基于彩色CCD的激光熔覆熔池溫度閉環(huán)控制研究

孫華杰，石世宏*，石 拓，傅戈雁，陳 磊

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215021；2.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049)

引 言

激光熔覆成形(laser cladding forming，LCF)增材制造基于激光熔覆技術(shù)與快速成形技術(shù)。在成形過(guò)程中，熔池的溫度是影響成形穩(wěn)定性、熔覆層質(zhì)量、內(nèi)應(yīng)力、表面質(zhì)量等的重要因素[1-6]。影響熔池溫度的參量有很多，如激光功率、送粉速率、離焦量和掃描速率等[7]。因此，在LCF制造過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)熔池溫度的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制對(duì)提高成形質(zhì)量至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有激光熔覆成形過(guò)程熔池溫度檢測(cè)方法大致可分為兩大類：基于紅外測(cè)量和基于CCD測(cè)量。TAN指出比色紅外測(cè)溫儀測(cè)溫結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性[8]。CHEN利用紅外熱像儀直觀地反映出熔池溫度的變化情況[9]。JIANG等人采用比色圖像采集的方法，把CCD相機(jī)固定在激光光頭上，減小了測(cè)量的誤差[10]。LEI等人基于CCD開發(fā)了一套熔池溫度動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有一定的測(cè)溫穩(wěn)定性[11-12]。相比紅外測(cè)溫，CCD測(cè)溫具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于多種不同的場(chǎng)合。對(duì)于熔池溫度的控制，有研究人員指出，CCD相機(jī)是獲取激光熔覆成形過(guò)程中復(fù)雜信息的有效工具，但數(shù)字圖像處理耗費(fèi)時(shí)間，限制了熔覆過(guò)程速度[13]。HU等人設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的比例-積分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器，加入控制器后成形的薄壁墻可以控制形貌的變化[14]。TOYSERKANI和KHAJEPOUR利用含有帶通濾波的PID控制器調(diào)整激光功率輸入，提高了熔覆過(guò)程的幾何尺寸精度[15]。

光內(nèi)送粉激光熔覆技術(shù)具有能量分布更均勻、光粉耦合度高、熔覆界面平整等優(yōu)勢(shì)。本文中針對(duì)光內(nèi)送粉熔覆，研發(fā)了基于彩色CCD的激光熔池溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)?；诒壬珳y(cè)溫原理對(duì)熔池溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，確立了激光功率與熔池溫度動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，提出一種基于熔覆層平均溫度改變激光功率的方法控制熔池溫度。相較于基于高溫計(jì)的測(cè)量結(jié)果調(diào)整工藝參量的控制方案，具有實(shí)時(shí)性好、成本較低、便于集成應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)裝置采用中空激光光內(nèi)送粉熔覆噴頭[16-18]，其原理如圖1所示。平行激光束經(jīng)反射鏡組形成中空環(huán)形激光束，粉管從中軸線噴射粉末。光內(nèi)送粉熔覆噴頭具有掃描能量分布均勻[17-18]、粉束挺直、粉末利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

Fig.1 Principle of hollow-laser beam inside powder feeding

實(shí)驗(yàn)基體材料采用304不銹鋼。熔覆材料選用Fe313合金粉末，其粉末粒度為45μm～74μm，粉末各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)w為：w(C)=0.001，w(Si)=0.025～0.035,w(Cr)=0.13～0.17，w(B)=0.005～0.15，余量為Fe。

圖2為激光熔覆加工系統(tǒng)與熔池溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)的硬件組成。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)為6軸KUKA機(jī)器人KR60-3F,采用IPG YLS-2000-TR光纖激光器，GTV PF2/2型送粉器,保護(hù)氣和載粉氣均使用氮?dú)狻２捎?臺(tái)Basler acA1300-30gc彩色CCD工業(yè)相機(jī)作為圖像傳感器，采集幀率在30幀/s左右。基于比色測(cè)溫原理和圖像處理實(shí)現(xiàn)熔池溫度測(cè)量。工控機(jī)對(duì)采集到的熔池圖像進(jìn)行處理，提取需要的特征信息，計(jì)算出溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)ProfiNet將溫度值實(shí)時(shí)反饋給機(jī)器人控制器，進(jìn)而再控制機(jī)器人、激光器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整相應(yīng)的工藝參量。其中，工控機(jī)與機(jī)器人控制器之間的溫度數(shù)據(jù)傳遞是實(shí)現(xiàn)熔池溫度閉環(huán)控制的基礎(chǔ)。溫度數(shù)值信號(hào)通信功能實(shí)現(xiàn)基于.net平臺(tái)下c#socket接口編程[19]。

