[发明专利]一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法

说明书

本发明涉及激光增材制造和过程自动控制领域，特指一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：通过红外成像设备拍摄熔池动态形成过程，在PC端的采集控制软件中记录每帧的实时打印温度，绘制温度梯度反馈曲线，通过功率的自动调节改变温度的大小，利用PID算法反馈控制温度梯度变化于额定范围内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度的数据采集和梯度温度的在线PID调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量。

技术领域

本发明涉及激光增材制造和过程自动控制领域，特指一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法。利用PID算法反馈控制温度梯度变化于额定范围内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度的数据采集和梯度温度的在线PID调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量。

背景技术

激光熔覆技术以高能激光为能量源，利用激光喷头熔化金属粉末至熔池，从而实现零件的快速熔化和逐层堆积。激光熔覆技术采用逐层堆焊的方式制造出致密的金属构件，因其减少加工工序、缩短加工周期、快速制造精密零件等优点而广泛应用于航空航天、汽车船舶等领域。

熔池尺寸是影响工件成型质量的重要原因，而激光熔覆过程中熔池梯度温度的形成是影响熔池尺寸及稀释率的主要因素。温度梯度的形成导致表面张力梯度的产生，从而引发熔池内密度的变化。温度过高会使熔池呈小孔模式，温度过低会使熔池尺寸减小且降低孔隙率，熔池温度得不到有效控制会影响工件的成型质量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种调控激光熔覆过程中熔池温度梯度的方法，其特征在于：通过红外成像设备拍摄熔池动态形成过程，在PC端的采集控制软件中记录每帧的实时打印温度，绘制温度梯度反馈曲线，通过功率的自动调节改变温度的大小，利用PID算法反馈控制温度梯度变化于额定范围内，避免过大的温度梯度形成表面张力梯度从而引发熔池内密度的变化，影响熔池尺寸。通过熔池动态温度的数据采集和梯度温度的在线PID调控，保证了涂层与熔覆层的良好结合，减少缺陷的产生，提高成型质量。

本发明采用的技术方案，具体步骤如下：

(1)搭建同轴红外相机监测平台，将红外相机放置于激光打印头上方一侧，两者作同轴运动。红外相机的镜头对准工件放置平台，用于拍摄熔池动态图像。红外相机的接口由以太网接头、I/O接口，水冷接口和手动对焦机构接口组成。

(2)以太网接头连接路由器至PC端，手动对焦机构机械连接至对焦用红外灯，I/O接口连接红外相机接线盒，通过红外相机接线盒连接PC端的功率控制软件，水冷接口连接水冷回路。

(3)在PC端采集软件的显示窗口中初设激光熔覆设备的激光功率，熔池温度，熔道宽度、长度和熔道数，设置熔池温度与激光功率的关系式，增材制造过程中绘制实时温度曲线；在PC端功率控制软件中设置熔池温度阈值和PID参数，便于实时调节熔覆过程中的熔池温度在设定的范围内。

(4)在送粉器中装进待打印粉末，在激光熔覆设备的数控操作平台中设置工艺参数：送粉速度，扫描速度，搭接率和功率，等待工件打印。

(5)激光打印过程中通过采集软件实时记录工件的熔池动态图像、激光功率、熔道尺寸、熔池动态温度等信息，绘制以帧为横坐标，熔池实时动态温度为纵坐标的曲线。

(6)利用熔池温度与激光功率的关系式将激光功率转化为熔池动态温度，以红外相机拍摄下的熔池宽度为基准宽度，将实时记录的熔池尺寸与基准宽度的差值为偏差量，利用PID算法调节温度在标定温度内，当偏差量为正数时减小输入功率，降低温度，当偏差量为负数时增大输入功率，提升温度。

步骤(2)中水冷回路需满足条件:最大流体压力为2.8bar，最小流速为0.2L/min，水冷电路用于红外相机工作过程中的散热保护电路。