CN114535597A - 一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光熔覆质量监测领域，特指一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的装置和方法。本发明在激光熔覆过程中，利用同轴红外相机检测并获取垂直方向的熔池图像，经图像处理后获得熔池宽度数值。将检测的实时熔宽与基准值熔宽的差值作为PID控制器的输入变量，通过比例、微分、积分三控制分量联合调控激光功率，进而反馈到激光定向能量沉积***；该方法通过改善热梯度来加速晶粒等轴化，有效抑制熔池宽度的增长与热效应的累积，可以显著改善工件塌边问题，提高熔覆质量与材料性能，延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及激光熔覆质量监测领域，特指一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的装置和方法。利用红外相机实时监测与PID算法闭环控制的方法调节激光功率，改善熔池热累积效应和工件塌边问题，提高熔覆质量与材料性能。
背景技术
激光定向能量沉积技术是于20世纪80年代中期发展起来的一门新兴加工技术,采用逐层堆焊的方式制造出致密的金属构件，因能快速精确地制造出形状复杂的结构件、制造成本低廉、成形效率高等突出特点,在大尺寸、复杂零件的快速成形技术中表现出明显的优势,在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。
高能激光照射在基板上，熔化基体表面和粉末在基体上形成熔池。熔池的内部存在着热量的交换、形态的变化。其特点是温度高、亮度高、尺寸小、变化速度快。熔池的形成有助于确定凝固微观结构中的晶粒生长，是决定涂层表面质量的主要因素之一，所以对熔池状态的监测至关重要。其中，熔池宽度是反映熔池状态的重要因素。受熔池累积热效应的影响，在实际熔覆过程中工件往往出现塌边现象，严重影响工件的表面质量与力学性能。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的方法，其特征在于：在激光熔覆过程中，利用同轴红外相机检测并获取垂直方向的熔池图像，经图像处理后获得熔池宽度数值。将检测的实时熔宽与基准值熔宽的差值作为PID控制器的输入变量，通过比例、微分、积分三控制分量联合调控激光功率，进而反馈到激光定向能量沉积***；该方法通过改善热梯度来加速晶粒等轴化，有效抑制熔池宽度的增长与热效应的累积，可以显著改善工件塌边问题，提高熔覆质量与材料性能，延长使用寿命。
本发明装置由以下部分组成：
(一)激光定向能量沉积***：激光定向能量沉积***由激光源、水冷保护器、数控平台、送粉器、保护气瓶、激光加工头、运动机构组成。通过运动机构将激光加工头连接到数控平台，由数控平台设置参数使激光加工头作XYZ三轴多向运动，激光加工头集成了送粉通路、送气通路、光路和水冷通路。高能激光在激光源里产生，再从激光加工头喷嘴的出光孔射出，然后在基板平面上聚焦。送粉器、保护气瓶、水冷保护器都通过电气连接到数控平台。
(二)熔宽在线监测***：红外相机机体设置有以太网接头、IO接口、SD存储卡盖、水冷接口、LED示警灯、对焦机构光学装置和头部连接。带有多IO口线缆的红外相机接线盒通过电气连接至电源，将红外相机通过其头部连接同轴装在激光加工头上。通过水冷接口连接到水冷保护器，使用以太网交换机通过以太网接头连接到PC端。
(三)数据采集与图像处理***：在PC端利用Labview集成了数据采集与图像处理***，实现熔宽和功率在线监测。设置有激光控制方式、基准轨道参数、初始功率设置、过程功率限值、像素比、PID参数设置、实时熔宽曲线窗口、实时功率曲线、相机状态、激光状态的显示窗口。PC端通过USB接口连接红外相机接线盒。
本发明采用的技术方法，包括如下步骤：
(1)在激光定向能量沉积***的数控平台设置扫描速度，光斑直径、送粉速度工艺参数，将激光加工头调至加工平台上方合适高度，打开送粉通路和送气通路，在PC端的数据采集与图像处理***设置初始激光功率和激光控制方式，开始打印；
(2)设置PC端集成平台的激光控制方式为手动，即没有PID算法控制下的传统沉积模式，通过数据采集与图像处理***记录传统模式下的实时熔宽数值和功率曲线；