Fig.2 Setup of system hardware

2 比色測(cè)溫原理與模型的建立

比色測(cè)溫法是通過(guò)測(cè)量物體(非黑體)在兩個(gè)不同波長(zhǎng)下輻射能量的比值，經(jīng)校正后反推被測(cè)物體的溫度。其理論基礎(chǔ)來(lái)源于普朗克(Planck)黑體輻射定律，Planck黑體輻射定律描述了黑體輻射與溫度、波長(zhǎng)之間的關(guān)系，即：

(1)

式中，λ為波長(zhǎng)，C1為普朗克第一輻射常數(shù)，C1=3.741833×1016W·m2，C2為普朗克第二輻射常數(shù)，C2=1.438832×10-2m·K，M(λ,ε)表示黑體的輻射出射度。金屬熔池被視作灰體，與同溫度下的黑體輻射能量的比值為ε(λ,T)，即為輻射率。當(dāng)輻射波長(zhǎng)λ<800nm且溫度低于3000K范圍內(nèi)，普朗克黑體輻射定律可由維恩定律代替[20],以R與G色度為例，得出基于彩色CCD的比色測(cè)溫公式為:

(2)

式中，T為待測(cè)熔池的熱力學(xué)溫度；C2為普朗克第二輻射常數(shù)；紅色窄帶濾光片中心波長(zhǎng)λr=650nm，綠色窄帶濾光片中心波長(zhǎng)λg=532nm；Lr,g=Gr/Gg，表示數(shù)字圖像中R,G灰度比；kr/kg與系統(tǒng)的輻射衰減、測(cè)量距離和CCD參量有關(guān),為待標(biāo)定參量；黑體輻射能量比值ε(λ,T)表征灰體隨λ及T變化發(fā)射或吸收能量的性能[21]。

利用彩色CCD的比色測(cè)溫公式進(jìn)行溫度測(cè)量計(jì)算時(shí)，為了減小測(cè)溫誤差，往往選擇在鏡頭前加載RGB單色窄帶濾光片和中性衰減片，選取的窄帶濾光片中心波長(zhǎng)λr=650nm，λg=532nm,帶寬均為10nm,中性衰減片衰減系數(shù)為1%,使得入射光以窄帶波的形式進(jìn)入CCD相機(jī)，CCD相機(jī)更接近于理想的沖擊響應(yīng)函數(shù)。

令：

(3)

簡(jiǎn)化為：

(4)

簡(jiǎn)化后的比色測(cè)溫公式將輻射率ε(λ,T)的變化納入待定系數(shù)K，K由紅外測(cè)溫儀標(biāo)定得到(如圖3所示)，ε對(duì)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。通過(guò)運(yùn)用最小二乘法擬合K與Lr,g的函數(shù)關(guān)系(如圖4所示)，從而確定熔池溫度T與Lr,g的函數(shù)關(guān)系。

Fig.3 Infrared thermometer site calibration

Fig.4 Relationship between K and Lr,g

R gray valueG gray valuegradation ratiocalibration temperature/℃73671.1130098701.41400122721.71500159752.11600201772.61700254813.11800

對(duì)采集到的熔池圖片進(jìn)行圖像處理，圖5a～圖5d依次為熔池原圖和經(jīng)過(guò)灰度化、均值濾波以及二值化閾值分割后的圖片。對(duì)分割后的區(qū)域提取最大灰度值作為比色測(cè)溫公式中的R灰度。由表1可見(jiàn)，當(dāng)溫度達(dá)到1800℃時(shí)，R灰度值已經(jīng)接近灰度值上限255,趨于飽和，因此本例中的測(cè)溫范圍為1300℃～1800℃。若要進(jìn)一步擴(kuò)大測(cè)溫范圍，需要在鏡頭前加載更高效率的衰減片和調(diào)整曝光時(shí)間，調(diào)整光圈進(jìn)一步減少進(jìn)光量來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，K與Lr,g呈良好的線性關(guān)系，運(yùn)用最小二乘法擬合灰度比值Lr,g與待定系數(shù)K的3次多項(xiàng)式，給出對(duì)應(yīng)關(guān)系式：

