專利名稱：基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬零件激光沉積成形和修復(fù)掃描路徑的規(guī)劃方法，尤其是一種基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法。
背景技術(shù)：
激光沉積制造技術(shù)是指以激光為熱源，以金屬粉末為原材料，基于層層疊加制造的快速原型原理，通過激光對(duì)同軸輸送的金屬粉沫材料按照規(guī)劃的掃描路徑實(shí)現(xiàn)逐層熔化堆積，來成形(稱為激光沉積成形，也稱之為激光快速成形)或修復(fù)(稱為激光沉積修復(fù)，也稱之為激光成形修復(fù))具有三維形狀的金屬功能零件的技術(shù)。它具有熱輸入能量可控以及柔性化制造特點(diǎn)，這項(xiàng)技術(shù)特別適合于精密、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金、高溫合金等貴重金屬材料零件的直接制造和修復(fù)，可有效縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用和開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，近年來逐漸受到了國(guó)內(nèi)外研究者及相關(guān)廠商的關(guān)注，并已在航空鈦合金零部件的修復(fù)和成 形制造領(lǐng)域得到初步應(yīng)用。在未來的一個(gè)時(shí)期內(nèi)，激光沉積制造技術(shù)將得到飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但在金屬零件激光沉積制造技術(shù)研究和工程化應(yīng)用中，大面積和大體積金屬零件激光沉積制造過程中的變形開裂問題是阻礙激光沉積制造技術(shù)順利發(fā)展和拓展應(yīng)用的主要障礙；導(dǎo)致這個(gè)問題出現(xiàn)原因包括材料、設(shè)備、工藝等多方面的眾多因素，但其主要原因在于激光光束局部加熱，且沉積工件不同部位熱傳導(dǎo)和輻射條件不同，按照設(shè)定的掃描路徑沉積成形，導(dǎo)致成形工件局部溫度累積現(xiàn)象明顯不同，造成成形工件內(nèi)部溫度場(chǎng)分布不均勻，局部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而引起成形工件變形開裂。從工藝角度來看，金屬零件激光沉積制造是從點(diǎn)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(shù)形成不同的掃描路徑規(guī)劃，掃描路徑規(guī)劃會(huì)直接影響到成形過程溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)的分布，進(jìn)而影響到成形工件內(nèi)應(yīng)力分布和表面質(zhì)量。因此，合理掃描路徑規(guī)劃是激光沉積制造的前提，是減小成形工件內(nèi)部溫度梯度和內(nèi)應(yīng)力集中的根本措施，也是抑制成形工件變形開裂的關(guān)鍵途徑。目前金屬零件激光沉積制造掃描路徑是基于幾何模型按照設(shè)定的分層厚度和掃描間距進(jìn)行分層和掃描路徑生成，是靜態(tài)掃描路徑規(guī)劃；尚未考慮金屬零件激光沉積制造過程中由于熱量累積而導(dǎo)致熔池尺寸和溫度在動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)而直接導(dǎo)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(guī)劃的關(guān)鍵參數(shù)分層厚度和掃描間距也在隨之改變等實(shí)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(xiàn)有的激光沉積制造過程是按事先設(shè)定的激光功率、掃描速度、送粉速度等工藝參數(shù)下的靜態(tài)掃描路徑規(guī)劃來沉積制造零件的，沉積過程中不可避免造成局部熱量累積集中，進(jìn)而造成溫度梯度越來越大，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中進(jìn)而造成工件變形開裂，而對(duì)成形過程溫度場(chǎng)有效實(shí)時(shí)檢測(cè)是揭示成形過程溫度場(chǎng)演化規(guī)律的必要手段；相對(duì)于接觸法測(cè)量溫度，利用先進(jìn)的紅外測(cè)溫技術(shù)等非接觸測(cè)量方法具有較強(qiáng)的抗干擾能力和適應(yīng)性，并且具有較高的測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，通過采用紅外熱像儀直接測(cè)量激光沉積制造層面溫度，并基于層面溫度分布實(shí)現(xiàn)分區(qū)掃描路徑規(guī)劃，減小溫度梯度和局部熱應(yīng)力集中，提聞制造質(zhì)量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，具體步驟如下(I)建立熔寬和熔高的預(yù)測(cè)模型采用紅外熱像儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法，對(duì)不同激光功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等工藝參數(shù)下單道多層、多道多層等掃描方式下的每個(gè)層面溫度分布進(jìn)行檢測(cè)分析，并檢測(cè)成形層面的熔高和熔寬。