一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线及其建模方法与流程

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线及其建模方法。

背景技术：

激光熔覆是利用高能激光束在金属工件表面扫描，使熔覆层材料与基体表面薄层同时发生熔化，并快速凝固后形成冶金结合良好涂层的一种材料表面工程工艺。与传统表面处理工艺相比，激光熔覆具有热影响区小、熔覆层稀释率低和区域可控等诸多优点。目前，宽带激光因其光束能量高、作用范围大的特点，能有效减少熔覆层搭接次数，提高激光熔覆修复效率，在航空航天、石油化工、汽车制造等领域的大型关键零部件再制造修复方面有着广泛的应用前景。

宽带激光熔覆中工艺参数的设定将直接影响熔池的几何形貌，而激光熔池的几何形貌能够在一定程度上反应熔覆层质量，因此准确、可靠地描述熔池的几何形貌对工艺参数调节及熔覆件质量控制具有重要的意义。目前，熔池形状信息的表征主要采用熔池长度、宽度和熔池区域面积，利用这些信息能够在一定程度上描述熔池状态，从而实现激光熔覆自动化控制，但是熔池长度、宽度和面积并不能唯一确定熔池的几何形状，因此亟需通过工艺试验建立熔池关键几何参数与轮廓曲线之间的关系，构建熔池轮廓曲线表达式，为激光熔覆熔池几何形状描述与工艺过程监控提供技术支持。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线及其建模方法，该曲线是通过宽带激光熔覆工艺试验的熔池形状检测结果总结得到的，该熔池轮廓曲线的建模方法准确性高，采用简单而有效的熔池几何参数描述熔池形状信息，为宽带激光熔覆工艺过程监控及熔覆层质量控制提供理论依据和数据参考。

本发明所采用的技术方案是：

一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线，在宽带激光熔覆表面且与激光发射方向垂直的平面上，熔池轮廓曲线方程为：

其中，xoy坐标系是以熔池前沿中点为原点o、熔覆扫描方向为x轴负方向建立的笛卡尔坐标系，y是熔池轮廓曲线在xoy坐标系中的纵坐标、x是横坐标、wm是熔池中心宽度、w0是熔池边缘宽度、lm是熔覆方向上熔池总长度；

熔池宽度最大值出现在轮廓曲线一阶导数为0处且最大值等于熔池中心宽度，对熔池轮廓曲线方程计算一阶导数，i、j取值与lm、l0相关且相互间存在等量关系，

其中，l0是熔覆方向上熔池中心到凝固边缘的距离。

一种建立上述宽带激光熔池轮廓曲线的建模方法，包括以下步骤：

s1、根据工艺条件选择工艺参数进行宽带激光熔覆中心复合设计试验，采用由ccd/cmos、滤光系统组成的熔池检测系统实时采集试验熔池图像；

s2、裁剪试验熔池图像并进行预处理，通过图像测量熔池几何尺寸，几何尺寸包括熔池中心宽度、熔池边缘宽度、熔覆方向上熔池总长度和熔池中心到凝固边缘的距离；

s3、推导宽带激光熔覆熔池轮廓曲线方程，方程如下，

其中，xoy坐标系是以熔池前沿中点为原点o、熔覆扫描方向为x轴负方向建立的笛卡尔坐标系，y是熔池轮廓曲线在xoy坐标系中的纵坐标、x是横坐标、wm是熔池中心宽度、w0是熔池边缘宽度、lm是熔覆方向上熔池总长度、l0是熔覆方向上熔池中心到凝固边缘的距离，熔池宽度最大值出现在轮廓曲线一阶导数为0处且最大值等于熔池中心宽度，对熔池轮廓曲线方程计算一阶导数，i，j取值与lm、l0相关且相互间存在等量关系，

s4、验证宽带激光熔覆熔池轮廓曲线方程，在工艺参数范围内随机选取一组工艺参数进行宽带激光熔覆试验，将获得的熔池几何参数代入熔池轮廓曲线方程，对比熔池轮廓曲线与图像实际熔池边缘的误差，验证曲线方程的准确性。

