基于功率的适应性自动调节技术控制熔池动态尺寸的方法与流程

本发明涉及激光熔覆和自动控制领域，特指一种基于功率的适应性自动调节技术控制熔池动态尺寸的方法。利用红外相机拍摄熔池动态图像，结合pid算法自主调节功率的大小从而控制熔池尺寸，解决了熔池尺寸不均带来的成型质量问题。

背景技术：

激光熔覆技术以高能激光为能量源，利用激光喷头熔化金属粉末至熔池，从而实现零件的快速熔化和逐层堆积。激光熔覆技术因其减少加工工序、缩短加工周期、快速制造精密零件等优点，在大尺寸、复杂零件的快速成形技术中表现出明显的优势,因而在有广阔的应用前景。

熔池尺寸不均是导致工件成型质量不高、内部气孔等缺陷严重的重要原因，传统激光增材过程中设定初始功率后，以恒定的功率打印直至工件成型。恒功率下的熔道温度过高，使得表面张力下降，熔池产生流动，从温度高的熔池中心流向温度低的熔池边界。工件表面产生张力梯度而影响熔池稀释率，表面多道的宽度和深度的均匀性得不到保证，从而影响工件质量。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种基于功率的适应性自动调节技术控制熔池动态尺寸的方法，其特征在于：在pc端安装的采集软件中设置初始功率、熔池宽度和基准轨道道数，在控制软件中设置功率范围和pid参数。确定自动追踪模式代替手动控制，来实现功率的适应性自动调节。通过红外相机实时拍摄记录激光熔覆过程中熔池的尺寸和形状，反馈软件中动态功率的调整和熔池尺寸的变化，监测激光熔覆过程中的温度，避免恒定功率下过高的温度在工件表面产生张力梯度而影响熔池稀释率，调控功率后提高了工件表面的熔道宽度和深度的均匀性，保证了工件的成型质量。

本发明采用的技术方案，具体步骤如下：

(1)将红外相机放置于激光头一侧，对准工件，用于熔池动态图像的拍摄。红外相机的接口由以太网接头、i/o接口，水冷接口和手动对焦机构接口组成。

(2)以太网接头连接路由器至pc端，手动对焦机构机械连接至对焦用红外灯，i/o接口连接红外相机接线盒，通过红外相机接线盒连接pc端的功率控制软件，水冷接口连接水冷回路。

(3)在pc端采集软件中预设激光熔覆设备的初始功率、熔池宽度和单次熔覆道数。在pc端控制软件中设置过程功率限值和相应的pid参数。

(4)将工件放置于打印平台，在送粉器中加入粉末，设置送粉速度，扫描速度，搭接率等工艺参数，载入送粉气体，等待工件打印。

(5)激光打印过程中通过采集软件实时记录工件的熔池动态图像、激光功率、熔道宽度尺寸、温度信息，绘制以帧为横坐标，恒激光功率与变激光功率的组合为纵坐标的曲线。

(6)采集软件和控制软件集成在同一界面上，在数据采集软件中设置前n道熔道以恒定功率进行激光熔覆，考虑到算法的必要学习次数、精度要求和后期控制的要求，熔道数n为总道数的七分之一至四分之一。

(7)采用自动追踪模式代替手动控制，软件通过红外相机拍摄的实时图像记录熔池宽度，将恒定功率下的熔池尺寸作为基准宽度。当调节功率进行熔覆时，以熔池宽度输出值与基准宽度之间的差值为参照对象，pid算法控制其大于零时适当降低功率，小于零时适当提高功率，变化的范围当不超过设置的过程功率限值。调控功率后再熔覆的工艺有效避免了温度过高而出现的熔池尺寸不均的情况，保证工件的成型质量。