建立描述激光功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等與熔寬、熔高變化規(guī)律的預(yù)測(cè)模型；并對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)，保證利用該模型預(yù)測(cè)熔高和熔寬的準(zhǔn)確有效。
(2)紅外熱像儀的幾何標(biāo)定在激光沉積制造過程中，將紅外熱像儀固定在成形工件上方位置，每層成形后，工作臺(tái)及其上工件移動(dòng)，通過紅外熱像儀采集穩(wěn)定質(zhì)量的圖像，并可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)三軸精確運(yùn)動(dòng)換位米集多幅圖像。設(shè)計(jì)制造幾何尺寸和結(jié)構(gòu)已知、發(fā)熱溫度恒定的圓形標(biāo)志點(diǎn)放置在工作臺(tái)固定位置，結(jié)合紅外熱像儀幾何位置信息，通過對(duì)熱像儀采集多幅圓形標(biāo)志點(diǎn)圖像的處理計(jì)算，完成紅外熱像儀的幾何標(biāo)定。(3)成形層面溫度分區(qū)及分區(qū)邊緣輪廓識(shí)別與幾何表達(dá)利用熱像儀輸出的按照不同溫度范圍分區(qū)分顏色顯示圖像和分區(qū)溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換，提取出各溫度分區(qū)的邊緣輪廓，并對(duì)非閉合邊緣輪廓進(jìn)行邊緣連接。每層成形后，通過工作臺(tái)在指定位置的三軸精確運(yùn)動(dòng)換位，熱像儀采集同一成形層面場(chǎng)景的兩幅或以上的圖像，并將發(fā)熱圓形標(biāo)志點(diǎn)作為兩幅或以上的圖像的匹配點(diǎn)，根據(jù)圖像所提供的有關(guān)信息進(jìn)行三維幾何重建，完成成形層面內(nèi)部溫度分區(qū)邊緣輪廓離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)成形層面紅外圖像內(nèi)溫度信息和幾何信息匹配。(4)分層輪廓與成形層溫度分區(qū)邊緣輪廓匹配通過提取成形層面邊緣輪廓離散點(diǎn)的Z值，結(jié)合成形層數(shù)，計(jì)算實(shí)際成形層厚，在下一層分層高度位置對(duì)模型進(jìn)行分層，獲得分層輪廓；將成形層面內(nèi)部溫度分區(qū)邊緣輪廓與分層輪廓匹配合成。(5)分區(qū)掃描路徑規(guī)劃基于紅外熱像儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的成形層面的各分區(qū)溫度，依據(jù)熔高和熔寬的預(yù)測(cè)模型，為保證熔高穩(wěn)定一致，分區(qū)適應(yīng)性調(diào)整激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)；在調(diào)整后工藝參數(shù)條件下預(yù)測(cè)熔寬，分區(qū)變掃描間距生成掃描路徑；基于各分區(qū)溫度，按先低后高的原貝U，優(yōu)化分區(qū)掃描順序。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)( I)采用紅外熱像儀測(cè)量成形層面溫度分布，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和適應(yīng)性，并且具有較高的測(cè)量精度。(2)采用工作臺(tái)三軸精確運(yùn)動(dòng)換位與熱像儀在指定位置采集成形層面圖像的方法，圖像質(zhì)量穩(wěn)定，紅外熱像儀的幾何標(biāo)定計(jì)算簡(jiǎn)單快速。(3)采用在工作臺(tái)固定位置發(fā)熱圓形標(biāo)志點(diǎn)作為兩幅圖像匹配點(diǎn)，使成形層面內(nèi)部溫度分區(qū)邊緣輪廓離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算快速準(zhǔn)確。
(4)采用實(shí)際層高的分層輪廓與成形層溫度分區(qū)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)采用基于成形層面實(shí)時(shí)熱像溫度分布的分區(qū)動(dòng)態(tài)掃描路徑規(guī)劃，有利于減小溫度梯度和和局部熱應(yīng)力集中。


圖I是本發(fā)明的掃描路徑規(guī)劃流程圖。圖2是激光沉積制造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是紅外熱像儀的幾何標(biāo)定示意圖。
