基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法
2023-10-05 12:24:34 1
專利名稱：基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬零件雷射沉積成形和修復掃描路徑的規劃方法，尤其是一種基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法。
背景技術：
雷射沉積製造技術是指以雷射為熱源，以金屬粉末為原材料，基於層層疊加製造的快速原型原理，通過雷射對同軸輸送的金屬粉沫材料按照規劃的掃描路徑實現逐層熔化堆積，來成形(稱為雷射沉積成形，也稱之為雷射快速成形)或修復(稱為雷射沉積修復，也稱之為雷射成形修復)具有三維形狀的金屬功能零件的技術。它具有熱輸入能量可控以及柔性化製造特點，這項技術特別適合於精密、複雜結構的鈦合金、高溫合金等貴重金屬材料零件的直接製造和修復，可有效縮短新產品開發周期、降低開發費用和開發風險，近年來逐漸受到了國內外研究者及相關廠商的關注，並已在航空鈦合金零部件的修復和成 形製造領域得到初步應用。在未來的一個時期內，雷射沉積製造技術將得到飛速發展和廣泛應用。但在金屬零件雷射沉積製造技術研究和工程化應用中，大面積和大體積金屬零件雷射沉積製造過程中的變形開裂問題是阻礙雷射沉積製造技術順利發展和拓展應用的主要障礙；導致這個問題出現原因包括材料、設備、工藝等多方面的眾多因素，但其主要原因在於雷射光束局部加熱，且沉積工件不同部位熱傳導和輻射條件不同，按照設定的掃描路徑沉積成形，導致成形工件局部溫度累積現象明顯不同，造成成形工件內部溫度場分布不均勻，局部產生內應力集中現象，進而引起成形工件變形開裂。從工藝角度來看，金屬零件雷射沉積製造是從點到線、從線到面、層層疊加堆積的過程，不同掃描路徑形式匹配不同的工藝參數形成不同的掃描路徑規劃，掃描路徑規劃會直接影響到成形過程溫度場和熱應力場的分布，進而影響到成形工件內應力分布和表面質量。因此，合理掃描路徑規劃是雷射沉積製造的前提，是減小成形工件內部溫度梯度和內應力集中的根本措施，也是抑制成形工件變形開裂的關鍵途徑。目前金屬零件雷射沉積製造掃描路徑是基於幾何模型按照設定的分層厚度和掃描間距進行分層和掃描路徑生成，是靜態掃描路徑規劃；尚未考慮金屬零件雷射沉積製造過程中由於熱量累積而導致熔池尺寸和溫度在動態變化，進而直接導致沉積熔覆寬度(熔寬)和沉積熔覆高度(熔高)等過程參量隨之改變，路徑規劃的關鍵參數分層厚度和掃描間距也在隨之改變等實際情況，這容易造成成形工件的表面凸凹不平、尺寸精度較差、掃描道與道以及成形層與層的熔合不良等缺陷。另外，現有的雷射沉積製造過程是按事先設定的雷射功率、掃描速度、送粉速度等工藝參數下的靜態掃描路徑規劃來沉積製造零件的，沉積過程中不可避免造成局部熱量累積集中，進而造成溫度梯度越來越大，產生局部應力集中進而造成工件變形開裂，而對成形過程溫度場有效實時檢測是揭示成形過程溫度場演化規律的必要手段；相對於接觸法測量溫度，利用先進的紅外測溫技術等非接觸測量方法具有較強的抗幹擾能力和適應性，並且具有較高的測量精度。
發明內容
針對上述現有技術的不足，本發明目的在於提供一種基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，通過採用紅外熱像儀直接測量雷射沉積製造層面溫度，並基於層面溫度分布實現分區掃描路徑規劃，減小溫度梯度和局部熱應力集中，提聞製造質量。為實現上述目的，本發明採用的技術方案是基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，具體步驟如下(I)建立熔寬和熔高的預測模型採用紅外熱像儀實時檢測的方法，對不同雷射功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等工藝參數下單道多層、多道多層等掃描方式下的每個層面溫度分布進行檢測分析，並檢測成形層面的熔高和熔寬。建立描述雷射功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等與熔寬、熔高變化規律的預測模型；並對預測模型進行測試和改進，保證利用該模型預測熔高和熔寬的準確有效。
