[发明专利]基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种材料表面处理技术领域的方法及其装置，具体是一种基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置。

背景技术

激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度激光束辐照使之与基材表面薄层一起快速熔凝，在基材表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层，从而显著改善基材表面的耐磨损、耐腐蚀、耐高温、抗氧化等服役性能的工艺方法。激光熔覆具有稀释度小、组织致密、熔覆层与基体冶金结合、适合熔覆材料多、热输入量小和基体变形小等特点；利用激光熔覆对材料表面进行改性或者对磨损表面进行修复，既满足了复杂工况对材料表面特定性能的要求，又节约了大量的贵重元素，应用前景十分广阔，正成为当前表面工程技术领域的再制造重要技术手段。激光熔覆过程中，为了保证基体和熔覆层的冶金结合，客观上要求必须有一定薄层的基材表面熔化，这必然造成熔覆层合金的稀释。稀释程度的大小直接影响熔覆层合金的化学成分、微观结构与服役性能；在保证基体和熔覆层达到冶金结合的前提下，尽可能降低稀释率从而最大限度发挥熔覆层合金的服役性能。因此，激光熔覆过程中，稀释率的控制是获得优良熔覆层的重要控制目标。

经对现有技术文献的检索发现，张庆茂等在《金属热处理》2001年第26卷第8期20-23页题为“宽带送粉激光熔覆稀释率的控制”的论文中述及一种激光熔覆稀释率的控制方法，通过激光功率、光斑尺寸、扫描速度、送粉速率等工艺参数相互匹配来达到稀释率的控制：在激光参数保持恒定的情况下，随着扫描速度和送粉速率的增加，激光透过粉末云入射基体表面的能量减小，基材表面熔化量减小，结果降低稀释率。这种激光熔覆稀释率控制方法的缺点在于，激光工艺参数多，需要通过相互匹配来达到控制稀释率，优化过程复杂；且为开环控制模式，不能避免工件状态变化等因素引起的控制失效。

经检索还发现，J.T.Hofman等在《Journal of Materials Processing Technology》(材料加工技术学报)2011年第211卷187-196页题为“FEM Modeling and experimental verification for dilute control in laser cladding”(激光熔覆稀释率控制的有限元模型与实验验证)的论文中述及一种稀释率的映射方法，发现稀释率与熔池宽度存在高度依存关系，以熔池宽度作为传感变量，从而达到稀释率的非破环检测；然而，论文中没有述及以熔池宽度为控制变量的激光熔覆稀释率的闭环控制方法，此外，采取一维尺寸的熔池宽度作为控制手段，在熔池倾向时熔池宽度计算会出现误差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法及其装置，使得用母材熔化的面积在激光熔覆涂层中所占的百分比在基板表面每一点相当，且激光熔覆时稀释率的调控变得简单、容易、可靠，而且避免了工件冷热状态差异等因素对稀释率的影响，使得基板表面熔覆涂层的各点的稀释率保持均匀一致。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于激光熔覆的稀释率均匀性控制方法，通过红外增强CCD摄像机拍摄熔覆过程中的熔池图像并转换为温度场图像后得到实际熔池尺寸数据，根据设定熔池尺寸与实际熔池尺寸的差值作为偏差信号，采用PID算法对激光功率进行反馈控制，通过对设定熔池大小的调整实现稀释率调控。

所述的PID算法是指：按设定熔池尺寸与实际熔池尺寸之间偏差信号的比例(P)、积分(I)和微分(D)三个环节的不同组合计算出对激光器输出功率的控制量。

所述的熔池图像是指激光熔覆过程中红外增强CCD摄像机拍摄的熔池灰度图像。

所述的温度场图像，控制模块按照灰度值与温度值的对应关系，将熔池图像中各像素点的灰度值转换成温度值，并用不同颜色标识不同温度，从而构造的彩色图像。

所述的实际熔池尺寸数据通过以下方式得到：将激光熔覆过程中的熔池图像转换成每一个像素点的亮度即代表温度高低的温度场图像，当像素点温度值超过涂层熔点的连续区域则判定为熔池区域，最后对熔池区域的像素点累积合并后获得实际熔池的尺寸大小。

所述的熔池区域，物理上指激光熔覆过程中熔化金属形成的连续区域，温度场图像中温度值超过涂层熔点的像素点所构成的连续区域。

所述的涂层熔点是指同涂层化学成分一样的合金熔化时的温度。