(3)设置PC端集成平台的激光控制方式为自动，即利用PID算法进行闭环控制的控制模式。在沉积n道前和沉积n道后分别定义不同的基准值熔宽。
在沉积第1道至第n道时，设置传统模式下检测到的首个熔池宽度为基准值熔宽，将检测的实时熔宽Wr(k)与基准值熔宽Wi(k)的差值e(k)作为PID控制器的输入变量:
e(k)＝Wi(k)-Wr(k)；
其中，Wi(k)为基准值熔宽，Wr(k)为实时熔宽，e(k)为基准值熔宽与实时熔宽的差值。
在沉积第n+1道时，对前n道沉积层的熔宽进行均值计算，将求得的平均熔宽作为新的基准值熔宽。
f(k)＝Wn(k)-Wr(k)；
其中，Wn(k)为第n道沉积结束后新的基准值熔宽，n为沉积的道数，Wa(k)为每道的平均熔宽，f(k)为第n道沉积结束后熔宽新的基准值与实时熔宽的差值。
(4)将基准值熔宽和实时熔宽的差值作为PID控制器的输入，通过比例KP、积分KI、微分KD三控制分量联合调控激光功率。在沉积n道前的功率变化值设定为：
闭环控制后的激光功率为：
在沉积n道后的功率变化值设定为：
闭环控制后的激光功率为：
其中，Kp为比例控制分量，TI为积分控制分量中的积分常数，TD为微分控制分量中的微分常数。
设置实时熔宽相对基准值熔宽的变化量为σ：
σ为实时熔池宽度相对基准值熔宽的变化量，当实时熔池宽度相对基准值的变化量σ控制在±3％时视为达到控制要求。
(5)基于上述算法公式，通过数据采集与图像处理***记录控制模式下的实时熔宽数值和功率曲线。经过比较发现，在控制模式下熔宽的变化量σ能很好地控制在±3％，沉积的试样塌边情况得到明显改善。
本发明的有益效果：本发明装置和方法利用PID算法闭环控制激光熔率输入，显著抑制了热效应的累积与熔池宽度的持续增长，有效改善工件塌边问题。通过改善热梯度加速晶粒等轴化，不仅提高熔覆质量与材料性能，还可延长使用寿命。
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。
表1为两种模式下抗拉强度和摩擦系数对比。
图1为闭环控制激光功率沉积制造***。
图2为传统模式下激光功率与熔池宽度曲线图。
图3为控制模式下激光功率与熔池宽度曲线图。
图4为传统模式与控制模式下打印工件侧边金相图。
图5为传统模式与控制模式下微观组织图。
上述图中：1：PC端；2：送粉器；3:激光加工头；4：红外相机；5：运动机构；6：工件；7：熔池；8：加工平台；9：保护气瓶；10：水冷保护器；11：激光源；12：数控平台。
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×10mm规格的45钢基板，熔覆层粉末选择粒径50-150μm的镍铬合金(成分:铬16-18wt％,镍12-13wt％,钼2-3wt％,硅0.8wt％,锰0.2wt％,碳0.03wt％,磷0.03wt％,硫0.03wt％,氧0.03wt％,铁65-69wt％)。实施例在南京中科煜宸激光技术有限公司进行实验，选择型号为RC-LWD-6000的大功率激光能量定向沉积设备，红外相机型号为CLAMAR。
首先搭建闭环控制激光功率激光定向沉积平台，该平台由激光定向能量沉积***、熔宽在线监测***和数据采集与图像处理***组成。
(一)激光定向能量沉积***：激光定向能量沉积***由送粉器2、激光加工头3、运动机构5、保护气瓶9、激光源11、水冷保护器10、数控平台12组成。通过运动机构5将激光加工头3连接到数控平台12，可以由数控平台12设置参数使激光加工头3作XYZ三轴多向运动，激光加工头3集成了送粉通路、送气通路、光路和水冷通路。高能激光在激光源里产生，通过光纤传送到发生器，在发生器内经过组合光镜聚焦后，激光从激光加工头3的喷嘴的出光孔射出，然后在基板平面上聚焦。送粉器2、保护气瓶9、水冷保护器10都通过电气连接到数控平台12。
(二)熔宽在线监测***：红外相机4机体设置有以太网接头、IO接口、SD存储卡盖、水冷接口、LED示警灯、对焦机构光学装置和头部连接。带有多IO口线缆的红外相机接线盒通过电气连接至电源，将红外相机4通过其头部连接同轴装在激光加工头3上。通过水冷接口连接到水冷保护器10，使用以太网交换机通过以太网接头连接到PC端1。
