一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法

本发明涉及一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法，属于激光熔覆过程温度在线实时测控领域。

背景技术：

激光熔覆技术是利用高能量高密度激光束射入金属基体形成熔池，实现金属基体与熔覆材料之间结合，形成具有耐磨、抗腐蚀等特性的熔覆层，在冶金、医疗、航空航天等领域得到广泛应用。在激光熔覆过程中，熔池温度变化会导致熔覆层形貌与性能不稳定，如何有效控制激光熔覆过程中熔池温度是激光熔覆控形控性的关键。因此，研究激光熔覆熔池温度的控制系统对于提高激光熔覆成形件形貌与性能稳定性具有重要工程意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种激光熔覆熔池温度控制系统及方法，开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统，应用双色红外测温仪同轴定点快速测温，搭建基于net6043-s网络数据采集卡数字采样与rs-485通讯模块，实现熔池温度实时监测与反馈。在此基础上，以激光功率为控制变量，应用vc(一种编程软件)开发熔池温度pid(比例-积分-微分控制器)控制器，以熔覆层单层每一采样点实时熔池温度作为反馈值，在线实时调节激光功率，实现熔池温度的闭环控制，从而提高熔覆层形貌与性能的稳定性。

本发明开发的一种激光熔覆熔池温度控制系统，包括一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；基于net6043-s网络数据采集卡数字采样与rs-485通讯模块从而实现对熔池温度的在线实时检测与控制的系统；选取激光功率作为控制变量并应用vc开发的熔池温度pid控制器；对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制的系统；以及对薄壁墙成形件进行结果分析的系统。前述的激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统硬件设备为ylr-1000光纤激光器，rc52激光熔覆头，mcwl-50dtr水冷机，vmc1100p立式加工中心，rc-pgf-d-2送粉器，plc及激光器操作集成柜，rc-cam快速成型软件，工控机，strong-gr-4020型双色红外测温仪，net6043-s网络数据采集卡，rs-485通讯适配器。

本发明的一种激光熔覆熔池温度控制方法，包括如下步骤：s1、开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统；

s2、搭建基于net6043-s网络数据采集卡数字采样与rs-485通讯模块，实现对熔池温度的在线实时检测与控制；

s3、选取激光功率作为控制变量，应用vc开发熔池温度pid控制器；

s4、对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制；

s5、对薄壁墙成形件进行结果分析。

优选的，所述的一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统硬件设备包括ylr-1000光纤激光器，rc52激光熔覆头，mcwl-50dtr水冷机，vmc1100p立式加工中心，rc-pgf-d-2送粉器，plc及激光器操作集成柜，rc-cam快速成型软件，工控机，strong-gr-4020型双色红外测温仪，net6043-s网络数据采集卡，rs-485通讯适配器。

优选的，所述的步骤s2包括如下子步骤：

具体的，所述的步骤s2中：s21、利用strong-gr-4020型双色红外测温仪测量熔池温度；

具体的，所述的步骤s2中：s22、搭建基于net6043-s网络数据采集卡数字采样与rs-485通讯模块，设定双色红外测温仪测量得到的熔池温度信息为0～5v的模拟量电压信号输入到net6043-s网络数据采集卡中；

具体的，所述的步骤s2中：s23、数据采集卡通过ad转换将温度值输入到pid实时控制器。电压与温度转换公式为：

t1＝(v×t3)/5+t2

式中，t1为当前显示温度，t2为模拟量输出起始值对应温度，t3为模拟量输出终点值对应温度与起始值对应温度之差；

具体的，所述的步骤s2中：s24、控制器内部经控制算法输出信号再次传递给数据采集卡，经da转换输出0～10v电压信号传递给激光器，整个系统可实时在线监测熔池温度，通过调节激光功率控制熔池温度。

优选的，所述的步骤s3包括如下子步骤：

具体的，所述的步骤s3中：s31、设计激光功率对熔池温度影响实验；

具体的，所述的步骤s3中：s32、分析实验结果，选取激光功率作为控制变量；

具体的，所述的步骤s3中：s33、应用vc开发熔池温度pid控制器。

优选的，所述的步骤s5包括如下子步骤：

具体的，所述的步骤s5中：s51、熔池温度分析；

具体的，所述的步骤s5中：s52、薄壁墙成形尺寸精度分析；

具体的，所述的步骤s5中：s53、显微组织分析；

具体的，所述的步骤s5中：s54、硬度分析。

优选的，所述的步骤s33包括如下子步骤：

具体的，所述的步骤s33中：s331、设tm为所要设定的熔池温度理想值，t为当前状态下所测量的熔覆过程中实际熔池温度。设n为激光熔覆过程中当前熔覆采样数，即在熔覆第n个点时，实际温度t与理想温度tm之间的温差e(n)为：

e(n)＝tm-t(n)