(2)紅外熱像儀的幾何標定在雷射沉積製造過程中，將紅外熱像儀固定在成形工件上方位置，每層成形後，工作檯及其上工件移動，通過紅外熱像儀採集穩定質量的圖像，並可實現工作檯三軸精確運動換位米集多幅圖像。設計製造幾何尺寸和結構已知、發熱溫度恆定的圓形標誌點放置在工作檯固定位置，結合紅外熱像儀幾何位置信息，通過對熱像儀採集多幅圓形標誌點圖像的處理計算，完成紅外熱像儀的幾何標定。(3)成形層面溫度分區及分區邊緣輪廓識別與幾何表達利用熱像儀輸出的按照不同溫度範圍分區分顏色顯示圖像和分區溫度數據，進行圖像轉換，提取出各溫度分區的邊緣輪廓，並對非閉合邊緣輪廓進行邊緣連接。每層成形後，通過工作檯在指定位置的三軸精確運動換位，熱像儀採集同一成形層面場景的兩幅或以上的圖像，並將發熱圓形標誌點作為兩幅或以上的圖像的匹配點，根據圖像所提供的有關信息進行三維幾何重建，完成成形層面內部溫度分區邊緣輪廓離散點的三維坐標計算，實現成形層面紅外圖像內溫度信息和幾何信息匹配。(4)分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配通過提取成形層面邊緣輪廓離散點的Z值，結合成形層數，計算實際成形層厚，在下一層分層高度位置對模型進行分層，獲得分層輪廓；將成形層面內部溫度分區邊緣輪廓與分層輪廓匹配合成。(5)分區掃描路徑規劃基於紅外熱像儀實時檢測的成形層面的各分區溫度，依據熔高和熔寬的預測模型，為保證熔高穩定一致，分區適應性調整雷射功率和掃描速度等工藝參數；在調整後工藝參數條件下預測熔寬，分區變掃描間距生成掃描路徑；基於各分區溫度，按先低後高的原貝U，優化分區掃描順序。本發明具有如下優點( I)採用紅外熱像儀測量成形層面溫度分布，具有較強的抗幹擾能力和適應性，並且具有較高的測量精度。(2)採用工作檯三軸精確運動換位與熱像儀在指定位置採集成形層面圖像的方法，圖像質量穩定，紅外熱像儀的幾何標定計算簡單快速。(3)採用在工作檯固定位置發熱圓形標誌點作為兩幅圖像匹配點，使成形層面內部溫度分區邊緣輪廓離散點的三維坐標計算快速準確。
(4)採用實際層高的分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配，既保證了下一成形層邊界精確又融合了已成形層作為基體層溫度分布的幾何信息。(5)採用基於成形層面實時熱像溫度分布的分區動態掃描路徑規劃，有利於減小溫度梯度和和局部熱應力集中。
圖I是本發明的掃描路徑規劃流程圖。圖2是雷射沉積製造系統結構示意圖。圖3是紅外熱像儀的幾何標定示意圖。
圖4是成形層面溫度分區示意圖。圖5是分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配示意圖。圖6是分區掃描路徑規劃示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，其具體實現步驟如下( I)建立熔寬和熔高的預測模型結合待沉積製造的工件材料，採用紅外熱像儀檢測的方法，對不同雷射功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等工藝參數下單道多層、多道多層等掃描方式下的每個層面溫度進行檢測分析，並檢測成形層面的熔高和熔寬，建立描述雷射功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等與熔寬、熔高變化規律的預測模型。(2)紅外熱像儀的幾何標定雷射沉積製造系統不意圖如圖2所不，利用聞能雷射束I作為熱源，聞能雷射束I經聚焦鏡7聚焦，在同軸送粉頭2的下端形成熔池5。經同軸送粉頭2向雷射熔池5送入金屬粉末6，通過迅速熔化、擴展和迅速凝固，在基體4表面形成與其為冶金結合的添料沉積層3 ;上述過程按照設定的填充路徑在基體上逐點填滿給定的二維形狀，重複這一過程逐層堆積完成零件沉積製造。本發明的基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃是面向該系統應用的。紅外熱像儀的幾何標定示意圖如圖3所示，將紅外熱像儀8固定在成形工件9上方位置，每層成形後，工作檯10及其上的工件移動到指定位置採集穩定質量的圖像。結合紅外熱像儀幾何位置信息，通過對熱像儀採集多幅圓形標誌點11圖像的處理計算，完成紅外熱像儀的幾何標定。(3)模型的首層分層和掃描路徑填充輸入工件的三維模型，首先進行模型的首層分層處理，得到第一個二維平面的分層輪廓數據，對上述分層輪廓區域生成X方向、Y方向或層間正交式掃描路徑進行填充。(4)成形層面溫度分區及分區邊緣輪廓識別與幾何表達每層成形後，通過工作檯在指定位置的三軸精確運動換位，熱像儀採集同一成形層面場景的兩幅或以上的圖像。如圖4所示，利用熱像儀輸出的按照不同溫度範圍分區12、13分顏色顯示圖像，提取出各溫度分區的邊緣輪廓14。計算出成形層面內部溫度分區邊緣輪廓14離散點的三維坐標。(5)分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配圖5所示為分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配示意圖，通過提取成形層面邊緣輪廓15離散點的Z值，結合成形層數，計算實際成形層厚，在下一層分層高度位置對模型進行分層，獲得分層輪廓18 ;將成形層面內部溫度分區邊緣輪廓16與分層輪廓匹配合成掃描路徑規劃的內部分區輪廓17。(6)分區掃描路徑規劃圖6所示為分區掃描路徑規劃示意圖，基於紅外熱像儀實時檢測的成形層面19的各分區20溫度，依據熔高和熔寬的預測模型，為保證熔高穩定一致，分區適應性調整雷射 功率和掃描速度等工藝參數；在此工藝參數條件下預測熔寬，分區變掃描間距生成掃描路徑21 ;基於各分區溫度，按先低後高的原則，優化分區掃描順序。(7)反覆重複第(4)步到第(6)步，直至完成工件模型的分區動態掃描路徑規劃和雷射沉積製造。
