评价激光改性时等离子体与最终改性效果之间关系的方法与流程

本发明涉及材料处理领域，特别是涉及一种评价激光改性时等离子体与最终改性效果之间关系的方法。

背景技术：

铜铬合金材料作为真空灭弧室的核心部件，被广泛用做中、高压输配电系统中真空断路器的触头材料，可以极大提高真空开关的开断能力和耐压性能。激光处理铜铬合金具有热影响区小、工件变形小和便于自动化生产的特点。

激光表面处理铜铬合金材料的过程中，铜铬合金材料吸收激光能量后熔化、汽化并产生金属蒸汽，处于激光照射区的金属蒸汽能够增强铜铬合金材料对激光的吸收作用,使其温度进一步升高而电离形成等离子体。在这一过程中，等离子体的产生受着熔池内部蒸汽压力、熔池静压力和表面张力三者的共同作用，产生等离子体之后的铜铬合金材料对于激光的吸收主要表现为菲涅尔吸收和逆韧致辐射吸收。

对应于不同的激光功率和激光扫描速度的组合有着不同的等离子体产生，等离子体的外部轮廓特征有着截然不同的表现，而不同的外部轮廓对触头材料吸收激光能量的吸收能力不同，相应的处理之后的表面改性状态也不同。因此，实时检测等离子体在激光处理铜铬合金触头材料过程中的动态变化和物理过程特征，能够揭示改性过程中的物理机制，指导生产并提高改性质量。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种评价激光改性时等离子体与最终改性效果之间关系的方法。

特别地，本发明提供评价激光改性时等离子体与最终改性效果之间关系的方法，包括如下步骤：

步骤100，利用激光器对铜铬合金触头表面进行激光改性，通过图像采集设备采样铜铬合金触头表面激光改性时产生的等离子体图像；

步骤200，将等离子体图像导入图像处理软件，提取该等离子体图像的特征信息，然后建立当前等离子体图像的特征信息与此时激光改性层效果之间的对应关系；

步骤300，调整激光器的改性参数，重复前述步骤，获取调整后改性参数下的等离子体图像，再建立该等离子体图像与此时激光改性层效果之间的对应关系；

步骤400，全部对应关系建立完毕后，即可根据不同等离子体图像确定相应的激光改性后铜铬合金触头表面的改性层效果。

优选地，所述图像处理软件的处理过程为：对于采集到的等离子体图像首先进行剪裁，然后将剪裁后的图像进行灰度转化，使用高斯滤波的方法进行平滑处理消除高斯噪声，调节对比度，通过计算Canny算子得到等离子体的边缘强度和方向，确定滞后阈值，提取图像轮廓线，确定等离子体特征信息。

优选地，所述等离子体的特征信息包括等离子体的高度、顶部宽度、底部宽度、单侧边倾斜角度、面积参数。

优选地，所述图像处理软件分析等离子体图像的面积方式为：利用图像膨胀技术加粗图像边缘线条，并对于检测出来的边缘进行填充，提取整个等离子体的像素点个数，得到等离子体面积。

优选地，所述图像采集设备包括具备图像采集卡和显示器的计算机，以及与所述计算机连接的摄像机。

优选地，所铜铬合金触头通过控温夹具固定在数控移动平台上，所述激光器位于所述数控移动平台上方。

优选地，在所述激光器的改性参数调整范围内，所述等离子体图像表现为圆形、圆锥形、倒三角形以及溅射物运动轨迹四种图像。

优选地，所述激光改性层效果包括铜铬合金触头经激光改性后产生的细晶层厚度、表面粗糙度。

优选地，所述激光器的改性参数调整范围为：功率密度2.73E+05～1.13E+07W/cm²；作用时间为1ms～5ms；扫描间距为0.1～0.7mm。

优选地，在建立当前等离子体图像的特征信息与激光改性层效果之间的对应关系前，需要确定当前使用的铜铬合金材料的成分以及制备方式。

本发明通过建立所有的等离子体图像和其对应状态下的改性层效果之间的对应关系，在相同条件下，根据表现出的等离子体图像即可确定最终改性层效果。同样，根据预计达到的改性层效果也可以选择能够表现出相应等离子体图像的激光器工作参数。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的方法流程示意图；