具体的，所述的步骤s33中：s332、在整个熔覆堆积材料过程中，通过每采样点修正数据采集卡输出数字电压转换成模拟电压进而修正激光功率，每采样点需要的数字电压变量δu可以表达pid算法的差分方程：

式中：kp为比例增益，ki为积分增益，kd为微分增益；

具体的，所述的步骤s33中：s333、两采样点之间的数字电压变化量为两功率之差：

δu＝u(n+1)-u(n)

式中，n为当前采样点，n+1为下一采样点；

具体的，所述的步骤s33中：s335、由前面公式可得，数字电压的pid控制算法表达式：

具体的，所述的步骤s33中：s336、数据采集卡中da输出值为0～4095，对应0～10v电压，0～1000w激光功率，因此输出模拟电压可表示为：

具体的，所述的步骤s33中：s337、推出激光功率的pid控制算法表达式为：

本发明的有益效果是：本发明开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统，应用双色红外测温仪同轴定点快速测温，搭建基于net6043-s网络数据采集卡数字采样与rs-485通讯模块，实现熔池温度实时监测与反馈。在此基础上，以激光功率为控制变量，应用vc开发熔池温度pid控制器，以熔覆层单层每一采样点实时熔池温度作为反馈值，在线实时调节激光功率，实现熔池温度的闭环控制，从而提高熔覆层形貌与性能的稳定性。研究激光熔覆熔池温度的控制系统对于提高激光熔覆成形件形貌与性能稳定性具有重要工程意义。

附图说明

图1为本发明的激光熔覆熔池温度控制系统图；

图2为不同激光功率下熔池温度图；

图3为本发明的熔池温度闭环控制系统流程图；

图4为开环熔池温度数据图；

图5为闭环熔池温度数据图；

图6为开环薄壁墙图；

图7为闭环薄壁墙图；

图8为开环与闭环薄壁墙高度与期望高度关系图；

图9(a)和9(b)为闭环薄壁墙不同区域微观组织图，其中图9(a)为底部，图9(b)为顶部；

图10为硬度统计分析图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，但应当理解实施例用以解释本发明，并不用于限制本发明。

开发一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统，图1为激光熔覆熔池温度控制系统图。

进一步的，一种激光熔覆熔池温度在线实时闭环控制系统硬件设备包括ylr-1000光纤激光器，rc52激光熔覆头，mcwl-50dtr水冷机，vmc1100p立式加工中心，rc-pgf-d-2送粉器，plc及激光器操作集成柜，rc-cam快速成型软件，工控机，strong-gr-4020型双色红外测温仪，net6043-s网络数据采集卡，rs-485通讯适配器。

搭建基于net6043-s网络数据采集卡数字采样与rs-485通讯模块，实现对熔池温度的在线实时检测与控制。

进一步的，利用strong-gr-4020型双色红外测温仪测量熔池温度。

进一步的，搭建基于net6043-s网络数据采集卡数字采样与rs-485通讯模块，设定双色红外测温仪测量得到的熔池温度信息为0～5v的模拟量电压信号输入到net6043-s网络数据采集卡中；

进一步的，数据采集卡通过ad转换将温度值输入到pid实时控制器。电压与温度转换公式为：

t1＝(v×t3)/5+t2

式中，t1为当前显示温度，t2为模拟量输出起始值对应温度，t3为模拟量输出终点值对应温度与起始值对应温度之差。

进一步的，控制器内部经控制算法输出信号再次传递给数据采集卡，经da转换输出0～10v电压信号传递给激光器，整个系统可实时在线监测熔池温度，通过调节激光功率控制熔池温度。

选取激光功率作为控制变量，应用vc开发熔池温度pid控制器。

进一步的，设计激光功率对熔池温度影响实验。

进一步的，激光熔覆成形实验材料为304铁基自融性合金粉末，粒度为200目，其成分如表1所示。采用基板材料为45钢板基板，尺寸大小为200mm×200mm×10mm。