權利要求
1.基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，具體步驟如下 (1)建立熔寬和熔高的預測模型 採用紅外熱像儀實時檢測的方法，對每個層面溫度分布進行檢測分析，並檢測成形層面的熔高和熔寬，建立預測模型；並對預測模型進行測試和改進，保證利用該模型預測熔高和熔寬的準確有效； (2)紅外熱像儀的幾何標定 在雷射沉積製造過程中，將紅外熱像儀固定在成形工件上方位置，每層成形後，工作檯及其上工件移動，通過紅外熱像儀採集穩定質量的圖像，並可實現工作檯三軸精確運動換位採集多幅圖像，設計製造幾何尺寸和結構已知、發熱溫度恆定的圓形標誌點放置在工作檯固定位置，結合紅外熱像儀幾何位置信息，通過對熱像儀採集多幅圓形標誌點圖像的處理計算，完成紅外熱像儀的幾何標定； (3)成形層面溫度分區及分區邊緣輪廓識別與幾何表達 利用熱像儀輸出的按照不同溫度範圍分區分顏色顯示圖像和分區溫度數據，進行圖像轉換，提取出各溫度分區的邊緣輪廓，並對非閉合邊緣輪廓進行邊緣連接，每層成形後，通過工作檯在指定位置的三軸精確運動換位，熱像儀採集同一成形層面場景的兩幅或以上的圖像，並將發熱圓形標誌點作為兩幅或以上的圖像的匹配點，根據圖像所提供的有關信息進行三維幾何重建，完成成形層面內部溫度分區邊緣輪廓離散點的三維坐標計算，實現成形層面紅外圖像內溫度信息和幾何信息匹配； (4)分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配 通過提取成形層面邊緣輪廓離散點的Z值，結合成形層數，計算實際成形層厚，在下一層分層高度位置對模型進行分層，獲得分層輪廓，將成形層面內部溫度分區邊緣輪廓與分層輪廓匹配合成； (5)分區掃描路徑規劃 基於紅外熱像儀實時檢測的成形層面的各分區溫度，依據熔高和熔寬的預測模型，為保證熔高穩定一致，分區適應性調整工藝參數；在調整後工藝參數條件下預測熔寬，分區變掃描間距生成掃描路徑；基於各分區溫度，按先低後高的原則，優化分區掃描順序。
2.如權利要求I所述的基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，其特徵在於步驟(I)中所述的不採用紅外熱像儀實時檢測的方法是對不同同雷射功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度這些工藝參數下，單道多層、多道多層掃描方式下的每個層面溫度分布進行檢測分析。
3.如權利要求I所述的基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，其特徵在於步驟(I)中所述的預測模型是描述雷射功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度與熔寬、熔高變化規律的。
4.如權利要求I所述的基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，其特徵在於所述的工藝參數為雷射功率和掃描速度。
全文摘要
基於紅外測溫圖像的金屬雷射沉積製造掃描路徑規劃方法，要建立熔寬和熔高的預測模型，然後進行紅外熱像儀的幾何標定、成形層面溫度分區及分區邊緣輪廓識別與幾何表達、分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配，最後實現分區掃描路徑規劃。採用紅外熱像儀測量成形層面溫度分布，具有較強的抗幹擾能力和適應性，並且具有較高的測量精度。採用工作檯三軸精確運動換位與熱像儀在指定位置採集成形層面圖像的方法，圖像質量穩定，紅外熱像儀的幾何標定計算簡單快速。採用實際層高的分層輪廓與成形層溫度分區邊緣輪廓匹配，既保證了下一成形層邊界精確又融合了已成形層作為基體層溫度分布的幾何信息。採用基於成形層面實時熱像溫度分布的分區動態掃描路徑規劃，有利於減小溫度梯度和和局部熱應力集中。
文檔編號B22F3/105GK102962452SQ201210544639
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月14日 優先權日2012年12月14日
發明者卞宏友, 楊光, 王維, 欽蘭雲, 王偉, 王婷 申請人:瀋陽航空航天大學