图2是本发明一个实施方式的等离子体图像的采集结构示意图；

图3是本发明一个实施方式的摄像机采集到的等离子体图像示意图；

图4是本发明一个实施方式的图像处理后提取的等离子体轮廓线示意图；

图5是本发明一个实施方式的四种工况下的等离子体高度折线图；

图6是本发明一个实施方式的四种工况下的等离子体顶部宽度折线图；

图7是本发明一个实施方式的四种工况下的等离子体底部宽度折线图；

图8是本发明一个实施方式的四种工况下的等离子体左侧边缘倾斜角度折线图；

图9是本发明一个实施方式的四种工况下的等离子体面积折线图。

具体实施方式

本发明适用于评价激光处理铜铬合金触头表面改性时等离子体图像与最终改性层状况之间的关系。在实际生产中，进行铜铬合金触头激光表面改性的评价之前，需要区分铜铬合金材料的成分以及制备方式，不同的成分和制备方式达到同样的改性状态时的等离子体的特征信息有着明显差异。对于每一类型的铜铬合金触头先测试一组或几组等离子体特征信息和表面改性状态的对应关系，然后根据这些数据，在生产中对于激光处理铜铬合金触头进行实时检测。此外，等离子体是火焰、等离子体、金属蒸汽、溅射物的一种总称，并不是单一的等离子体。

如图1所示，本发明一个实施例的评价激光改性时等离子体与最终改性效果之间关系的方法，包括如下步骤：

步骤100，利用激光器对铜铬合金触头表面进行激光改性，通过图像采集设备采样铜铬合金触头表面激光改性时产生的等离子体图像；

如图2所示，这里获取等离子体图像的图像采集设备一般包括具备图像采集卡和显示器的计算机，以及与计算机连接的摄像机。改性前，该铜铬合金触头通过控温夹具固定在数控移动平台上，而激光器位于数控移动平台上方，其工作参数事先设定。数控移动平台在激光改性时带着铜铬合金触头按预定线路运动，而激光器保持不动。摄像机与产生于铜铬合金触头上方的等离子体图像位置水平对应。控温夹具一般是采用流动降温方式的设备，其利用夹持端带走铜铬合金触头上的热量。

一般在一次激光改性时，激光器的参数保持不变，因此产生的等离子体图像也是唯一的。

步骤200，将等离子体图像导入图像处理软件，提取该等离子体图像的特征信息，然后建立当前等离子体图像的特征信息与此时激光改性层效果之间的对应关系；

这里的图像处理软件可以是现有技术中任意一种能够处理、分析等离子体图像的软件。如图3所示，一般图像处理软件的处理过程可以为：对于采集到的等离子体图像首先进行剪裁，然后将剪裁后的图像进行灰度转化，使用高斯滤波的方法进行平滑处理消除高斯噪声，调节对比度，通过计算Canny算子得到等离子体的边缘强度和方向，确定滞后阈值，提取图像轮廓线，确定等离子体特征信息。

图像处理软件的目的是将此时等离子体的形象完全剥离且形成其固有的图像。一般情况下，等离子体图像至少包括等离子体的高度、顶部宽度、底部宽度、单侧边倾斜角度、面积参数等特征信息。

如图4所示，其中等离子体的面积可以通过下述处理过程得到：利用图像膨胀技术加粗等离子体图像的边缘线条，并对于检测出来的边缘进行填充，提取整个等离子体的像素点个数，进而得到等离子体的面积。

在当前状态下，确定最终生成的铜铬合金触头经过激光改性后改性层的改性效果，该改性层效果包括铜铬合金触头经激光改性后产生的细晶层厚度和表面粗糙度。

最后确定和建立等离子体图像的特征信息与激光器在当前工作参数下形成的改性层效果之间的对应关系。

步骤300，调整激光器的改性参数，重复前述步骤，获取调整后改性参数下的等离子体图像，再建立该等离子体图像与此时激光改性层效果之间的对应关系；

在可调整的参数范围内，激光器采用不同的工作参数，其在激光改性时所生产的等离子体图像不同，因此需要建立每一种等离子体图像与激光器对应工作参数时，其特征信息与改性层效果之间的对应关系。

在本实施方式中，在激光器可调整的参数范围内，其等离子体图像一般有圆形、圆锥形、倒三角形以及溅射物运动轨迹四种图像。

步骤400，全部对应关系建立完毕后，即可根据不同等离子体图像确定相应的激光改性后铜铬合金触头表面的改性层效果。

建立所有的等离子体图像和其对应状态下的改性层效果之间的对应关系后，在相同条件下，根据表现出的等离子体图像即可确定最终改性层效果。同样，根据预计达到的改性层效果也可以选择能够表现出相应等离子体图像的激光器工作参数。

