激光熔覆过程中熔池图像的实时检测

建立了基于CCD摄像机的激光熔覆过程检测系统，得到熔池的动态变化过程。从动态视频中读取每祯数字图像，获得稳定的熔池区图像。对熔池图像处理的算法进行研究，得到清晰准确的熔池形貌边缘;提取熔池中心，得到单道熔覆层熔池的相对高度变化，能够近似表征沉积表面的起伏。在图像采集卡与计算机图像处理单元互相通信和采集软件模块的基础上进行连续视频图像实时处理程序的开发，在0.2 s内完成对图像的采集处理工作，为获得精确的熔池位置偏差和激光熔覆过程控制提供了检测基础。     

反应放热激光熔覆过程中的熔池状态分析

对激光熔覆涂层过程中,激光能量问题以及动态熔池的对流变化和温度场分布进行了分析,重点研究了反应放热激光熔覆的熔池特点.普通激光熔覆由于存在激光能量问题,不易得到较厚涂层.反应放热制备激光涂层时,材料在熔池中发生反应,放出大量热量,可以补充所需的能量,有利于熔化较厚的预涂层.并且,反应放热生成的增强相性能优良,是进行激光熔覆涂层的优选方法.在钛合金表面上,通过NiCrBSi和NiCrBSi+5wt.%B4C两种材料体系的激光熔覆试验,验证了反应放热制备激光涂层的优越性.     

基于神经网络的宽带激光熔覆熔池特征参数预测

为了实现宽带激光熔覆熔池特征的准确预测,从 而对激光熔覆工艺过程进行实时监测、评价及反馈 控制。通过宽带激光熔覆全因素工艺试验采集熔池特征参数样本数据,采用遗传算法优化BP 神经网络的 初始权值和初始阈值,建立激光熔覆工艺参数(激光功率、粉末厚度、扫描速度)与熔池特 征参数之间的 BP神经网络预测模型。利用训练集数据对所建立的神经网络进行训练,形成输入与输出之间 的映射关系, 并利用测试集数据对网络进行测试。试验结果表明,宽带激光熔覆熔池特征参数神经网络预 测模型具有很 高的精度。该神经网络预测模型对激光熔覆过程监测及熔覆层质量控制具有重要意义。     

基于CCD的激光熔覆熔池宽度的在线检测研究

为了研究激光熔覆熔池尺寸,采用CCD摄像机和VISUAL C++平台自主开发的图像处理软件,建立了一套针对激光熔覆熔池宽度的在线检测系统,提取了熔池边缘和几何特征参量,通过标定试验测定系统的校正系数,在线获取了熔覆层的宽度。结果表明,该系统能比较准确地实现熔池宽度的在线检测,为实时检测激光熔覆熔池表面质量提供了一个有效的工具。     

基于局部主动轮廓模型的宽带激光熔覆熔池边缘提取

为了准确、高效地提取宽带激光熔覆熔池边缘, 排除宽带激光熔覆过程中存在的强烈弧光、金属液 滴、粉末飞溅等因素的干扰,通过CCD工业相机和复合滤光镜片组成的熔池监测系统实时采 集宽带激光熔 覆熔池图像。对获取的熔池图像进行预处理,选定阈值拟合二次曲线作为初始轮廓线,假设 目标区域与背 景区域具有最大的平均灰度差异,利用熔池本身几何结构信息与图像局部统计信息相互约束 驱动轮廓曲线 演化,准确地提取了宽带激光熔覆熔池边缘。与灰度阈值、数字形态学、C-V主动轮廓模 型等传统方法相 比,该方法有效地提高了熔池边缘提取的精度以及抗干扰性能。     

基于深度学习的激光熔覆熔池形貌提取方法研究

激光熔覆技术是先进制造的重要发展方向。随着科技和工业的高速发展,人们对熔覆层的质量要求越来越高,熔池作为激光熔覆过程中一个重要的检测对象,其特征直接决定着熔覆层的好坏。目前熔池形貌的提取都是基于传统的图像分割实现的,遇到特征不明显的熔池时,传统图像分割表现不佳,影响后续实验结果。为此,开发一种基于语义分割网络的熔池形貌提取方法,用语义分割网络替代传统图像分割,结合机器语言实现熔池形貌的高精度提取,并用实验验证证明方法的可行性,为后续熔池的检测与分析打下坚实基础。     

激光熔覆熔池温度监测与控制系统的研究现状北大核心CSCD

激光熔覆是一种新兴的材料表面技术,近年来得到了快速发展。激光熔覆层的质量受熔覆过程中多种因素的影响,其中熔池温度是一个非常关键的因素,激光熔覆熔池温度的监测与控制系统的研究对提高熔覆层质量具有重大意义。介绍了激光熔覆熔池温度的检测方法,综述了目前激光熔覆熔池温度控制系统的研究现状,并列举了部分温度控制系统。根据目前国内外的发展现状提出了熔池温度监测与控制系统的发展方向。     

