激光加工精度和质量,都具有重要意义.提出了基于数字信号处理器(DSP)图像处理方法,对激光熔池温度场进行检测.采用DSP对图像进行实时处理,处理过程脱离PC机,简便、高效.结果表明,采用该图像处理方法可以得到与激光加工工艺参数相关的激光熔池形貌尺寸、激光熔池温度场二维数值分布等信息.进一步发展,可用于激光加工的在线监控和反馈控制.     

激光表面快速熔凝过程中熔区组织重构

利用晶体生长的最小过冷度判据,对单晶合金激光重熔区组织的生长速度进行了分析,建立了枝晶尖端生长速度与激光束扫描速度和固液界面前进速度的关系.根据此分析对熔池进行了重构和预测,发现激光熔池中枝晶组织的生长方向强烈地受基材晶粒取向和激光束扫描方向的影响.枝晶生长条件下,择优取向对枝晶生长方向的影响要较热流的影响大.理论预测与实验结果相吻合.     

激光熔覆中同轴粉末流温度场的CCD检测

在激光同轴送粉中,存在激光能量的吸收和衰减过程.利用Beer-Lambert定律,建立了同轴送粉中气粉两相流的温度场理论计算模型.依据所建立模型数值模拟研究了激光熔覆中的各种参数对温度场变化的影响,如激光功率、送粉量和送气量等.为验证计算模型的有效性,采用CCD实验测量粉末流温度值,从粉末流温度场分布图中可以看到,实验结果与理论计算结果十分接近.研究粉末流温度场分布情况对提高激光熔覆质量有很大帮助.     

氧 碘化学激光辐照纯铝的温度场数值模拟

氧碘化学激光(COIL)(波长1.315μm)辐照纯铝表面,激光束斑直径为6 mm,功率密度为10～20 kw/cm2,材料表面在激光能量作用下瞬间发生熔化.以傅里叶热传导模型为基础,利用ANSYS对化学激光与铝相互作用的过程进行模拟,得到了熔池的形貌特征及相关的温度时间关系曲线.对不同功率密度激光作用的模拟结果进行分析,并求解了纯铝熔化破坏的激光功率阈值.     

连续移动三维瞬态激光熔池温度场数值模拟

详细介绍了在ANSYS软件平台上,建立连续移动三维瞬态激光熔池温度场计算模型的方法,计算模型中考虑了材料表面温度对激光吸收率的影响及材料相变过程对激光熔池温度场的影响。系统分析了连续移动三维激光熔池温度场随时间的变化规律。通过该计算模型,可以掌握激光加工过程中连续移动激光熔池的加热和冷却规律。计算结果表明,当激光沿45#钢基板表面由一端向另一端沿直线扫描时,由于热传导的作用,激光熔池温度随时间增加而升高,同时连续移动熔池表面温度最高点不在激光束中心,而是稍稍偏后于激光束中心。在相同激光工艺参数下,计算熔池横截面尺寸与实验所测熔池横截面尺寸相吻合,表明所建立的连续移动熔池温度场计算模型是正确和可靠的。