表1304铁基自融性合金粉末成分(wt％)

进一步的，实验前，将金属粉末放置粉末烘干机内进行烘干，烘干时长为3h，温度为150℃，烘干后用筛子对粉末进行过滤，防止粉末潮湿和混有大颗粒粉末导致送粉管堵塞。

进一步的，设计实验熔覆长度50mm，激光光斑直径2mm(离焦量不变)，扫描速度480mm/min，送粉速度13g/min，通过工控机软件实时监控并记录温度曲线变化，得到不同激光功率(550w、750w、950w)下熔池温度变化曲线，如图2所示。

进一步的，分析实验结果，选取激光功率作为控制变量；

进一步的，应用vc开发熔池温度pid控制器。

进一步的，设tm为所要设定的熔池温度理想值，t为当前状态下所测量的熔覆过程中实际熔池温度。设n为激光熔覆过程中当前熔覆采样数，即在熔覆第n个点时，实际温度t与理想温度tm之间的温差e(n)为：

e(n)＝tm-t(n)

进一步的，在整个熔覆堆积材料过程中，通过每采样点修正数据采集卡输出数字电压转换成模拟电压进而修正激光功率，每采样点需要的数字电压变量δu可以表达pid算法的差分方程：

式中：kp为比例增益，ki为积分增益，kd为微分增益；

进一步的，两采样点之间的数字电压变化量为两功率之差：

δu＝u(n+1)-u(n)

式中，n为当前采样点，n+1为下一采样点；

进一步的，由前面公式可得，数字电压的pid控制算法表达式：

进一步的，数据采集卡中da输出值为0～4095，对应0～10v电压，0～1000w激光功率，因此输出模拟电压可表示为：

进一步的，推出激光功率的pid控制算法表达式为：

进一步的，在vc中开发激光熔覆熔池温度pid控制程序，如图3所示。

对薄壁墙激光熔覆熔池温度进行实际控制。

进一步的，设计薄壁墙熔覆实验，薄壁墙长度为50mm，层数为30层，z轴抬升量为0.65mm，成形材料为304铁基自融性合金粉末。

进一步的，为验证熔池温度控制系统有效性，设计两组薄壁墙熔覆实验。

实验1为没有加入熔池温度控制的开环薄壁墙实验，选取经正交试验优化后的工艺参数(激光功率450w，扫描速度480mm/min，送粉速率13g/min)为实验工艺参数。

实验2为加入熔池温度控制的闭环薄壁墙实验，除激光功率外，其余参数与实验1参数保持一致，设定理想温度1450℃。

实验工艺参数如表2所示。

表2薄壁墙对比实验工艺参数

对薄壁墙成形件进行结果分析。

进一步的，分别开环与闭环薄壁墙得到熔覆过程中熔池温度数据，如图4，图5。

进一步的，通过实验数据对比可发现，图7薄壁墙熔覆实验在前三层熔池温度随着层数的叠加逐渐上升的现象明显消失，且在熔覆过程中，熔池温度平稳，除在熔覆拐点外，熔池温度均保持在1450±30℃上下波动，熔覆层后半段与前半段温度相近，且拐点处温度也明显降低，也有效的减小了温度“过冲”现象。

进一步的，对图6图7进行尺寸精度检测，得到数据如表3。

表3开环与闭环薄壁墙参数对比

进一步的，图6薄壁墙两端高度与中间高度分别相差1.51mm和1.55mm，底端长度与顶端长度相差0.85mm，呈“凸台”形状。图7薄壁墙两端高度与中间高度分别相差仅为0.04mm和0.01mm，底端长度与顶端长度相差0.06mm，呈“长方形”形状。

进一步的，图6薄壁墙成形高度与期望高度误差为9.69％，图7薄壁墙成形高度与期望高度值之差为±0.03mm，成形高度与期望高度误差仅为1.02％。如图8.

进一步的，图9(a)、9(b)两图显微组织结构相似，生长方向一致且垂直于熔覆层结合区背离基板方向生长。

进一步的，图7硬度值分布相对于开环实验更加均匀，图6硬度标准差为16.24，而图7为6.37，且硬度值有明显的提高，有效改善了成形件的力学性能。如图10。

以上所述为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，本发明所属领域的技术人员依然可以对上述技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。