一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调控方法
阅读说明：本技术 一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调控方法 (Cladding process regulation and control method based on laser-induced breakdown spectroscopy ) 是由 董群雄 杨剑 于 2020-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调控方法,属于激光增材制造工艺控制领域,该装备检测组件设有：激光熔覆头,熔覆光纤激光器,机器人,脉冲激光器等；所述光谱收集探测器与数据分析装置相连,脉冲激光器,光谱收集探测器与控制器相连；利用该装置对熔覆过程中的进粉量、扫描速度、离焦量、激光功率、保护气体量进行全方位的控制。本发明基于激光诱导击穿光谱技术和红外测温仪相结合的解决方案,实现了激光熔覆过程中的参数自动优化,而且激光熔覆系统以及红外测温仪对于环境要求较低,可以在环境较为复杂的工厂中监测实时的结果,进而实现精确的反馈调节,进而降低加工成本,提高修复的在利用率,减少经济损失。(The invention discloses a cladding process regulating and controlling method based on laser-induced breakdown spectroscopy, which belongs to the field of laser additive manufacturing process control, and the equipment detection assembly is provided with: laser cladding heads, cladding fiber lasers, robots, pulsed lasers, and the like; the spectrum collection detector is connected with the data analysis device, and the pulse laser and the spectrum collection detector are connected with the controller; the device is used for controlling the powder feeding amount, the scanning speed, the defocusing amount, the laser power and the protective gas amount in the cladding process in an all-round way. The invention realizes the automatic optimization of parameters in the laser cladding process based on the solution combining the laser-induced breakdown spectroscopy technology and the infrared thermometer, has lower environmental requirements of the laser cladding system and the infrared thermometer, can monitor real-time results in factories with more complex environments, further realizes accurate feedback adjustment, further reduces the processing cost, improves the utilization rate of repair, and reduces the economic loss.)
技术领域
本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调控方法，属于 激光增材制造工艺控制领域。
背景技术
在激光增材领域中，激光熔覆技术是一种绿色的、节约成本的先进再制 造表面工程技术,它是通过金属合金或其他类型材料在基体上沉积,实现涂 层和基体材料间的冶金结合,获得无孔、晶粒细小的显微组织以及良好力学 性能的熔覆层。熔覆层稀释度低但与基体呈冶物理化学性能，从而达到修复 样品表面或对样品表面进行改性的目的，同时满足材料表面特定性能要求也 可节约大量的材料成本，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。
随着科学技术的飞速发展，激光熔覆技术也得到了改进，但是在熔覆过 程中，工艺参数都是以往总结的结果。但在熔覆过程中受温度、环境、设备 精度等影响会发生偏差，降低成品率。这些诸多不可控制的因素影响熔覆层 性能，缺乏一种行之有效的实时在线监测，并实时优化反馈工艺参数的手 段。以上情况，都表现出了激光熔覆技术的实时监测反馈优化领域尚处于尝 试阶段，还留有大片的技术空白，尤其是在熔覆过程中的工艺控制上，因 此，由于以上原因，现阶段急需相关的行之有效的监测手段来提高激光熔覆 技术的应用价值。