(三)数据采集与图像处理***：在PC端1利用Labview集成了数据采集与图像处理***，实现熔宽和功率在线监测。设置有激光控制方式、基准轨道参数、初始功率设置、过程功率限值、像素比、PID参数设置、实时熔宽曲线窗口、实时功率曲线、相机状态、激光状态的显示窗口。PC端1通过USB接口连接红外相机接线盒。
闭环控制激光功率激光定向沉积平台搭建后进行传统模式下的定向能量沉积实验。设置激光工艺参数：扫描速度为10mm/s，送粉速度为72g/min,光斑直径为4mm，搭接率为50％，初始激光功率为2000W。用水平仪检查基板平整度，打开送粉通路和送气通路，检查粉末流畅度和保护气余量。
实施例1
在PC端的软件控制集成平台设置激光控制方式为手动，点击记录按钮，定向能量沉积设备开始工作。在沉积制造的同时监测测实时熔宽曲线和功率，绘制的曲线如图2所示。
实施例2
在PC端的软件控制集成平台设置激光控制方式为自动、基准轨道参数为3、初始功率设置为2000W、过程功率限值为最大值5000W，最小值500W、像素比0.333、阈值为1025，PID参数设置为KP：200,KI：500,KD：100，相机状态：连接，激光状态：开，单层沉积的道数为12，设置控制算法的自动学习数n为3。
在沉积第1道至第3道时，设置传统模式下检测到的首个熔池宽度为基准值熔宽，将检测的实时熔宽Wr(k)与基准值熔宽Wi(k)的差值e(k)作为PID控制器的输入变量:
e(k)＝Wi(k)-Wr(k)；
其中，Wi(k)为基准值熔宽，Wr(k)为实时熔宽，e(k)为基准值熔宽与实时熔宽的差值。
在沉积第4道时，对前3道沉积层的熔宽进行均值计算，将求得的平均熔宽作为新的基准值熔宽。
f(k)＝W3(k)-Wr(k)；
其中，W3(k)为第3道沉积结束后新的基准值熔宽，3为沉积的道数，Wa(k)为每道的平均熔宽，f(k)为第3道沉积结束后熔宽新的基准值与实时熔宽的差值。
将基准值熔宽和实时熔宽的差值作为PID控制器的输入，通过比例KP、积分KI、微分KD三控制分量联合调控激光功率。在沉积3道前的功率变化值设定为：
闭环控制后的激光功率为：
在沉积3道后的功率变化值设定为：
闭环控制后的激光功率为：
其中，Kp为比例控制分量，TI为积分控制分量中的积分常数，TD为微分控制分量中的微分常数。
设置实时熔宽相对基准值熔宽的变化量为σ：
σ为实时熔池宽度相对基准值熔宽的变化量，当实时熔池宽度相对基准值的变化量σ控制在±3％时视为达到控制要求。
通过数据采集与图像处理***记录控制模式下的实时熔宽数值和功率曲线。经过比较发现，在控制模式下熔宽的变化量σ能很好地控制在±3％，沉积的试样塌边情况得到明显改善。
点击记录按钮，定向能量沉积设备开始工作。在沉积制造的同时监测实时熔宽曲线和激光功率曲线，绘制的曲线如图3所示，当实时熔宽相对基准值熔宽的变化量σ控制在±3％时视为达到控制要求。对两种模式下成型后的工件进行拉伸试验和磨损试验。
从图2、图3的两种模式下的熔池宽度和激光功率曲线对比可以看出，传统模式下以恒定的2000W沉积，由于缓慢的冷却速度导致的热累积效应，在沉积过程中熔宽从2.26毫米逐渐增加到2.6毫米。由图4的第一个壁形工件剖面图a可以看出，在成型两侧出现显著的坍塌现象。控制模式下，设备以动态降低的功率进行沉积制造，在算法自主学习的前3道中，激光功率保持2000W不变，沉积第4道开始，功率从2000W缓慢降低到～1880W，最终熔池的宽度整体基本稳定在2.26毫米。由图4的第二个壁形工件剖面图b可以看出，成型件两侧坍塌现象得到了显著改善。图5的微观组织比较图也可以看出，图5b控制模式下的晶粒尺寸比图5a传统模式下的晶粒尺寸小。通过闭环控制热输入，可以显著改善热梯度，从而细化晶粒，加速等轴晶的形成。
表1是两种模式下的抗拉强度和磨损系数对比。可以看出，控制模式下的抗拉强度相对传统模式得到了显著的提升，最高提升了64.2％。控制模式下摩擦系数和磨损量也明显降低，代表耐磨性能的提升。结合工件成形情况和拉伸性能与磨损性能的实验结果，利用PID算法闭环控制激光功率可以有效改善工件成型质量，提高力学性能。
表1
| 序号 | 抗拉强度/MPa | 摩擦系数 | 磨损量/g |
| 1-1(实施例1) | 670 | 0.60 | 2.0 |
| 1-2(实施例1) | 710 | 0.58 | 1.8 |
| 1-3(实施例1) | 685 | 0.60 | 2.0 |