Fig.5 Digital image processing of molten poola—origin image b—grayscale c—mean filter d—threshold segmentation

K=-5.944+3.3952lnLr,g-

0.9515(lnLr,g)2+0.108(lnLr,g)3

(5)

可得熔池溫度的計(jì)算公式為：

T=C2(λg-1-λr-1)/{lnLr,g-[-5.944+3.3952lnLr,g-

0.9515(lnLr,g)2+0.108(lnLr,g)3]}

(6)

3 溫度控制器設(shè)計(jì)

中空環(huán)形激光的能量密度公式為[22]：

E=P/(Dv)

(7)

式中，E為激光能量密度，P為激光功率，D為環(huán)形光斑外圓直徑，v為掃描速率。可知，激光能量密度E與激光功率P成正比，與光斑外圓直徑D、掃描速率v成反比。

設(shè)計(jì)單道熔覆基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在基體上進(jìn)行，熔覆單道長(zhǎng)度為50mm，離焦量為-3mm，掃描速率為6mm/s。在不同激光功率作用下，探究熔池溫度與激光功率的動(dòng)態(tài)關(guān)系，工控機(jī)軟件記錄了單道熔覆過(guò)程中的熔池溫度變化情況。以采集到的數(shù)據(jù)編號(hào)為橫軸，熔池溫度為縱軸，得到不同功率下的熔池溫度曲線(如圖6所示)。

Fig.6 Relationship between molten pool temperature and laser power

由圖6可見(jiàn)，單一功率作用下的熔覆層各點(diǎn)散熱狀況不同，溫度呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，且沒(méi)有體現(xiàn)出良好的規(guī)律性。但結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率從400W變化到800W，整個(gè)熔覆層的溫度均值Ta從1221.9℃遞增到1531.6℃，最大值Tmax從1562.3℃遞增到1836.4℃，體現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，Tmin為溫度最小值。因此，基于多個(gè)離散點(diǎn)求溫度均值作為改變激光功率的依據(jù)來(lái)控制熔池溫度具有一定的可行性，可嘗試使用PID方法控制熔池溫度。

Table 2 Statistical results based on Fig.6

設(shè)計(jì)PID控制器，進(jìn)行激光功率-熔池溫度的單輸入控制實(shí)驗(yàn)。設(shè)Ts為設(shè)定溫度，Ta為當(dāng)前熔覆過(guò)程中多個(gè)采樣點(diǎn)溫度的平均值。以層為周期進(jìn)行反饋控制，k為當(dāng)前熔覆層號(hào)，則第k層實(shí)際溫度與設(shè)定溫度的誤差e(k)為:

e(k)=Ts(k)-Ta(k)

(8)

在實(shí)際堆高過(guò)程中，通過(guò)每層修正激光功率來(lái)使實(shí)際溫度Ta趨近于Ts，每層需要的功率變化量ΔP可以表達(dá)為PID算法的差分方程：

Kd[e(k)-e(k-1)]

(9)

式中，Kp為比例增益，Ki為積分增益，Kd為微分增益。比例項(xiàng)用于修正激光功率P(k)，Kp一般取負(fù)值，該實(shí)驗(yàn)選取的比例系數(shù)為-0.0001。積分項(xiàng)用于消除系統(tǒng)累積誤差，使每層熔覆堆積的Ta逐漸逼近期望值Ts。微分項(xiàng)用于累計(jì)誤差變大之前引入一個(gè)修正信號(hào)，減少算法的調(diào)節(jié)時(shí)間。當(dāng)Ta

P(k+1)=P(k)+Kpe(k)+

(10)

4 圓筒成形實(shí)驗(yàn)與分析

Fig.7 Comparison of the formed parts

a—the formed part without temperature control b—the formed part with temperature control

Fig.8 Relationship between average molten pool temperature, laser power and the number of cladding layers

