一种激光金属增材沉积温度控制方法及系统与流程

本发明涉及温度控制领域，特别是涉及一种激光金属增材沉积温度控制方法及系统。

背景技术：

激光沉积制造技术是一种结合激光熔覆技术及快速成形技术的先进制造技术。在沉积过程中，随着堆积的不断进行，散热条件变差，熔池的温度逐渐升高，热累积现象加重，会导致成形零件的质量降低。因此，为了提高成形件的质量，在沉积制造过程中，熔池温度的监测与控制至关重要。

目前，常用的激光沉积制造过程的温度控制一种是根据测量的熔池温度来改变输入工艺参数的数值来达降低熔池温度的目的，由于熔池的热反应较为剧烈，持续稳定的测量熔池温度较为困难，该方法稳定性较差、系统复杂、成本较高，另一种是通过在环境中加入冷却装置来降低熔池温度，该方法精确度较低，无法定量控制熔池温度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种激光金属增材沉积温度控制方法及系统，本发明通过控制沉积每层沉积层时的激光功率，提高对激光金属增材沉积温度的控制精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种激光金属增材沉积温度控制方法，包括：

获取送粉喷头以当前激光功率沉积当前沉积层时的多个当前温度；多个所述当前温度是在形成所述当前沉积层的过程中，对处于设定范围内的所述送粉喷头喷出的沉积物进行温度采集得到的；

根据多个所述当前温度计算所述当前沉积层的平均温度；

根据期望温度、所述当前沉积层的平均温度和上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率，再将所述下一层激光功率作为当前激光功率，并返回所述获取送粉喷头以当前激光功率沉积当前沉积层时的多个当前温度，直到沉积结束。

可选的，所述当前温度的确定方法为：

在形成所述当前沉积层的过程中，采用测温仪对处于设定范围内的所述送粉喷头喷出的沉积物进行温度采集，所述设定范围为熔池正后方的特定区域，所述特定区域为以距离熔池中心2.5mm为圆心，以0.75mm为半径的圆形区域。

可选的，所述根据期望温度、所述当前沉积层的平均温度和上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率，具体包括：

根据所述期望温度和所述当前沉积层的平均温度计算所述当前沉积层的平均温度与所述期望温度的误差；

根据所述误差和所述上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率。

可选的，所述根据所述期望温度和所述当前沉积层的平均温度计算所述当前沉积层的平均温度与所述期望温度的误差，具体包括：

根据公式e(k)＝tr-ta(k)计算所述当前沉积层的平均温度与所述期望温度的误差，其中e(k)为第k层沉积层的平均温度与期望温度的误差，tr为期望温度，ta(k)为第k层沉积层的平均温度，k>1。

可选的，所述根据所述误差和所述上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率，具体包括：

根据公式计算送粉喷头沉积第k+1层沉积层的激光功率，其中，p(k+1)为送粉喷头沉积第k+1层沉积层的激光功率，p(k)为送粉喷头沉积第k层沉积层的激光功率，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，e(m)为累积的每层沉积层的总温度误差，e(k-1)为第k-1层沉积层的平均温度与期望温度的误差，k-1为上一层沉积层的层号，k为当前沉积层的层号，k+1为下一层沉积层的层号，k>1。

一种激光金属增材沉积温度控制系统，包括：送粉喷头、基板、测温仪和控制器；所述送粉喷头设置在所述基板的正上方，所述控制器分别与所述送粉喷头和所述测温仪连接；所述测温仪用于在形成所述当前沉积层的过程中，对处于设定范围内的所述送粉喷头喷出的沉积物进行温度采集得到多个当前温度，所述控制器用于获取多个所述当前温度并根据多个所述当前温度计算所述当前沉积层的平均温度，然后根据期望温度、所述当前沉积层的平均温度和上一层沉积层的平均温度控制所述送粉喷头的下一层激光功率。