| 2-1(实施例2) | 1070 | 0.48 | 0.9 |
| 2-2(实施例2) | 1056 | 0.45 | 0.8 |
| 2-3(实施例2) | 1100 | 0.45 | 0.8 |
Claims (5)
1.一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的装置，所述装置包括激光定向能量沉积***，其特征在于，所述装置还包括熔宽在线监测***和数据采集与图像处理***，熔宽在线监测***包括红外相机，红外相机机体设置有以太网接头、IO接口、SD存储卡盖、水冷接口、LED示警灯、对焦机构光学装置和头部连接；带有多IO口线缆的红外相机接线盒通过电气连接至电源，将红外相机通过其头部连接同轴装在激光加工头上，通过水冷接口连接到水冷保护器，使用以太网交换机通过以太网接头连接到PC端；数据采集与图像处理***包括PC端，在PC端利用Labview集成了数据采集与图像处理***，实现熔宽和功率在线监测，设置有激光控制方式、基准轨道参数、初始功率设置、过程功率限值、像素比、PID参数设置、实时熔宽曲线窗口、实时功率曲线、相机状态、激光状态的显示窗口，PC端通过USB接口连接红外相机接线盒。
2.如权利要求1所述的一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的装置，其特征在于，所述激光定向能量沉积***由激光源、水冷保护器、数控平台、送粉器、保护气瓶、激光加工头、运动机构组成；通过运动机构将激光加工头连接到数控平台，由数控平台设置参数使激光加工头作XYZ三轴多向运动，激光加工头集成了送粉通路、送气通路、光路和水冷通路；高能激光在激光源里产生，再从激光加工头喷嘴的出光孔射出，然后在基板平面上聚焦；送粉器、保护气瓶、水冷保护器都通过电气连接到数控平台。
3.一种闭环控制激光功率改善工件塌边问题的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在激光定向能量沉积***的数控平台设置扫描速度，光斑直径、送粉速度工艺参数，将激光加工头调至加工平台上方合适高度，打开送粉通路和送气通路，在PC端的数据采集与图像处理***设置初始激光功率和激光控制方式，开始打印；
(2)设置PC端集成平台的激光控制方式为手动，即没有PID算法控制下的传统沉积模式，通过数据采集与图像处理***记录传统模式下的实时熔宽数值和功率曲线；
(3)设置PC端集成平台的激光控制方式为自动，即利用PID算法进行闭环控制的控制模式，在沉积n道前和沉积n道后分别定义不同的基准值熔宽；
(4)将基准值熔宽和实时熔宽的差值作为PID控制器的输入，通过比例KP、积分KI、微分KD三控制分量联合调控激光功率，在沉积n道前的功率变化值设定为：
闭环控制后的激光功率为：
在沉积n道后的功率变化值设定为：
闭环控制后的激光功率为：
其中，Kp为比例控制分量，TI为积分控制分量中的积分常数，TD为微分控制分量中的微分常数；
设置实时熔宽相对基准值熔宽的变化量为σ：
σ为实时熔池宽度相对基准值熔宽的变化量，当实时熔池宽度相对基准值的变化量σ控制在±3％时视为达到控制要求。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，沉积n道前和沉积n道后分别定义不同的基准值熔宽的具体步骤为：
在沉积第1道至第n道时，设置传统模式下检测到的首个熔池宽度为基准值熔宽，将检测的实时熔宽Wr(k)与基准值熔宽Wi(k)的差值e(k)作为PID控制器的输入变量:
e(k)＝Wi(k)-Wr(k)；
其中，Wi(k)为基准值熔宽，Wr(k)为实时熔宽，e(k)为基准值熔宽与实时熔宽的差值；
在沉积第n+1道时，对前n道沉积层的熔宽进行均值计算，将求得的平均熔宽作为新的基准值熔宽；
f(k)＝Wn(k)-Wr(k)；
其中，Wn(k)为第n道沉积结束后新的基准值熔宽，n为沉积的道数，Wa(k)为每道的平均熔宽，f(k)为第n道沉积结束后熔宽新的基准值与实时熔宽的差值。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，n的取值范围为单层沉积总道数的四分之一至三分之一。
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