基于彩色CCD的激光熔覆熔池温度闭环控制研究

为了保持激光熔覆过程中熔池温度的相对稳定,采用比色测温与比例-积分-微分（PID）控制策略相结合的方法实现了熔池温度的闭环控制,搭建了一套基于双通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池温度在线测控系统。将发射率ε纳入到待定系数K中,建立了灰度比值与K的对应关系,推导出了熔池温度的计算公式。基于Socket通信实现了温度在工控机与机器人控制器之间的信号传递,设计了基于激光功率变化的温度控制器算法。结果表明,此系统能实时准确地测量并控制熔池温度,控制精度在3%以内;将该系统运用于薄壁圆筒堆积成形实验中,能够有效消除激光熔覆成形过程中的温度累积效应;成形件底部与顶部外径仅相差0.9mm,成形件各处显微组织差异较小,组织致密均匀。该控制方案具有实时性好、成本较低、便于集成应用等优点。     

激光熔覆过程中熔池对流运动对熔覆层气孔和元素分布的影响

激光熔覆时熔池对流运动对熔覆层成分和气孔缺陷分布具有较大影响。通过在灰铸铁和45钢两种基体上进行激光熔覆NiCuFeBSi 系合金的工艺试验,对熔池的对流运动形式进行了机理分析与试验验证。结果表明,受熔池强对流运动影响,熔覆层气孔呈均匀弥散化分布趋势;且自熔覆层底部向顶部方向合金元素分布均匀,无缓慢过渡特征。根据YAG 激光光斑能量的高斯分布特征,获得了熔池对流运动的驱动力是熔池温度分布不均形成的熔池表面张力梯度。而且熔池表面张力梯度与激光能量密度,熔池温度,熔体对流运动速度是彼此密切相关的。熔池对流运动机理分析表明,热流密度越高,温度越高,表面张力梯度越大,熔体对流运动速度越大。     

熔滴填充位置对激光焊接熔池动态行为的影响

借助熔滴作用下的三维瞬态激光焊接热-流耦合有限元模型,对不同的熔滴填充位置下熔滴进入熔池过程的匙孔三维形貌、熔池金属流动特性进行研究。数值模拟计算结果表明,熔滴填充位置对激光焊接过程中匙孔三维形貌及熔池液态金属的流动行为的影响较大。当熔滴填充位置由0.5 mm增大到1.8 mm时,对匙孔三维形貌变化的影响减弱,熔池内部挤压匙孔前壁和后壁驱使匙孔闭合的流动趋势减弱而维持匙孔壁张开的流动趋势增强,匙孔底部液态金属流动速度的波动幅度减弱。     

基于机器视觉的激光焊接熔池图像处理与特征提取

基于机器视觉,对激光焊接熔池图像处理与特征提取进行了研究.结果表明,分析光纤激光深熔焊接熔池监测结果,包括熔透状态、焊接宽度焊缝偏差跟踪监测及线监测.在不同焊接速度及焊接功率条件下,搭建焊接监测系统可实现光纤激光深熔焊接熔池的实时监测,其精度可达到激光焊接的要求.熔池和热影响区在深熔焊接过程中,焊接速度变化对其焊接过程...     

激光熔覆成形中熔池表面温度场的检测与研究

针对激光熔覆成形中熔池表面温度场难以测量的问题,搭建了彩色CCD同轴测温系统。通过优化实验参数,该测温平台可获得清晰、稳定的熔池表面图像,对所拍图像进行处理和计算,可以得到熔池表面的温度场。为了验证得到的温度场是否准确,搭建了红外测温系统,通过对熔池表面不同区域进行测温,得到了与CCD测量结果基本吻合的熔池表面温度分布。两种不同的测温方式得到一致的温度场,说明此测温平台是实用、可靠的,为通过实时检测熔池表面温度进而控制熔覆成形系统打下基础。     

激光快速成形过程熔池行为的实时观察研究

通过建立近距离连续拍摄系统实现了对激光快速成形过程中熔池行为的实时观察,并采用图像分割算法获得了熔池侧视形态,结合熔覆试样的定量金相法获得的熔池前视形态,对熔池进行了定量表征。结果发现,熔池的长度和宽度与光束直径相当,熔池自由表面呈圆弧形并向外凸起,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间存在夹角,表明熔池向激光束轴线方向倾斜,而熔池在液态存在时间较短,例如光束直径为4mm,光束扫描速度为5mm/s时,熔池在液态存在时间小于1秒。激光熔覆区的高速摄影实验结果发现,随金属粉末的射入,熔池的几何尺寸逐渐减小,熔池后沿不断抬高,最大熔深处熔池自由表面法向和激光束轴线之间的夹角由1度左右逐渐增大到25度左右,导致熔池中局部凝固条件发生改变,从而影响到局部熔覆层的微观组织。     