可选的，所述控制系统，还包括：工控机，所述测温仪与所述控制器通过所述工控机连接，所述工控机用于将所述测温仪测量的多个所述当前温度传送给所述控制器。

可选的，所述控制系统，还包括：光纤支架，所述测温仪与所述送粉喷头通过所述光纤支架连接。

可选的，所述测温仪为红外测温仪。

可选的，所述控制器为库卡机器人。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明通过控制沉积每层沉积层时的激光功率，达到以层为周期控制沉积层温度的效果，提高了对激光金属增材沉积温度的控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1一种激光金属增材沉积温度控制方法的流程图；

图2为本发明实施例2一种激光金属增材沉积温度控制系统的结构示意图；

图3为本发明实施例2一种激光金属增材沉积温度控制系统的使用流程图；

图4为本发明实施例1温度采集点的示意图；

图5为实验一实验过程的温度图；

图6为实验二实验过程的温度图；

图7为实验一薄壁墙的实验结果图；

图8为实验二薄壁墙的实验结果图；

图9为实验一与实验二薄壁墙实验结果的侧面对比图；

图10为实验三和实验四钛合金块体实验结果的对比图；

图11为实验三和实验四钛合金块体宏观组织图。

符号说明：

1-库卡机器人、2-基板、3-送粉喷头、4-光纤支架、5-红外测温仪、6-工控机、7-熔池、8-沉积层、9-熔池正后方特定区域。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种激光金属增材沉积温度控制方法及系统。本发明通过控制沉积每层沉积层时的激光功率，达到以层为周期控制沉积层温度的效果，提高了对激光金属增材沉积温度的控制精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，一种激光金属增材沉积温度控制方法，包括：

s1：获取送粉喷头以当前激光功率沉积当前沉积层时的多个当前温度。

多个所述当前温度是在形成所述当前沉积层的过程中，对处于设定范围内的所述送粉喷头喷出的沉积物进行温度采集得到的。

s2：根据多个所述当前温度计算所述当前沉积层的平均温度。

s1中所述当前温度的确定方法为：

在形成所述当前沉积层8的过程中，本实施例温度采集点的示意图，如图4所示，采用测温仪对处于设定范围内的所述送粉喷头喷出的沉积物进行温度采集，所述设定范围为熔池正后方的特定区域9，所述特定区域为以距离熔池7中心2.5mm为圆心，以0.75mm为半径的圆形区域。

s3：根据期望温度、所述当前沉积层的平均温度和上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率，再将所述下一层激光功率作为当前激光功率，并返回所述获取送粉喷头以当前激光功率沉积当前沉积层时的多个当前温度，直到沉积结束。

s3中所述根据期望温度、所述当前沉积层的平均温度和上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率，具体包括：

s31：根据所述期望温度和所述当前沉积层的平均温度计算所述当前沉积层的平均温度与所述期望温度的误差；

s32：根据所述误差和所述上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率。

s31中所述根据所述期望温度和所述当前沉积层的平均温度计算所述当前沉积层的平均温度与所述期望温度的误差，具体包括：

根据公式e(k)＝tr-ta(k)计算所述当前沉积层的平均温度与所述期望温度的误差，其中e(k)为第k层沉积层的平均温度与期望温度的误差，tr为期望温度，ta(k)为第k层沉积层的平均温度，k>1。

s32中所述根据所述误差和所述上一层沉积层的平均温度计算所述送粉喷头的下一层激光功率，具体包括：

根据公式计算送粉喷头沉积第k+1层沉积层的激光功率，其中，p(k+1)为送粉喷头沉积第k+1层沉积层的激光功率，p(k)为送粉喷头沉积第k层沉积层的激光功率，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，e(m)为累积的每层沉积层的总温度误差，e(k-1)为第k-1层沉积层的平均温度与期望温度的误差，k-1为上一层沉积层的层号，k为当前沉积层的层号，k+1为下一层沉积层的层号，k>1，当k＝1时以初始功率对第一层沉积层进行沉积。