步骤(2)中的水冷回路需满足条件：最大流体压力为2.5bar，最小流速为0.2l/min。

步骤(7)中的功率的适应性自动调节通过pid算法实现，将实际熔池尺寸与基准熔池尺寸的差值设定为偏差信号，通过pid算法中的比例、微分、积分环节进行反馈和控制，使功率在限定阈值范围内作动态调整。

本发明的有益效果主要体现在：激光熔覆过程中算法对功率的自动调节，避免恒定功率下过高的温度在工件表面产生张力梯度而影响熔池稀释率，调控功率后提高了工件表面的熔道宽度和深度的均匀性，保证了工件的成型质量，提高了材料的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为熔覆过程中功率适应型自动调节系统构成图。

图2为自动追踪模式下恒功率与变功率组合打印参数曲线图。

图3为红外相机拍摄的熔池动态尺寸图。

图4为算法控制前后熔池宽度尺寸对比图。

图5为功率调控前工件的微观组织图。

图6为功率调控后工件的微观组织图。

上述图中：1：氩气；2：送粉器；3：激光熔覆设备；4：红外相机；5：pc端；6：工件；7：加工平台；8：数控设备。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

本实施例采用的是150mm×150mm×15mm规格的ti6al4v工件，熔覆层粉末为fe101(粒径50-150μm)。

实施例

(1)本实施例选用的红外相机4购于西班牙新红外技术公司,型号为clamar型红外相机。将红外相机4放置于激光头一侧，对准工件6，用于熔池动态图像的拍摄。相机接口由以太网接头、i/o接口，水冷接口和手动对焦机构接口组成。

(2)以太网接头连接路由器至pc端5，手动对焦机构通过机械连接至对焦用红外灯，i/o接口连接红外相机接线盒，通过接线盒连接pc端5的控制软件，水冷接口连接水冷回路。

(3)在pc端5采集软件中先后预设激光熔覆设备3的初始功率为600w，设置熔池宽度为0.1mm，单次熔覆道数为20。采用自动追踪模式代替手动控制。在pc端控制软件中设置过程功率限值为450-750w和pid参数：kp为200，ki为500，kd为100。

(4)选择同轴送粉金属打印机进行熔覆实验，型号为lmd8060，于南京中科煜宸激光技术有限公司进行实验。将ti6al4v工件6放置于设备的加工平台7上，在送粉器2中加入fe101粉末，通过数控设备8预设激光增材制造的工艺参数：送粉速度为0.5r/min，扫描速度为700mm/min，搭接率50％，光斑直径为3mm，层厚为0.7mm。惰性气体氩气1作为载气接入激光打印喷头作保护气流，防止高温下发生氧化反应，调节加工平台7至起点，等待工件6打印。

(5)激光增材制造过程中，在采集软件界面处设置学习熔道数为总道数的七分之一至四分之一，优选的，本实施例经过实验对比控制的效果选择学习熔道数为3，即熔覆过程中的前3道采用恒定的功率打印，从第4道开始通过算法的自动控制动态功率进行熔覆实验。

(6)采用自动追踪模式代替手动控制，图3为红外相机拍摄的实时熔池图像，软件采集到前3道熔道恒定功率下的熔池基准宽度为2.78mm。当调节功率进行熔覆时，以熔池宽度输出值与基准宽度之间的差值为参照对象，pid算法控制其大于零时适当降低功率，小于零时适当提高功率，变化的范围当不超过限值，即450-750w。通过红外相机4对熔池的实时监测，在采集软件中记录熔池的动态尺寸、大小及形状，绘制以帧为横坐标，恒功率与变功率的组合输出为纵坐标的曲线如图2所示，绘制pid算法控制前后熔池的宽度尺寸对比曲线如图4所示。

(7)图5和图6分别为采用恒定功率600w和算法控制下的动态功率进行熔覆实验的工件微观组织对比图，比较两者微观组织发现调控后的功率有效避免了恒定功率时温度过高而出现的熔池尺寸不均的情况，裂纹缺陷得到了明显改善，保证了工件的成型质量和性能。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。