为了解决上述现有技术问题的不足，本项发明通过对脉冲激光激发等离 子体产生光信号，熔覆过程中的温度信号进行在线监测，进而获得特征谱线 的时域谱线以及温度场变化情况进行在线监测。在熔覆过程中，谱线及温度 场变化异常时，及时调取数据库中的数据进行对比并自动实时调节激光熔覆 系统参数，控制熔覆工艺，提高熔覆层的成品率，进而有效的降低成本，实 现高质量、可控、高精度的激光熔覆加工。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明为了克服上述现有技术不足，现提出一种基于激光诱导击穿 光谱的熔覆工艺调控方法。本项发明通过对脉冲激光激发等离子体产生 光信号，熔覆过程中的温度信号进行在线监测，进而获得特征谱线的时 域谱线以及温度场变化情况进行在线监测。在熔覆过程中，谱线及温度 场变化异常时，及时调取数据库中的数据进行对比并自动实时调节激光 熔覆系统参数，控制熔覆工艺，提高熔覆层的成品率，进而有效的降低 成本，实现高质量、可控、高精度的激光熔覆加工。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实验：
步骤一：根据某公司的实验数据，抽取成品率高的工艺参数、特征谱线 时域变化以及温度场变化的数据，建立数据库。
步骤二：激光熔覆实验准备，设置初始的加工参数，放置熔覆样品。
步骤三：激光诱导击穿光谱、红外测温仪实时在线监测熔覆过程中的光 谱信号以及红外温度，并将数据传导至计算机。
步骤四：计算机建立熔覆过程中特征谱线强度以及温度的强度曲线，判 断特征谱线以及温度是否稳定，如曲线稳定则进入步骤六，否则进入步骤 五。
步骤五：将步骤四中得到的两种曲线与数据库中的已有的数据进行对 比，并根据经验工艺参数：对进粉量、扫描速度、离焦量、激光功率、保护 气体量五项工艺参数进行反馈调节，并继续加工，进入步骤六。
步骤六：加工结束。
进一步的，步骤一所述的成品率高的工艺参数以及温度场变化是根据以 往的工作情况以及需求，保存和建立的数据库。
进一步的，步骤二所述的激光熔覆系统包括激光器、机器人、激光控制 器、示教器、送粉装置以及激光熔覆光谱传输系统。
进一步的，步骤三所述的激光诱导击穿光谱以及红外测温仪实时检测， 脉冲激光器固定与激光熔覆激光器上，与激光熔覆激光器呈45°，熔覆过程 中跟随激光熔覆激光器对样件进行烧灼激发等离子体。光谱仪设置积分时间 以及平均次数，在激发等离子体后利用光谱收集探测器收集熔覆过程中的特 征光谱信号，并传导至光谱仪分光后进行光电转换后将光谱图传输至计算 机，建立特征谱线的时域光谱图。红外测温仪设定好采集时间，将温度数据 传导至计算机，建立温度场数据图。
进一步的，步骤四时域谱图与温度场在建立后与已有的数据库进行比 对，若时域谱图与温度场曲线较为平稳，则继续加工。若有异常则进入步骤 五。
进一步的，步骤四所述实时参数与数据库中已有的数据进行对比，利用 数据库中已有的参数对送粉器、激光控制器、示教器进行调节，优化进粉 量、扫描速度、离焦量、激光功率、保护气体量。
进一步的，步骤二所述的激光熔覆系统参数，激光波长200-2800nm，功 率1-10000W，连续脉冲激光器，扫描速度0-30mm/s，送粉量0-200g/min， 送粉气流量0.1-0.4m3/h，离焦量10-50mm。
进一步的，步骤三所述的激光诱导击穿光谱参数，脉冲激光器波长250- 1100nm，激光能量50-50000mj，重复频率1-50Hz。
进一步的，步骤三所述的实时反馈优化熔覆过程中的加工工艺包括光谱 仪、红外测温仪、激光控制器、送粉器和示教器采用闭环PID控制。
进一步的，步骤四所述的优化工艺参数包括进粉量、扫描速度、离焦 量、激光功率、保护气体量。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本项发明通过对脉冲激光激发等离子体产生光信号，熔覆过程中的温度 信号进行在线监测，进而获得特征谱线的时域谱线以及温度场变化情况进行 在线监测。在熔覆过程中，谱线及温度场变化异常时，及时调取数据库中的 数据进行对比并自动实时调节激光熔覆系统参数，控制熔覆工艺，提高熔覆 层的成品率，进而有效的降低成本，实现高质量、可控、高精度的激光熔覆 加工。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的 其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流程结构框图；
图3为本实施例中测量得到的温度场时域图；
图4为本实施例中测量得到的特征谱线时域谱图；
图5为本发明的数据库中部分参数；
图6为本发明的工艺优化示意简图
图中：光谱收集探测器-1、红外测温模块-2、脉冲激光器-3、计算机- 4、激光熔覆头-5、送粉器-6、熔覆光纤激光器-7、控制器-8、机器人-9、 样品台-10，光谱仪-11。
具体实施方式
实施例一：
请参阅图1-图5，本发明提供一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调 控方法，包括有至少一套计算机、至少一套激光熔覆系统、至少一套激光诱 导击穿光谱设备、至少一套红外测温仪；所述激光熔覆系统通过机械夹持激 光诱导击穿光谱系统中的脉冲激光器，红外测温仪通过螺栓固定在样品台， 通过RS485连接至计算机；计算机搭载已设定完成的数据库。
所述激光熔覆系统包括有：
激光熔覆头：用于光路传输，并输出激光进行熔覆实验以及夹持脉冲激 光器；
机器人：用于夹持激光熔覆头；
激光控制器：用以调整激光熔覆的激光功率；
示教器：用以调整机器人的工作轨迹，进而控制激光熔覆头的加工轨迹 以及加工高度；
送粉装置：用以控制激光熔覆过程中，粉末的输送量以及保护气体的载 流量；
激光熔覆光路传输系统：用以控制激光的导向，实现高功率激光的输 出。
所述激光诱导击穿光谱系统包括有：
脉冲激光器：用于烧蚀样品产生等离子体，形成光信号。