实施例2

如图2所示，所述激光金属增材沉积温度控制系统，包括：送粉喷头3、基板2、测温仪和控制器；所述送粉喷头3设置在所述基板2的正上方，所述控制器分别与所述送粉喷头3和所述测温仪连接；所述测温仪可以为红外测温仪5，所述控制器可以为库卡机器人1(kuka机器人)，所述测温仪用于在形成所述当前沉积层的过程中，对处于设定范围内的所述送粉喷头3喷出的沉积物进行温度采集得到多个当前温度，所述控制器用于获取多个所述当前温度并根据多个所述当前温度计算所述当前沉积层的平均温度，然后根据期望温度、所述当前沉积层的平均温度和上一层沉积层的平均温度控制所述送粉喷头3的下一层激光功率。

作为一种可选的实施方式，所述控制系统，还包括：工控机6，所述测温仪与所述控制器通过所述工控机6连接，所述工控机6用于将所述测温仪测量的多个所述当前温度传送给所述控制器。

作为一种可选的实施方式，所述控制系统，还包括：光纤支架4，所述测温仪与所述送粉喷头3通过所述光纤支架4连接。

测温仪的光纤头通过光纤支架4固定在送粉喷头3左侧，测温仪与工控机6通过usb接头连接且通信方式为串口通信，库卡机器人1上有网线扩展口，故工控机6与库卡机器人1的连接通过网线相连且二者的通信方式为tcp网络通信。

图3为本实施例激光金属增材沉积温度控制系统的使用流程图，如图3所示，本实施例控制激光功率的具体使用过程为：

在基板2上进行金属沉积，在工控机6中编写通信软件，将红外测温仪5监测到的温度信号实时传递给机器人控制柜，在机器人中依据测得的温度数据结合pid控制算法，编写温度控制程序，便可根据获得温度调节送粉喷头3的下一层激光功率，实现沉积层温度的控制。

步骤1：在工控机6中采用c#编程语言编写数据通信软件，使得温度信号可以在红外测温仪5、工控机6和机器人中实时传递。其中红外测温仪5与工控机6的数据通信方式为串口通信，工控机6与机器人的通信方式为tcp通信。

步骤2：在机器人中编写基于熔池温度控制的pid算法，并将其转化为kuka语言程序。本实施例采取的温度控制方式是以层为周期进行沉积层的温度控制，即以相同的功率沉积当前层，并以当前沉积层的平均温度来调整下一层的功率。当前层温度高于期望温度时，下一层激光功率下降；当前层温度低于期望温度时，下一层激光功率上升。对应的具体pid控制算法如下：

以层为周期进行闭环反馈控制：

根据公式

e(k)＝tr-ta(k)(1)

求第k层沉积层的平均温度与设定温度的误差，其中，其中e(k)为第k层沉积层的平均温度与期望温度的误差，tr为期望温度，ta(k)为第k层沉积层的平均温度。

在实际沉积过程中，根据公式

计算每层需要变化的功率，其中，δp为每层需要变化的功率，kp为比例系数，ki为积分系数，kd为微分系数，e(m)为累积的每层沉积层的总温度误差，e(k-1)为第k-1层沉积层的平均温度与期望温度的误差，k-1为上一层沉积层的层号，k为当前沉积层的层号，k+1为下一层沉积层的层号。

其中δp＝p(k+1)-p(k)(3)

式中p(k+1)为送粉喷头沉积第k+1层沉积层的激光功率，p(k)为送粉喷头沉积第k层沉积层的激光功率，由(2)和(3)可得

式中的kp的作用是调节控制器的响应速度，ki的作用是调节控制精度，减少稳态误差，kd的值主要用于累计误差变大之前引入一个修正系数，减少算法的调节时间。本实验中kp取正值，ki取负值，当实际温度高于期望温度值时，kp(tr-ta(k))取负值，使下一层激光功率减小，沉积层温度得降低。的作用是消除系统的稳态误差，使每一层的平均温度维持在期望值附近。通过试凑确定kp取0.00525，ki取-0.0000121，本控制器不使用微分项。