应用卡尔曼滤波技术的激光熔覆宽度检测

对金属零件激光成形过程闭环控制系统中,熔覆宽度的检测技术进行了研究,提出了一种基于卡尔曼滤波技术的熔覆宽度检测方法。利用视觉传感系统获取激光加工过程中的熔池图像,经过图像处理与图像标定求熔覆宽度作为参量建立系统状态方程和测量方程,应用卡尔曼滤波算法对图像上的熔宽和熔宽变化进行状态估计,得到最小均方差条件下的熔覆宽度最佳预测值,从而减小过程噪声和测量噪声引起的熔覆宽度测量偏差,测量平均误差由0.028 mm降为0.009 3 mm,实现加工过程熔覆宽度的精确检测。实验结果证明:将卡尔曼滤波技术应用到熔覆宽度检测过程中可以大大提高熔宽检测精度。     

激光快速成形过程的热行为及其影响

建立了激光快速成形(LRF)过程熔池的比色测温系统，分别采用实时跟踪和定点测量两种方式实现了熔池温度和熔池后沿冷却速率(温度梯度)的测量。结果表明，随着激光功率和送粉率的增大，熔池温度升高，熔池后沿冷却速率减小;随着激光扫描速度的增加，熔池温度下降，熔池后沿冷却速率增大。单道多层熔覆和多道搭接熔覆过程温度检测结果发现，随着沉积层数和沉积道数的增加，成形过程呈现热累积效应，即熔池温度逐渐升高，而熔池后沿的冷却速率则呈现完全相反的趋势。     

激光熔覆熔池表面温度场分布的检测

采用电荷耦合器件(CCD)高温检测技术,检测了送粉同步式和预置式两种不同工艺下Ni基合金激光熔覆熔池,得到了其在不同功率下的熔池形貌、尺寸和温度场分布.结果表明,当激光功率低于1100 W时,合金粉末熔化不均匀,熔池形貌不规则;当激光功率达到1300 W时,熔池形貌近似椭圆形分布,比较规则平滑,x,y方向尺寸分别为2.8 mm,2.7 mm,平均温度为1800 K,其形貌和尺寸趋于稳定;当激光功率继续增加时,熔池形貌基本不变,但平均温度增加,由于高温热传导熔化,熔池尺寸会有少量增加.     

激光熔覆Ni/WC涂层温度场及形貌模拟

根据同轴送粉激光熔覆的特点,利用有限元软件ANSYS模拟温度场的动态过程,采用生死单元法求得熔覆层形貌的三维模型,模拟中加入了熔覆粉末的温升、激光的衰减、相变潜热以及温度对材料热物理性能的影响等因素的影响作用,并且对温度场的结果进行了分析和试验验证。结果表明,熔池前方温度梯度比后方大,熔池最高温度在短时间之后会基本保持稳定。在高锰钢表面采用4000 W多模光纤激光器熔覆镍包WC复合粉末,涂层组织主要为细化树枝晶,通过对熔覆层横截面形貌、组织形貌、温度场分布的观察分析,验证了模拟结果的准确性,可作为制备涂层的工艺的理论参考。     

基于回归分析的钛合金T型接头激光焊接焊缝成形尺寸预测

利用光纤激光对TA15钛合金蒙皮网格结构进行焊接,采用同轴高速摄像监测方案对不同焊接参数下的熔池形貌进行图像采集与特征提取。结果表明,采取基于亮度特征的熔池边缘分段提取方法可以解决熔池图像前后亮度不均匀问题,提取准确的熔池边缘信息。熔池宽度和后拖角度与对T型接头焊缝结合面宽度具有强相关性,熔池长度、宽度、后拖角度与T型接头焊缝熔深具有强相关性。同时,建立了焊接工艺参数与焊缝成形的回归分析模型,并对焊缝成形尺寸进行预测,焊缝结合面宽度和熔深的平均预测误差分别为0.14 mm和0.10 mm。     

氧化锆掺杂激光熔覆涂层成形、结构与增韧机制

本文利用氧化锆陶瓷在不同凝固成形条件下具有相结构变化的特点,将其作为激光熔覆涂层的增韧相.激光熔覆试验结果表明含氧化锆增韧激光熔覆涂层成形关键在于控制熔池熔体的流动性,低的激光线功率密度有助于分层现象的消除:扫描电镜和能谱分析表明氧化锆陶瓷在熔覆层中没有显著的富集,且点状弥散分布较均匀,同时XRD图谱证明激光熔覆层中氧化锆为单斜相结构,达到了利用氧化锆相变消除残余热应力裂纹的目的,从而可以解决激光熔覆裂纹产生的关键问题.     

复合涂层激光熔池凝固过程的数值模拟

采用数值模拟技术研究了复合涂层激光熔池凝固过程。结果表明其凝固过程分为凝固准稳态阶段和凝固加速阶段两个阶段。在凝固准稳态阶段,熔池熔深和半径变化较小,但表面最高温度、熔池流速急剧减小;凝固加速阶段则反之。凝固准稳态阶段,由于上熔池的高度过热,下熔池产生后熔现象,形成后熔区。影响后熔的主要因素是熔覆层和过渡区凝固过程中释放的潜热和熔覆层的过热。