激光熔覆熔池圖像檢測研究

陳殿炳，曹朋，鄧琦林

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.英特爾亞太研發(fā)有限公司，上海200241）

激光熔覆熔池圖像檢測研究

陳殿炳1，曹朋2，鄧琦林1

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200240；2.英特爾亞太研發(fā)有限公司，上海200241）

針對激光熔覆系統(tǒng)建立了熔池圖像采集系統(tǒng)，并對采集的熔池圖像進(jìn)行處理，獲得了熔池的面積。利用該檢測系統(tǒng)研究了不同激光功率、掃描速度、送粉率條件下的熔池圖像變化規(guī)律。同時，研究了不同工藝參數(shù)條件下，熔池圖像與熔覆質(zhì)量之間的關(guān)系。

激光熔覆；熔池；圖像處理；熔覆質(zhì)量

激光熔覆是利用高能激光束將基體表面薄層與熔覆層材料同時熔化，使二者達(dá)到冶金結(jié)合的一種特種加工技術(shù)。該技術(shù)主要應(yīng)用于零件修復(fù)、涂層加工、堆積成形等工藝過程。目前，激光熔覆的自動化程度還不是很高。在實(shí)際生產(chǎn)中，有經(jīng)驗(yàn)的工人主要通過觀察熔覆過程中形成的熔池形貌來實(shí)時調(diào)整熔覆工藝參數(shù)，以保證熔覆質(zhì)量。機(jī)器視覺技術(shù)日益成為提高現(xiàn)代工廠自動化程度的一種重要手段。利用機(jī)器視覺技術(shù)對熔池圖像實(shí)時檢測控制，以替代工人繁雜的勞動，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率已成為激光熔覆技術(shù)研究的重要方向。國內(nèi)外在這方面已進(jìn)行了一些研究，主要針對熔池溫度場及熔池的幾何形貌[1-8]；更有進(jìn)一步的研究，是建立了基于熔池檢測的閉環(huán)熔覆控制系統(tǒng)[9-11]，獲得了較好的控制效果。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及過程

1.1 硬件系統(tǒng)

激光熔覆試驗(yàn)檢測系統(tǒng)由HJ-3000型3 kW橫流多模連續(xù)CO2激光器、DPSF-3型載氣送粉器、側(cè)向噴嘴、四軸數(shù)控工作臺、圖像采集系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)等部分組成，數(shù)控系統(tǒng)采用西門子802C。激光熔覆系統(tǒng)設(shè)備見圖1，激光頭送粉噴嘴和攝像頭安裝位置見圖2。攝像機(jī)的幀數(shù)為60 f/s，分辨率為640×480。鏡頭先采用石英玻璃進(jìn)行保護(hù)，避免被熔池高溫飛濺顆粒損壞，再采用中性衰減片減弱進(jìn)光量，利用可調(diào)光圈控制進(jìn)光量，采用850 nm窄帶濾光片對熔池發(fā)射的光進(jìn)行過濾，從而使攝像機(jī)針對熔池發(fā)射的850 nm紅外波長進(jìn)行采集分析。通過對相機(jī)參數(shù)的合理調(diào)整及對衰減片、濾光片的優(yōu)化選擇，采集到了清晰的熔池圖像（圖3a）。

采用圖像處理技術(shù)對攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行處理。首先，根據(jù)熔池圖像的特點(diǎn)對熔池進(jìn)行低通空間濾波，去除圖像中由于粉末飛濺等造成的噪點(diǎn)；其次，通過開運(yùn)算操作進(jìn)一步去噪，獲得邊緣平滑的最終熔池圖像；然后進(jìn)行灰度梯度算法，獲得圖像中的熔池部分；最后，對圖像進(jìn)行標(biāo)定，計算出熔池的實(shí)際面積。處理后的熔池圖像見圖3b，曲線內(nèi)為熔池面積。

圖1 激光熔覆系統(tǒng)

圖2 攝像頭安裝位置及基體移動方向示意圖圖像處理

圖3 熔池圖像

1.2 試驗(yàn)材料

基體采用尺寸為90 mm×90 mm×40 mm的45鋼，用砂紙對其表面打磨除銹，再采用噴砂工藝對基體表面進(jìn)行處理，以提高激光的吸收率。粉末材料為Ni55，其成分見表1。送粉氣和保護(hù)氣均采用氬氣，流量為3L/min。

表1 Ni55粉末成分

1.3 試驗(yàn)過程

采用在基體上反復(fù)朝同一方向、且熔覆長度為80 mm的單道單層熔覆的方法進(jìn)行熔覆試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時，將基體預(yù)熱到200℃，每進(jìn)行一次熔覆后都對基體重新冷卻至200℃，以便進(jìn)行下一道熔覆試驗(yàn)。采用該方法可減小因熱量累積而造成的試驗(yàn)誤差。多模橫流圓形光斑直徑為5 mm。試驗(yàn)采取的熔覆工藝參數(shù)見表2。