步骤3：将步骤2中的pid温度控制程序整合到库卡机器人沉积轨迹编程程序中，这样便可实现激光金属沉积过程的温度控制。

将实施例1具体应用到实验中结果如下：

采用表1中的工艺参数，以fe313粉末为沉积材料，在基板上激光沉积薄壁墙对比试验。

表1

实验一采用恒定功率900w，在基板上沉积薄壁墙；实验二采用实施例1的以层为周期的温度控制方法沉积薄壁墙，其中期望温度设定为1050℃。如图5所示，采用恒定功率沉积薄壁墙，由于热累积的影响，沉积层的温度一直在上升。如图6所示，从第二层开始温度闭环控制开启，每层功率自带变化来调节温度，调节时间为4层，从第五层开始，温度受控趋于稳定，在期望温度1050℃附件波动。

图7为实验一薄壁墙的实验结果图，图8实验二薄壁墙的实验结果图，图9为实验一与实验二薄壁墙的侧面对比图，图9(a)为实验一的薄壁墙，图9(b)为实验二的薄壁墙。可以看出恒定功率的薄壁墙出现了下窄上宽的“蘑菇云”现象，而加入闭环控制的直墙，整个直墙从下到上宽度均匀，尺寸精度明显提高。结合图5，图6的温度数据，可见该激光金属沉积温度闭环控制方法，可以很好的控制沉积层温度以及提高成形件的质量。

将实施例1具体应用到实验中结果如下：

采用表1中的工艺参数，以tc4钛合金粉末为沉积材料，在钛合金基板上激光沉积块体对比试验。

表2

实验三采用恒定功率沉积钛合金块体，实验四采用实施例1的激光沉积温度闭环控制方法沉积钛合金块体。图10(a)为实验三(采用恒定功率)堆积成形的块体，表面呈黄蓝相间色，说明钛合金块体已经发生氧化。图10(b)为实验四(温度闭环控制)的钛合金块体成形件，表面呈银白色，未出现氧化状况。可见温度闭环控制系统可有效减弱钛合金块体沉积过程发生的氧化现象。

图11(a)为实验三(恒定功率下)钛合金块体宏观组织图，在成形过程中，温度逐渐升高，初始形成的β柱状晶在热作用下相互融合形成大的β柱状晶，柱状晶尺寸范围为0.45到1.65mm。图11(b)为实验四(采用温度闭环控制)钛合金块体宏观组织图，在成形过程中，由于加了温度控制，使整个沉积过程的温度维持在期望温度附近，因此块体的柱状晶宽度较为均匀，未出现上窄下宽的现象，柱状晶的尺寸为0.375到1.2mm。

上述形貌与组织对比说明该激光金属温度控制方法，可有效减弱钛合金沉积过程的氧化现象，提高成形件的质量。

本实施例的效果如下：

1、本发明通过测量每一沉积层的温度值，在扫描完当前层之后，将测得的温度数据传递到库卡机器人中，然后在机器人中根据pid控制算法编写温度控制程序，设定期望温度，这样下一层扫描时，机器人会根据控制程序改变激光功率，使沉积层的实际温度达到期望温度，这样变实现了沉积层温度的控制，(|实际温度-期望温度|)/期望温度＝控制精度。通过计算得控制精度能够在7％之内。

2、本发明采用专用红外测温仪测量温度，构建的温度控制系统简单，使用方便。

3、本发明稳定性高，适用多种成形件沉积场合。通过监测并控制熔池后方的温度，来控制熔池的温度，可有效避免长时间堆积时因熔池反应剧烈而测不准熔池温度的问题；采用以层为周期的温度控制方法，满足各类成形件沉积过程的温度控制。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。