采用Fe313粉末分別堆積了直徑45mm的圓筒，最終成形實(shí)體如圖7所示。其中圖7a未加入溫度控制，圖7b加入溫度控制。相同的工藝參量設(shè)定為：離焦量-3.5mm，掃描速率6mm/s，送粉速率8g/min，激光功率920W,逐層向上堆積。在多層熔覆過(guò)程中，圖7b設(shè)定溫度1700℃，軟件記錄其熔池平均溫度與激光功率隨熔覆層變化的曲線，如圖8所示。堆積初期，由于基體沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱其溫度為室溫。為了改善熔覆層與基體之間的冶金結(jié)合質(zhì)量，防止后期開裂，采用相對(duì)較高的激光功率920W?？梢钥吹剑?5層熔覆層平均溫度逐層穩(wěn)定上升，這是因?yàn)殡S著堆積層數(shù)的增加，熔池的散熱方式由初期的3維散熱變?yōu)?維散熱，熔池?zé)崃坎粩嗬鄯e，直至實(shí)際溫度Tm達(dá)到1700℃。從第16層熔覆層開始，開啟PID控制器，由于Tm始終大于1700℃，激光功率逐層降低，每層大約降低10W～20W。27層左右開始出現(xiàn)Tm小于設(shè)定值Ts，接下來(lái)兩層的激光功率略微有所增加，直至30層左右熔覆層溫度基本保持穩(wěn)定，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，激光功率也基本不再變化，穩(wěn)定在700W左右。熱平衡狀態(tài)下的激光功率相較于初始的激光功率下降220W左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同工藝條件作用下，多層熔覆成形達(dá)到熱平衡所需要的層數(shù)不同且與控制器算法的比例系數(shù)有關(guān)。采用溫度控制的3維堆積成形件與沒(méi)有采用溫度控制3維堆積成形件相比，完全沒(méi)有出現(xiàn)熔道截面變寬的情況，熔覆層寬度上下相對(duì)均勻，成形件表面粗糙度明顯降低，無(wú)明顯的粉末粘附，無(wú)過(guò)熔、欠熔現(xiàn)象發(fā)生。

Table 3 Parameters comparison of the formed parts with controller and without controller

parameterwithout controllerwith controllerheight/mm24.841.0bottom diameter/mm35.745.5top outer diameter/mm38.544.6middle diameter/mm38.145.1

通過(guò)表3中的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，未采用溫度控制的成形件在24.8mm的高度距離上，底部與頂部外徑相差2.8mm。而采用溫度控制的成形件在41.0mm的高度距離上，底部與頂部外徑僅僅相差0.9mm。后者的效果明顯優(yōu)于前者。實(shí)驗(yàn)表明,該方案在消除熔池溫度熱累積效應(yīng)上取得了良好效果，成形件尺寸精度明顯提高。

在圖7b所示圓筒成形件中沿箭頭方向切開，取A,B,C3個(gè)位置制備金相試樣，并對(duì)試樣進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕處理。在徠卡DM-IRM型金相顯微鏡下進(jìn)行觀察，A,B,C3個(gè)位置得到的結(jié)果分別如圖9a、圖9b、圖9c所示。圖9a為成形件與基板結(jié)合區(qū)，金屬粉末快速凝固快速冷卻，晶粒垂直基板生長(zhǎng)，最終形成樹枝晶組織。圖9b對(duì)應(yīng)圓筒中部組織，熱量累積多，形成的組織較為粗大、疏松。圖9c為圓筒頂部組織，樹枝晶生長(zhǎng)方向有所不同，晶粒尺寸在10μm～20μm范圍內(nèi)，屬于細(xì)晶組織。成形件整體無(wú)明顯氣孔、裂紋等缺陷，組織致密，具有良好的冶金質(zhì)量。

Fig.9 Scanning electron microscope images marked A,B,C in Fig.7b

5 結(jié) 論

(1)研發(fā)了一套基于雙通道彩色CCD的激光熔覆成形熔池溫度在線測(cè)控系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便、成本較低、易于安裝。利用Socket類實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)值信號(hào)在工控機(jī)與機(jī)器人控制器之間的通信，建立構(gòu)建了溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。

(2)選用衰減系數(shù)為1%的中性衰減片，擴(kuò)大了可供溫度標(biāo)定的范圍。利用雙波長(zhǎng)比色測(cè)溫原理測(cè)出激光熔覆過(guò)程中的熔池溫度，能夠?qū)崟r(shí)反映出熔池溫度的變化情況。

(3)設(shè)計(jì)了溫度PID控制器，加入了功率調(diào)整的圓筒堆積成形實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,調(diào)整激光功率輸出能夠有效地消除了溫度累積效應(yīng)，成形件尺寸精度明顯提高，表面粗糙度降低。

(4)成形件整體無(wú)明顯氣孔、裂紋等缺陷，組織致密，具有良好的冶金質(zhì)量。