圖4是成形層面溫度分區(qū)示意圖。圖5是分層輪廓與成形層溫度分區(qū)邊緣輪廓匹配示意圖。圖6是分區(qū)掃描路徑規(guī)劃示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下( I)建立熔寬和熔高的預(yù)測(cè)模型結(jié)合待沉積制造的工件材料，采用紅外熱像儀檢測(cè)的方法，對(duì)不同激光功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等工藝參數(shù)下單道多層、多道多層等掃描方式下的每個(gè)層面溫度進(jìn)行檢測(cè)分析，并檢測(cè)成形層面的熔高和熔寬，建立描述激光功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度等與熔寬、熔高變化規(guī)律的預(yù)測(cè)模型。(2)紅外熱像儀的幾何標(biāo)定激光沉積制造系統(tǒng)不意圖如圖2所不，利用聞能激光束I作為熱源，聞能激光束I經(jīng)聚焦鏡7聚焦，在同軸送粉頭2的下端形成熔池5。經(jīng)同軸送粉頭2向激光熔池5送入金屬粉末6，通過迅速熔化、擴(kuò)展和迅速凝固，在基體4表面形成與其為冶金結(jié)合的添料沉積層3 ;上述過程按照設(shè)定的填充路徑在基體上逐點(diǎn)填滿給定的二維形狀，重復(fù)這一過程逐層堆積完成零件沉積制造。本發(fā)明的基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃是面向該系統(tǒng)應(yīng)用的。紅外熱像儀的幾何標(biāo)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，每層成形后，工作臺(tái)10及其上的工件移動(dòng)到指定位置采集穩(wěn)定質(zhì)量的圖像。結(jié)合紅外熱像儀幾何位置信息，通過對(duì)熱像儀采集多幅圓形標(biāo)志點(diǎn)11圖像的處理計(jì)算，完成紅外熱像儀的幾何標(biāo)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(jìn)行模型的首層分層處理，得到第一個(gè)二維平面的分層輪廓數(shù)據(jù)，對(duì)上述分層輪廓區(qū)域生成X方向、Y方向或?qū)娱g正交式掃描路徑進(jìn)行填充。(4)成形層面溫度分區(qū)及分區(qū)邊緣輪廓識(shí)別與幾何表達(dá)每層成形后，通過工作臺(tái)在指定位置的三軸精確運(yùn)動(dòng)換位，熱像儀采集同一成形層面場(chǎng)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范圍分區(qū)12、13分顏色顯示圖像，提取出各溫度分區(qū)的邊緣輪廓14。計(jì)算出成形層面內(nèi)部溫度分區(qū)邊緣輪廓14離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)。(5)分層輪廓與成形層溫度分區(qū)邊緣輪廓匹配圖5所示為分層輪廓與成形層溫度分區(qū)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(diǎn)的Z值，結(jié)合成形層數(shù)，計(jì)算實(shí)際成形層厚，在下一層分層高度位置對(duì)模型進(jìn)行分層，獲得分層輪廓18 ;將成形層面內(nèi)部溫度分區(qū)邊緣輪廓16與分層輪廓匹配合成掃描路徑規(guī)劃的內(nèi)部分區(qū)輪廓17。(6)分區(qū)掃描路徑規(guī)劃圖6所示為分區(qū)掃描路徑規(guī)劃示意圖，基于紅外熱像儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的成形層面19的各分區(qū)20溫度，依據(jù)熔高和熔寬的預(yù)測(cè)模型，為保證熔高穩(wěn)定一致，分區(qū)適應(yīng)性調(diào)整激光 功率和掃描速度等工藝參數(shù)；在此工藝參數(shù)條件下預(yù)測(cè)熔寬，分區(qū)變掃描間距生成掃描路徑21 ;基于各分區(qū)溫度，按先低后高的原則，優(yōu)化分區(qū)掃描順序。(7)反復(fù)重復(fù)第(4)步到第(6)步，直至完成工件模型的分區(qū)動(dòng)態(tài)掃描路徑規(guī)劃和激光沉積制造。
權(quán)利要求
1.基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，具體步驟如下 (1)建立熔寬和熔高的預(yù)測(cè)模型 采用紅外熱像儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法，對(duì)每個(gè)層面溫度分布進(jìn)行檢測(cè)分析，并檢測(cè)成形層面的熔高和熔寬，建立預(yù)測(cè)模型；并對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行測(cè)試和改進(jìn)，保證利用該模型預(yù)測(cè)熔高和熔寬的準(zhǔn)確有效； (2)紅外熱像儀的幾何標(biāo)定 