表2 試驗(yàn)工藝參數(shù)

2 結(jié)果分析

熔覆帶的頭部和尾部是熔覆過程中的不穩(wěn)定區(qū)域。為了在不同工藝參數(shù)條件下比較時盡量減少其他不確定因素的影響，在研究熔覆長度為80 mm的單道熔覆層的熔池面積變化情況時，忽略熔覆帶頭部5 mm和尾部5 mm長度，主要考慮5～75 mm，在此范圍內(nèi)，平均每0.1 mm取出一張熔池圖像進(jìn)行處理，計算分析熔池的面積（圖4）。

圖4 熔池面積變化情況及熔覆帶表面形貌

為了分析熔覆帶的熔覆效果，對每條熔覆帶橫切之后做試樣，采用硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，測量比較不同工藝參數(shù)下熔覆帶橫截面的幾何尺寸及熱影響區(qū)面積的區(qū)別，并進(jìn)一步分析了熔池圖像與熔覆帶之間的關(guān)系。

2.1 功率變化

從圖5所示的4條曲線可看出，熔池面積大體都有上升趨勢。造成這種情況的主要原因是：隨著熔覆過程的繼續(xù)，由于熱量的累積，基體溫度逐漸增加，熔池更易形成和變大。從圖6可明顯看出，隨著激光功率從1250 W增大到2000 W，熔池平均面積由12.572 mm2增加到了23.006 mm2，但增速隨著功率增加逐漸減小。在激光功率較小時，熔池的面積小于光斑的面積，而激光功率對熔池面積的大小起決定性作用，激光功率增大，基體和粉末吸收的熱量增多，基體熔化的材料就越多，熔池會變大；但熔池增大到一定程度后，熔池面積接近光斑面積，光斑的大小就變成了影響熔池大小的主要因素，由于熔覆采用的激光光斑大小不隨功率的變化而變化，故熔池的面積接近激光光斑的面積時，熔池增加的速率就逐漸減緩。

圖5 不同功率的熔池面積隨熔覆帶長度的變化情況（掃描速度100 mm/min，送粉率6 g/min）

圖6 單道熔覆帶熔池面積平均值隨功率的變化情況（掃描速度100 mm/min，送粉率6 g/min）

從圖7、圖8可看到，隨著激光功率的增加，熔覆帶橫截面、熱影響區(qū)面積及熔覆帶的高度都在逐漸增大，但熔覆帶的寬度基本沒有變化。這是因?yàn)槿鄹矌У膶挾戎饕扇鄢氐膶挾葲Q定，而受激光功率的影響不大。在提供足夠的金屬粉末的情況下，激光功率增大，熔池的面積增加，捕獲的金屬粉末就增多，從而使熔覆帶的橫截面積和高度增大。隨著激光功率的增加，基體吸收的熱量增多，熱影響區(qū)面積也隨之增大。

2.2 掃描速度變化

從圖9、圖10可看出，保持激光功率2000 W、送粉率6 g/min不變的情況下，隨著掃描速度的增加，熔覆帶熔池面積平均值逐漸減小。熔池的面積與基體和粉末吸收的激光功率有關(guān)，當(dāng)掃描速度增大時，單位面積的基體吸熱量就會減少，從而造成激光光斑邊緣處部分的基體溫度達(dá)不到熔化溫度，熔池面積因此減小。當(dāng)掃描速度繼續(xù)增加，基體的吸熱量急劇減少時，掃描速度對熔池面積的變化會特別明顯，直到由于掃描速度過高，熔池徹底消失。

圖7 不同功率的熔覆帶橫截面（掃描速度100 mm/min，送粉率6 g/min）

圖8 熔覆帶橫截面幾何參數(shù)隨功率變化情況（掃描速度100 mm/min，送粉率6 g/min）

圖9 不同掃描速度下熔池面積隨熔覆帶長度的變化情況（激光功率2000 W，送粉率6 g/min）

圖10 單道熔覆帶熔池面積平均值隨掃描速度的變化情況（激光功率2000 W，送粉率6 g/min）

從圖11、圖12可看出，橫截面的面積、高度隨著掃描速度的增加迅速減小，寬度則有緩慢減小的趨勢。這主要是因?yàn)殡S著掃描速度增加，單位長度的熔覆帶吸收的熱量降低，熔池面積減小，熔池捕獲的粉末也減少；另一方面，隨著掃描速度增加，在送粉率保持不變的情況下，熔覆帶單位長度上的粉末量也減少了。但熱影響區(qū)在50 mm/min的掃描速度時較低，在100 mm/min時達(dá)到最高，然后隨著掃描速度的增加而逐漸降低。造成50 mm/min時熱影響區(qū)較小的原因可能是：此時的掃描速度太慢，熔池捕獲的粉末過多，激光束的熱量主要由金屬粉末所吸收，基體吸收到的熱量很少；進(jìn)一步放大觀測此時結(jié)合面的情況，發(fā)現(xiàn)并未達(dá)到冶金結(jié)合程度，結(jié)合面的傳熱能力下降，使基體吸收的熱量進(jìn)一步減小。熱影響區(qū)面積隨掃描速度增加而變小的趨勢是由于掃描速度增加，而激光功率不變，使單位長度上接受的激光功率變少而造成的。