光路传输：用于控制脉冲激光路径以及光斑大小。
光谱仪：用以接收等离子体光信号，并将光线分立形成分立光谱，传导 至CCD进行光电转换，产生光谱图。
一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调控方法，其具体方法如下：
首先激光熔覆激光器开启进行预热，接着将TC11钛合金整体叶片盘的 断裂叶片，用无水乙醇清洗干净后，置于样品加工台上，此时，根据修复的 要求利用示教器编写机器人运动轨迹、运动高度以及激光器开启时间，接着 在设置初始的加工参数：激光功率3000W，离焦量20mm，送粉速量 50g/min，送粉气流量0.1m3/h，扫描速度2mm/s；之后启动相关激光诱导击 穿光谱设备以及红外测温仪进行校正，此时激光诱导击穿光谱系统以及红外 测温仪处于准备状态；准备完毕后开启激光熔覆系统；激光诱导击穿光谱、 红外测温仪实时在线监测熔覆过程中的光谱信号以及红外温度，并将数据传 导至计算机。计算机建立熔覆过程中特征谱线强度以及温度的强度曲线，判 断特征谱线以及温度是否稳定，如曲线稳定则加工直至结束，否则将得到的 两种曲线与数据库中的已有的数据进行对比，并根据经验工艺参数：对进粉 量、扫描速度、离焦量、激光功率、保护气体量五项工艺参数进行反馈调 节，并继续加工，直至结束。
本发明基于激光诱导击穿光谱技术和红外测温仪相结合的解决方案，实 现了激光熔覆过程中的参数自动优化，而且激光熔覆系统以及红外测温仪对 于环境要求较低，可以在环境较为复杂的工厂中监测实时的结果，进而实现 精确的反馈调节，进而降低飞机叶片盘的加工成本，提高飞机叶片盘的再利 用率，更能提高激光熔覆技术的应用潜力。
实施例二：
请参阅图1-图5，本发明提供一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调 控方法，包括有至少一套计算机、至少一套激光熔覆系统、至少一套激光诱 导击穿光谱设备、至少一套红外测温仪；所述激光熔覆系统通过机械夹持激 光诱导击穿光谱系统中的脉冲激光器，红外测温仪通过螺栓固定在样品台， 通过RS485连接至计算机；计算机搭载已设定完成的数据库。
所述激光熔覆系统包括有：
激光熔覆头：用于光路传输，并输出激光进行熔覆实验以及夹持脉冲激 光器；
机器人：用于夹持激光熔覆头；
激光控制器：用以调整激光熔覆的激光功率；
示教器：用以调整机器人的工作轨迹，进而控制激光熔覆头的加工轨迹 以及加工高度；
送粉装置：用以控制激光熔覆过程中，粉末的输送量以及保护气体的载 流量；
激光熔覆光路传输系统：用以控制激光的导向，实现高功率激光的输 出。
所述激光诱导击穿光谱系统包括有：
脉冲激光器：用于烧蚀样品产生等离子体，形成光信号。
光路传输：用于控制脉冲激光路径以及光斑大小。
光谱仪：用以接收等离子体光信号，并将光线分立形成分立光谱，传导 至CCD进行光电转换，产生光谱图。
一种基于激光诱导击穿光谱的熔覆工艺调控方法，其具体方法如下：
首先激光熔覆激光器开启进行预热，接着将航空发动机大型风扇机闸静 子叶片，用无水乙醇清洗干净后，置于样品加工台上，此时，根据修复的要 求利用示教器编写机器人运动轨迹、运动高度以及激光器开启时间，接着在 设置初始的加工参数：激光功率2500W，离焦量10mm，送粉速量30g/min， 送粉气流量0.2m3/h，扫描速度4mm/s；之后启动相关激光诱导击穿光谱设备 以及红外测温仪进行校正，此时激光诱导击穿光谱系统以及红外测温仪处于 准备状态；准备完毕后开启激光熔覆系统；激光诱导击穿光谱、红外测温仪实时在线监测熔覆过程中的光谱信号以及红外温度，并将数据传导至计算 机。计算机建立熔覆过程中特征谱线强度以及温度的强度曲线，判断特征谱 线以及温度是否稳定，如曲线稳定则加工直至结束，否则将得到的两种曲线 与数据库中的已有的数据进行对比，并根据经验工艺参数：对进粉量、扫描 速度、离焦量、激光功率、保护气体量五项工艺参数进行反馈调节，并继续 加工，直至结束。
本发明基于激光诱导击穿光谱技术和红外测温仪相结合的解决方案，实 现了激光熔覆过程中的参数自动优化，而且激光熔覆系统以及红外测温仪对 于环境要求较低，可以在环境较为复杂的工厂中监测实时的结果，进而实现 精确的反馈调节，进而降低航空发动机大型风扇机闸静子叶片的加工成本， 提高航空发动机大型风扇机闸静子叶片的再利用率，更能提高激光熔覆技术 的应用潜力。
本发明的控制方式是通过人工启动和关闭开关来控制，动力元件的接线 图与电源的提供属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护方法，所 以本发明不再详细解释控制方式和接线布置。
以上显示和描述了本的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领 域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背 离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。 因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性 的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权 利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利 要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
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