激光熔覆熔池温度闭环控制研究

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随着制造业的快速发展,激光熔覆成形技术在增材制造领域所占的比重越来越大。对激光加工过程中的主要工艺参数进行闭环控制,提高加工过程的智能化水平,是提高并稳定激光加工质量,推进此技术产业化进程的重要环节。本文研究目的是在对现有激光加工制造系统激光器功率控制方式的基础上,加入红外测温仪,实现对激光熔覆过程熔池温度这一影响参数的闭环控制,解决以往熔覆过程由于热效应累积造成成形件堆积质量不高的问题。对于激光熔覆成形过程熔池温度的闭环控制,目前国内外学者采用的方法是,利用非接触式传感器CCD实时监测激光熔池,熔池的热辐射图像特征反映熔池表面的温度变化,通过温度的反馈来调整激光功率的输出,最终达到温度闭环控制的目的。通过实验他们指出,CCD相机是获取激光熔覆成形过程中复杂信息最有效的工具,但数字图像处理耗费时间,限制了熔覆过程中的激光扫描速度。D.M.Hu利用加载红外滤光片的CCD相机获取熔池的红外图像。为了熔池尺寸达到预设值,设计了简单的PID控制器。加入控制器后堆积的薄壁墙表明系统可有效地消除几何尺寸变化。Toyserkani和Khajepour利用加载光学带通滤光片的CCD传感器监测熔覆过程。对捕获的图像应用一种模式识别算法获得熔覆高度和固液界面。利用含有带通滤波的PID控制器调整激光功率输入,提高了熔覆过程的几何尺寸特征。激光熔覆是一个多参数共同作用的复杂物理冶金过程,参数对环境变化较为敏感且相互影响,而反馈控制对保持熔覆过程的稳定性尤为重要。本文基于普朗克辐射定律和比色测温原理,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。对比色测温波长选择进行了分析研究,在镜头前加载窄带滤光片和中性衰减片,扩大了可供温度标定的范围。将发射率ε归结到待定系数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,加入了调整功率输出的堆积成形实验。实验结果表明,利用温度控制方案能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应。
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