圖11 不同掃描速度的熔覆帶橫截面（激光功率2000 W，送粉率6 g/min）

圖12 熔覆帶的橫截面尺寸隨掃描速度的變化情況（激光功率2000 W，送粉率6 g/min）

2.3 送粉率變化

從圖13可看出，保持激光功率2000 W、掃描速度100 mm/min不變的情況下，送粉率在6 g/min和12 g/min的情況下，兩者對應(yīng)的曲線大部分是重合的。從圖14也可看到，送粉率為6、12 g/min時，熔池的平均面積分別為23.006 mm2和22.712 mm2，差別極小。

圖13 不同送粉率的熔池面積隨熔覆帶長度的變化情況（激光功率2000 W，掃描速度100 mm/min）

圖14 單道熔覆帶熔池面積平均值隨送粉率的變化情況（激光功率2000 W，掃描速度100 mm/min）

圖15是不同送粉率時的熔覆帶橫截面形貌?？煽闯?，當(dāng)送粉率從3g/min增加到9g/min時，熔池面積逐漸減??；而當(dāng)送粉率從9 g/min增加到12 g/min時，熔池面積不減反增。造成這種先減后增的原因主要是：當(dāng)送粉率較小時，隨著送粉率的增加，粉末對激光的吸收率提高，基體吸收的激光功率降低，在基體上形成的熔池會變??；但當(dāng)送粉率增加到一定程度時，隨著送粉率的進(jìn)一步增加，熔池捕獲的金屬粉末顆粒增加，熔覆帶的高度增大，熔池的表平面與基體平面的夾角增大，對熔池面積的增加作用顯著，最后就導(dǎo)致了熔池面積不降反增的結(jié)果。從圖16也可明顯看到，當(dāng)送粉率從9 g/min增加到12 g/min時，熔覆帶的橫截面積迅速增大。雖然此時熔池面積增加了，但熔覆帶和基體的結(jié)合強(qiáng)度卻會大大降低。

從圖16還可看出，隨著送粉率的增加，熔覆帶橫截面積、高度都在逐漸增大；熱影響區(qū)面積則逐漸減小；熔覆帶寬度在送粉率為3～6 g/min時有所降低，而后則基本保持不變。造成熔覆帶寬度在送粉率為3 g/min時較大的原因可能是送粉率過小，熔覆過程變?yōu)榱撕辖鸹^程，激光的大部分功率都被基體吸收，由于熱傳導(dǎo)過強(qiáng)，使熔池寬度增大了。

圖15 不同送粉率的熔覆帶橫截面（激光功率2000 W，掃描速度100 mm/min）

圖16 熔覆帶橫截面尺寸隨送粉率的變化情況（激光功率2000 W，掃描速度100 mm/min）

3 結(jié)論

（1）采用合適的采集裝置采集到了清楚的熔池圖像，并通過濾波、形態(tài)學(xué)處理、標(biāo)定等圖像處理方法對采集的熔池圖像進(jìn)行處理，獲得了熔池面積。

（2）研究了激光功率、掃描速度、送粉率等工藝參數(shù)變化時的熔池面積變化規(guī)律。隨著激光功率的增大，熔池面積增大；隨著掃描速度增大，熔池面積變小；隨著送粉率增大，熔池面積先變小、后變大。

（3）分析了熔覆帶橫截面尺寸隨工藝參數(shù)變化的規(guī)律。激光功率變大，熔覆帶橫截面積增大；掃描速度變大，熔覆帶橫截面積減?。凰头勐试龃?，熔覆帶橫截面積增大。

（4）利用熔池圖像信息對該變化進(jìn)行了解釋。在某些情況下，熔池面積增大，熔池捕獲的金屬粉末增多，熔覆帶橫截面積相應(yīng)增大。在合適的工藝參數(shù)下，熔池面積與熔覆帶的橫截面積成正相關(guān)。

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Research on Measurement of the Molten Pool Image During Laser Cladding Process

Chen Dianbing1，Cao Peng2，Deng Qilin1
（1.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；
2.Intel Asia-Pacific Research and Development Ltd，Shanghai 200241，China）

An image acquisition system has been built up to capture the image of molten pool during laser cladding process.Several image processing methods was used to get the area of the molten pool image.Based on this image acquisition system，the aera change of molten pool under different laser power，scanning speed，powder feed rate conditions was discussed.Then the cladding quality under the different processing parameters was analyzed.And the relationships between molten pool image and cladding quality mainly about track geometries with different processing parameters has been studied.

laser cladding；molten pool；image processing；cladding quality

TG66

A

1009－279X（2014）06－0045-05

2014-07-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275303）

陳殿炳，男，1989年生，碩士研究生。