[发明专利]一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线及其建模方法

说明书

本发明涉及一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线及其建模方法，熔池轮廓曲线方程为，XOY坐标系是以熔池前沿中点为原点O、熔覆扫描方向为x轴负方向建立的笛卡尔坐标系，y是熔池轮廓曲线在XOY坐标系中的纵坐标、x是横坐标、W_m是熔池中心宽度、W₀是熔池边缘宽度、L_m是熔覆方向上熔池总长度。该曲线是通过宽带激光熔覆工艺试验的熔池形状检测结果总结得到的，该熔池轮廓曲线的建模方法准确性高，采用简单而有效的熔池几何参数描述熔池形状信息，为宽带激光熔覆工艺过程监控及熔覆层质量控制提供理论依据和数据参考。

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线及其建模方法。

背景技术

激光熔覆是利用高能激光束在金属工件表面扫描，使熔覆层材料与基体表面薄层同时发生熔化，并快速凝固后形成冶金结合良好涂层的一种材料表面工程工艺。与传统表面处理工艺相比，激光熔覆具有热影响区小、熔覆层稀释率低和区域可控等诸多优点。目前，宽带激光因其光束能量高、作用范围大的特点，能有效减少熔覆层搭接次数，提高激光熔覆修复效率，在航空航天、石油化工、汽车制造等领域的大型关键零部件再制造修复方面有着广泛的应用前景。

宽带激光熔覆中工艺参数的设定将直接影响熔池的几何形貌，而激光熔池的几何形貌能够在一定程度上反应熔覆层质量，因此准确、可靠地描述熔池的几何形貌对工艺参数调节及熔覆件质量控制具有重要的意义。目前，熔池形状信息的表征主要采用熔池长度、宽度和熔池区域面积，利用这些信息能够在一定程度上描述熔池状态，从而实现激光熔覆自动化控制，但是熔池长度、宽度和面积并不能唯一确定熔池的几何形状，因此亟需通过工艺试验建立熔池关键几何参数与轮廓曲线之间的关系，构建熔池轮廓曲线表达式，为激光熔覆熔池几何形状描述与工艺过程监控提供技术支持。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线及其建模方法，该曲线是通过宽带激光熔覆工艺试验的熔池形状检测结果总结得到的，该熔池轮廓曲线的建模方法准确性高，采用简单而有效的熔池几何参数描述熔池形状信息，为宽带激光熔覆工艺过程监控及熔覆层质量控制提供理论依据和数据参考。

本发明所采用的技术方案是：

一种宽带激光熔覆熔池轮廓曲线，在宽带激光熔覆表面且与激光发射方向垂直的平面上，熔池轮廓曲线方程为：

其中，XOY坐标系是以熔池前沿中点为原点O、熔覆扫描方向为x轴负方向建立的笛卡尔坐标系，y是熔池轮廓曲线在XOY坐标系中的纵坐标、x是横坐标、W_m是熔池中心宽度、W₀是熔池边缘宽度、L_m是熔覆方向上熔池总长度；

熔池宽度最大值出现在轮廓曲线一阶导数为0处且最大值等于熔池中心宽度，对熔池轮廓曲线方程计算一阶导数，i、j取值与L_m、L₀相关且相互间存在等量关系，

其中，L₀是熔覆方向上熔池中心到凝固边缘的距离。

一种建立上述宽带激光熔池轮廓曲线的建模方法，包括以下步骤：

S1、根据工艺条件选择工艺参数进行宽带激光熔覆中心复合设计试验，采用由CCD/CMOS、滤光系统组成的熔池检测系统实时采集试验熔池图像；

S2、裁剪试验熔池图像并进行预处理，通过图像测量熔池几何尺寸，几何尺寸包括熔池中心宽度、熔池边缘宽度、熔覆方向上熔池总长度和熔池中心到凝固边缘的距离；

S3、推导宽带激光熔覆熔池轮廓曲线方程，方程如下，