本实施方式中激光改性的可调整范围为：功率密度(W/cm²)2.73E+05～1.13E+07；作用时间为1ms～5ms；扫描间距为0.1～0.7mm。

激光改性时，激光器的参数在功率密度6.51E+05W/cm²、作用时间4.0ms、扫描间距0.2mm左右时，等离子体图像表现为圆形。

激光器的参数在功率密度8.09E+06W/cm²、作用时间2.5ms、扫描间距0.3mm左右时，等离子体图像表现为圆锥形。

激光器的参数在功率密度7.66E+06W/cm²、作用时间3.7ms、扫描间距0.4mm左右时，等离子体图像表现为倒三角形。

激光器的参数在功率密度1.08E+07W/cm²、作用时间2.1ms、扫描间距0.6mm左右时，等离子体图像表现为溅射物运动轨迹。

下面以具体例子来说明等离子体图像与改性层效果之间的关系。

实施例1.采用的铜铬合金触头是粉末烧结法制备的CuCr50触头。

具体实施步骤如下：

1.在氧含量可控的Ar²气氛(含氧量≤1ppm)内，将表面洁净的粉末烧结法制备的CuCr50放置于带水冷的控温夹具上，将控温夹具再放置于数控移动平台上，夹持触头的控温夹具随数控平台一同移动，激光头固定不动。铜铬合金触头外径为51mm，厚度为3mm。

2.图像采集设备由摄像机、图像采集卡、计算机、显示器等组成，将摄像机与铜铬合金触头相距300mm-800mm并保持水平放置，调节摄像机焦距以控制取景镜头的大小。

3.采用的激光器设备为TRUMP HD1001.5激光器，数控移动平台通过数控软件WinCNC 6.0for 6050控制，调节激光器参数使得工况一至四的功率密度依次为6.51E+05W/cm²、8.09E+06W/cm²、7.66E+06W/cm²、1.08E+07W/cm²，作用时间依次为4.0ms、2.5ms、3.7ms、2.1ms，扫描轨迹为折返线轨迹，间距依次为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.6mm。

4.依据预先设定的折返线轨迹进行激光铜铬合金触头的表面改性，使用摄像机对于改性过程中的等离子体图像进行采集，并在显示器上显示。

5.将采集到的等离子体图像导入图像处理软件，对每一张首先进行剪裁，然后将剪裁后的等离子体图像进行灰度转化，使用高斯滤波的方法进行平滑处理消除高斯噪声，调节对比度，通过计算Canny算子得到等离子体的边缘强度和方向，确定滞后阈值，提取图像轮廓线，确定等离子体形状，提取等离子体高度L、顶部宽度D1、底部宽度D2、单侧边倾斜角度θ等特征信息。

6.如图5所示，四种工况的等离子体高度L依次为：0.7mm、10.5mm、9.5mm、22.3mm；如图6所示，顶部宽度D1依次为0.9mm、0.1mm、1.2mm、5.8mm；如图7所示，底部宽度D2依次为0.9mm、3.6mm、1.4mm、4.3mm；如图8所示，工况二至四的等离子体左侧边缘倾斜角度θ依次为93.8°、81.7°、64.8°。

7.采用图像处理软件分析等离子体面积时，利用图像膨胀技术加粗图像边缘线条，并对于检测出来的边缘进行填充，提取整个等离子体的像素点个数，得到等离子体面积S。

8.如图9所示，四种工况的等离子体面积依次为0.7mm²、17.8mm²、8.1mm²、38.5mm²。

9.四种工况处理后铜铬合金触头表面的细晶层厚度依次为23-36μm、69-80μm、92-106μm、100-124μm；粗糙度度依次为2.4、7.2、9.3、8.5。

10.改变工艺参数做多组实验后，可以得到等离子体轮廓为圆形的特征为高度3mm以下、顶部宽度2mm以下、底部宽度2mm以下、面积2mm²以下、无单边倾斜角度。对应的表面改性状态为细晶层厚度23-36μm、粗糙度2.4。

11.等离子体轮廓为圆锥形的特征为高度8-12mm、顶部宽度0-0.3mm，底部宽度3-4.5mm、面积15-20mm²、单边倾斜角度90-105°。对应的表面改性状态为细晶层厚度69-80μm、粗糙度7.2。

12.等离子体轮廓为倒三角形的特征为高度7-10mm、顶部宽度0.9-1.5mm、面积6-9mm²、单边倾斜角度75-87°。对应的表面改性状态为细晶层厚度92-106μm、粗糙度9.3。

13.等离子体轮廓为溅射物运动轨迹的特征为高度大于20mm、顶部宽度4mm、底部宽度3.5-5.2mm、面积大于25mm²、单边倾斜角度小于65°。对应的表面改性状态为细晶层厚度100-124μm、粗糙度8.5。

14.完成对于不同铜铬合金激光表面改性状态与等离子体图像的关系的标定后，在之后的实验过程中可以根据相应的对应关系，对激光处理铜铬合金时产生的等离子体图像的实时分析，实时检测和评价铜铬合金表面改性状况。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。