进一步地，工艺参数包括激光功率p、粉末层厚度t或送粉速率vp、扫描速度v。

进一步地，预处理包括图像灰度化和滤波降噪。

本发明的有益效果是：

该熔池轮廓曲线是通过宽带激光熔覆工艺试验的熔池形状检测结果总结得到的，与已有的利用熔池长度、宽度和面积等信息描述熔池状态的方法相比，该熔池轮廓曲线的建模方法准确性高，采用简单而有效的熔池几何参数全面描述熔池形状信息；通过宽带激光熔覆中心复合设计试验，实现宽带激光熔覆熔池关键几何参数的定量描述，构建了描述熔池轮廓的曲线方程，可用于指导实际生产中的宽带激光熔覆工艺过程监控，提高熔覆层质量控制的效果；本发明提出的曲线通用性强，特别适用于宽带激光熔覆领域。

附图说明

图1是宽带激光熔覆熔池几何模型示意图。

图2是宽带激光熔覆试验采集的熔池图像(1280像素×960像素)。

图3是宽带激光熔覆熔池轮廓曲线与原熔池图像的对比图(500像素×400像素)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线，在宽带激光熔覆表面且与激光发射方向垂直的平面上，熔池轮廓曲线方程为，

其中，xoy坐标系是以熔池前沿中点为原点o、熔覆扫描方向为x轴负方向建立的笛卡尔坐标系，y是熔池轮廓曲线在xoy坐标系中的纵坐标、x是横坐标、wm是熔池中心宽度、w0是熔池边缘宽度、lm是熔覆方向上熔池总长度、l0是熔覆方向上熔池中心到凝固边缘的距离；

熔池宽度最大值出现在轮廓曲线一阶导数为0处且最大值等于熔池中心宽度，对熔池轮廓曲线方程计算一阶导数，i、j取值与lm、l0相关且相互间存在等量关系，

其中，l0是熔覆方向上熔池中心到凝固边缘的距离。

一种建立上述宽带激光熔池轮廓曲线的建模方法，包括以下步骤：

s1.进行宽带激光熔覆试验，本实例采用45#钢作为熔覆基体，选用ni60合金粉末作为熔覆材料，铺粉方式为同轴送粉法，根据采用的工艺设备选择工艺参数激光功率p、送粉速率vp、扫描速度v的初始范围，其中激光功率的初始范围p为2.0～3.0kw，送粉速率vp的初始范围为0.5～1.0g/s，扫描速度v的初始范围为3.0～6.0mm/s。本实施例选取的工艺参数激光功率p为2.8kw、送粉速率vp为0.6g/s、扫描速度v为5.0mm/s的宽带激光熔覆熔池图像，图像尺寸为1280像素×960像素。

s2.裁剪试验熔池图像，图像尺寸为500像素×400像素，并进行图像灰度化、滤波降噪等预处理步骤，通过图像测量熔池几何尺寸，几何尺寸包括熔池中心宽度为196.707、熔池边缘宽度为20.011、熔覆方向上熔池总长度为44.162、及熔池中心到凝固边缘的距离为27.877。

s3.推导宽带激光熔覆熔池轮廓曲线方程，方程如下，

其中，xoy坐标系以熔池前沿中点为原点o，熔覆扫描方向为x轴负方向建立的笛卡尔坐标系。y是熔池轮廓曲线在xoy坐标系中的纵坐标，x是横坐标，wm是熔池中心宽度，w0是熔池边缘宽度，lm是熔覆方向上熔池总长度，l0是熔覆方向上熔池中心到凝固边缘的距离。熔池宽度最大值出现在轮廓曲线一阶导数为0处且最大值等于熔池中心宽度，对熔池轮廓曲线方程计算一阶导数，i，j取值与lm、l0相关且相互间存在等量关系，

s4.验证宽带激光熔覆熔池轮廓曲线方程，将获得的熔池几何参数代入熔池轮廓曲线方程，对比熔池轮廓曲线与图像实际熔池边缘的误差，验证曲线方程的准确性。试验结果如图3所示，结果表明所提出的熔池轮廓曲线吻合性较好。

该熔池轮廓曲线是通过宽带激光熔覆工艺试验的熔池形状检测结果总结得到的，与已有的利用熔池长度、宽度和面积等信息描述熔池状态的方法相比，该熔池轮廓曲线的建模方法准确性高，采用简单而有效的熔池几何参数全面描述熔池形状信息；通过宽带激光熔覆中心复合设计试验，实现宽带激光熔覆熔池关键几何参数的定量描述，构建了描述熔池轮廓的曲线方程，可用于指导实际生产中的宽带激光熔覆工艺过程监控，提高熔覆层质量控制的效果。本发明提出的曲线通用性强，特别适用于宽带激光熔覆领域。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。