在激光沉積制造過程中，將紅外熱像儀固定在成形工件上方位置，每層成形后，工作臺(tái)及其上工件移動(dòng)，通過紅外熱像儀采集穩(wěn)定質(zhì)量的圖像，并可實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)三軸精確運(yùn)動(dòng)換位采集多幅圖像，設(shè)計(jì)制造幾何尺寸和結(jié)構(gòu)已知、發(fā)熱溫度恒定的圓形標(biāo)志點(diǎn)放置在工作臺(tái)固定位置，結(jié)合紅外熱像儀幾何位置信息，通過對(duì)熱像儀采集多幅圓形標(biāo)志點(diǎn)圖像的處理計(jì)算，完成紅外熱像儀的幾何標(biāo)定； (3)成形層面溫度分區(qū)及分區(qū)邊緣輪廓識(shí)別與幾何表達(dá) 利用熱像儀輸出的按照不同溫度范圍分區(qū)分顏色顯示圖像和分區(qū)溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換，提取出各溫度分區(qū)的邊緣輪廓，并對(duì)非閉合邊緣輪廓進(jìn)行邊緣連接，每層成形后，通過工作臺(tái)在指定位置的三軸精確運(yùn)動(dòng)換位，熱像儀采集同一成形層面場(chǎng)景的兩幅或以上的圖像，并將發(fā)熱圓形標(biāo)志點(diǎn)作為兩幅或以上的圖像的匹配點(diǎn)，根據(jù)圖像所提供的有關(guān)信息進(jìn)行三維幾何重建，完成成形層面內(nèi)部溫度分區(qū)邊緣輪廓離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)成形層面紅外圖像內(nèi)溫度信息和幾何信息匹配； (4)分層輪廓與成形層溫度分區(qū)邊緣輪廓匹配 通過提取成形層面邊緣輪廓離散點(diǎn)的Z值，結(jié)合成形層數(shù)，計(jì)算實(shí)際成形層厚，在下一層分層高度位置對(duì)模型進(jìn)行分層，獲得分層輪廓，將成形層面內(nèi)部溫度分區(qū)邊緣輪廓與分層輪廓匹配合成； (5)分區(qū)掃描路徑規(guī)劃 基于紅外熱像儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的成形層面的各分區(qū)溫度，依據(jù)熔高和熔寬的預(yù)測(cè)模型，為保證熔高穩(wěn)定一致，分區(qū)適應(yīng)性調(diào)整工藝參數(shù)；在調(diào)整后工藝參數(shù)條件下預(yù)測(cè)熔寬，分區(qū)變掃描間距生成掃描路徑；基于各分區(qū)溫度，按先低后高的原則，優(yōu)化分區(qū)掃描順序。
2.如權(quán)利要求I所述的基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟(I)中所述的不采用紅外熱像儀實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法是對(duì)不同同激光功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度這些工藝參數(shù)下，單道多層、多道多層掃描方式下的每個(gè)層面溫度分布進(jìn)行檢測(cè)分析。
3.如權(quán)利要求I所述的基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，其特征在于步驟(I)中所述的預(yù)測(cè)模型是描述激光功率、送粉速度、掃描速度、基體層溫度與熔寬、熔高變化規(guī)律的。
4.如權(quán)利要求I所述的基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，其特征在于所述的工藝參數(shù)為激光功率和掃描速度。
全文摘要
基于紅外測(cè)溫圖像的金屬激光沉積制造掃描路徑規(guī)劃方法，要建立熔寬和熔高的預(yù)測(cè)模型，然后進(jìn)行紅外熱像儀的幾何標(biāo)定、成形層面溫度分區(qū)及分區(qū)邊緣輪廓識(shí)別與幾何表達(dá)、分層輪廓與成形層溫度分區(qū)邊緣輪廓匹配，最后實(shí)現(xiàn)分區(qū)掃描路徑規(guī)劃。采用紅外熱像儀測(cè)量成形層面溫度分布，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和適應(yīng)性，并且具有較高的測(cè)量精度。采用工作臺(tái)三軸精確運(yùn)動(dòng)換位與熱像儀在指定位置采集成形層面圖像的方法，圖像質(zhì)量穩(wěn)定，紅外熱像儀的幾何標(biāo)定計(jì)算簡(jiǎn)單快速。采用實(shí)際層高的分層輪廓與成形層溫度分區(qū)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。采用基于成形層面實(shí)時(shí)熱像溫度分布的分區(qū)動(dòng)態(tài)掃描路徑規(guī)劃，有利于減小溫度梯度和和局部熱應(yīng)力集中。
文檔編號(hào)B22F3/105GK102962452SQ201210544639
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者卞宏友, 楊光, 王維, 欽蘭云, 王偉, 王婷 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)航空航天大學(xué)