《lds成形层面红外图像的温度分区轮廓提取方法》投稿“应用激光”,投稿时间6月4日

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1、LDS成形层面红外图像的温度分区轮廓提取方法*卞宏友1范钦春1李英2杨光1王维1赵翔鹏1(1.沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室辽宁沈阳110136；2.中航工业沈阳黎明航空发动机(集团)有限公司技术中心辽宁沈阳110043)摘要：现有金属激光沉积成形工件是根据几何模型按照设定扫描路径层层叠加而成，工件易发生变形开裂问题，其根本原因在于工件局部温度梯度过大和局部应力集中，对成形过程温度进行实时检测并实现动态扫描路径规划是解决该问题的主要途径，本文提出了激光沉积成形层面红外图像的温度分区轮廓提取方法。首先采用红

2、外热像仪构建沉积层面温度实时采集系统，提出了基于像素范围与测量距离匹配的层面红外图像几何坐标快速计算和转换方法；然后采用阈值法对层面温度数据进行分区划分，并采用基于边缘检测法提取温度分区轮廓；进而解析了分区轮廓出现断环的根本原因在于噪音点存在，提出了基于断环起终点距离判断的温度分区轮廓闭合连接方法，为分区动态路径规划和分区扫描顺序优化提供依据。关键词：温度梯度；层面红外图像；几何坐标计算；温度分区；分区轮廓提取中图分类号：TH164文献标志码：A目前金属零件激光沉积成形扫描路径是基于几何模型按照设定的分层厚度和扫描间距进行分层

3、和扫描路径生成的，属于静态的扫描路径规划。沉积成形过程中激光及同轴送粉头组件即是按照规划的扫描路径层层沉积成形零件，工件内部易形成局部热量累积，导致沉积层面温度动态变化和梯度分布，沉积熔覆宽度(熔宽)和沉积熔覆高度(熔高)等也随之改变，直接会影响实际扫描道与道之间的搭接率和层与层之间的稀释率，影响成形工件的表面平整度和尺寸精度、易造成扫描道与道以及沉积层与层的熔合不良等缺陷；另外温度场的动态变化和梯度分布与成形工件的残余应力、组织结构、结合强度等有着非常密切的关系，直接影响工件的成形质量。因此均匀加工过程中的温度场分布，减小温

4、度梯度对提高金属激光沉积成形质量非常重要。在激光沉积过程温度场分析方面，有关学者做了大量的模拟与测量研究[1-3]，通过温度场模拟分析激光功率、送粉速度、扫描速度等工艺参数以及扫描路径形式与成形过程温度场分布变化的内在联系，指导优化工艺参数和选择扫描路径形式；温度场测量主要集中在对熔池温度的监测以及熔池形状轮廓提取研究方面，用于指导工艺参数的反馈控制以保持熔池温度和形状相对稳定[4-5]，而且主要采用热像仪以及CCD彩色测温法来检测熔池温度[6]。另外，龙日升等人采用给基板加热的方式有效降低成形过程中试样与基板的温度梯度，并让

5、成形过程中的温度场更加均匀；同时指出预热后沉积层面的温度远大于未预热的加工层面，沉积层面温度的变化导致加工过程中的熔高发生改变[1，7]。上述研究表明层层叠加制造的沉积层面温度和熔池温度形状都会变化，熔宽和熔高随之改变，扫描间距和分层厚度也应随之改变，鉴于此，对成形过程温度进行实时检测并实现按温度分区进行动态适应性扫描路径规划是解决该问题的主要途径。本文提出了激光沉积成形层面红外图像的温度分区轮廓提取方法，首先采用红外热像仪构建沉积层面温度实时采集系统，提出了基于像素范围与测量距离匹配的层面几何坐标快速计算和转换方法；然后采用

6、阈值法对层面温度数据进行分区划分，并采用基于边缘检测法[8]提取温度分区轮廓；最后解析了分区轮廓出现断环的根本原因，提出了基于断环起终点距离判断的温度分区轮廓闭合连接方法，为分区动态路径规划和分区扫描顺序优化提供依据。1激光沉积层面温度的采集本文采用MAG30HT红外热像仪作为测温工具，非接触测量激光沉积成形过程中的层面温度分布；通过数据线将测量的数据传送给计算机，测温示意图如图1所示。收稿日期：2014-6-4；修订日期：基金项目：辽宁省自然科学基金(201202173)、国家自然科学基金(51375316)、国家自然科学基

7、金(51305280)资助项目。作者简介：卞宏友,男，1975年出生，工学博士，副研究员，研究方向为金属零件激光沉积制造技术。E-mail：bianhongyou@sau.edu.cn1Feedingnozzle2Workpiece3ThermalImager4ComputerFig.1InfraredimagerymeasurementschematicofLaserDepositionShapinglayer图1激光沉积层面温度的红外热像测量示意图MAG30HT红外热像仪测温范围250℃-1600℃，测量精度2%。由于不同

8、材料的发射率不尽相同，为实现对不同材料工件沉积层面温度的准确测量，采用XMT-8112温控仪、分度号为K级的WRN-130热电偶对热成像仪进行温度标定，调整准确的发射率，减小测量误差。XMT-8112温控仪测温精度为与可调，量程1300℃，满足对热成像仪的温度标定要求。高温状