一种基于扫描速度的PDF反馈控制提高熔覆质量的方法技术

本申请涉及激光熔覆和反馈控制领域，尤其是一种基于扫描速度的PDF反馈控制提高熔覆质量的方法。利用红外测温仪对激光熔覆过程中形成的熔池进行温度测量，并将测得的温度信号放大后经过模数转换输入控制系统，通过系统中的PDF算法对激光扫描速度进行反馈控制，使熔池的温度趋于稳定，进而减少熔覆层裂纹缺陷的产生。本发明专利技术利用熔池的温度信号结合PDF算法来反馈控制激光扫描速度，避免因熔池温度波动过大而产生的熔覆层不平整均匀的现象。能够有效提高熔池温度的稳定性，从而优化单道激光熔覆层的质量。层的质量。层的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于扫描速度的PDF反馈控制提高熔覆质量的方法


[0001]本申请涉及激光熔覆和反馈控制领域，尤其是一种基于扫描速度的PDF反馈控制提高熔覆质量的方法。利用红外测温仪记录熔池的温度，结合PDF算法调节扫描速度的大小从而控制熔覆层宽度，解决了温度过高而出现的熔覆层不均匀的情况。

技术介绍

[0002]激光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指在激光束作用下将合金粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自冷却形成稀释率低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法。但是目前熔覆质量低，具体表现在孔隙率大，熔道不均匀等方面，限制其在生产制造中的广泛使用。
[0003]熔池层不均匀是导致工件成型质量不高、内部气孔等缺陷严重的重要原因，传统激光增材过程中设定扫描速度后，以恒定的速度直至工件成型。恒定速度下熔覆层的宽度不均匀，熔覆层深度方向起伏较大，从而影响工件质量。
[0004]传统的反馈控制系统多采用PID控制，PDF反馈控制与常规的PID控制有某些相同之处，但较好地克服了PID控制的微分突变、启动回绕等缺陷，具有响应快、跟踪准确等特点。其输出比较平滑，极少出现失控和振荡现象，抗干扰性能良好，算法较容易实现，需要调试的参数很少，而且对于大多数系统来说，是一种最优控制。与一些复杂的控制算法相比，伪微分反馈控制算法显得相当简便而可靠。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于扫描速度的PDF反馈控制提高熔覆质量的方法，其特征在于：利用红外测温仪对激光熔覆过程中形成的熔池进行温度测量，并将测得的温度信号放大后经过模数转换输入PC端的控制系统，通过控制系统中的PDF算法对激光扫描速度进行反馈控制，使熔池的温度趋于稳定，进而减少熔覆层裂纹缺陷的产生。本专利技术利用熔池的温度信号结合PDF算法来反馈控制激光扫描速度，避免因熔池温度波动过大而产生的熔覆层不平整均匀的现象。能够有效提高熔池温度的稳定性，从而优化单道激光熔覆层的质量。
[0006]本专利技术采用的技术方案，具体步骤如下：
[0007](1)设置激光熔覆工艺参数。预置铺粉，分别采用不同的激光扫描速度进行单道次激光熔覆预实验并进行熔池温度测量；
[0008](2)激光熔覆过程中记录熔池的温度信息，在不同的激光扫描速度的前提下，绘制以时间为横坐标，熔池温度为纵坐标的曲线，观察熔池温度的波动情况；
[0009](3)将实验采集到的温度信号通过A/D转换器输入到PC端的控制系统中，PC端的控制系统与红外测温仪的接线板相连，储存所得到的信号，在PC端的控制系统中预设扫描速度的取值范围；
[0010](4)将相较之下，最为平整光滑的单道熔覆层的温度信号值作为基准；当调节扫描速度进行再次熔覆时，以输入控制系统的信号值与基准值之间的差值作为参照对象，通过PDF实时控制扫描速度，调控扫描速度后再熔覆的工艺有效避免了温度过高而出现的熔覆层不均匀的情况，使熔池的温度趋于稳定，进而减少熔覆层裂纹缺陷的产生。
[0011]步骤(1)中的温度测量是将红外测温仪放置于激光头的一侧，在进行激光熔覆的过程中随着激光头同轴移动，沿着熔覆路径的方向记录下温度。
[0012]步骤(3)中，所述预设扫描速度的取值范围是指在不同激光扫描速度进行单道次激光熔覆预实验后，肉眼判断成行质量相对好的速度范围。
[0013]步骤(4)中，单道熔覆层最为平整光滑的选取准则为均匀选取熔覆层上的5等分的位置，利用精度游标卡尺测量出成形宽度。在宽度方向上的成形尺寸差值最小的，所形成的熔覆层就最为平整光滑。
[0014]步骤(4)中，激光扫描速度的反馈调节通过PDF实现，将输入控制系统的信号值与基准值之间的差值作为调控对象，控制系统的信号值与基准值之间的差值控制在
±
150℃内，使扫描速度在限定阈值范围内作动态调整。
[0015]本专利技术的有益效果主要体现在：激光熔覆过程中算法对扫描速度的自动调节，避免因熔池温度波动过大而产生的熔覆层不平整均匀的现象。能够有效提高熔池温度的稳定性，从而优化单道激光熔覆层的质量。
附图说明
[0016]图1为激光熔覆过程中扫描速度调控系统构成图。
[0017]图2为熔覆过程中的熔池温度变化曲线。
[0018]图3为算法控制前后熔覆层宽度对比图。
具体实施方式
[0019]下面结合实施案例对本专利技术做进一步详细描述。
[0020]本实施例采用的是150mm
×
150mm
×
15mm规格的45刚作为基体材料，熔覆材料为铁基F301粉末。
[0021](1)本实施例选用的是型号为MR1SCCF型红外测温仪。其测温范围在1000～3000摄氏度，精度为
±
0.75％。将红外测温仪放置于激光头一侧，沿着熔覆路径的方向记录下温度。
[0022](2)本实施例选用的激光器为大功率CO2激光器，配置相应的冷却机组和刮板式送粉器。将45钢放置于设备的加工平台上，在送粉器中加入铁基Fe301粉末，通过数控设备预设激光熔覆的工艺参数：激光功率为1.8KW，送粉量为6.5g/min，搭接率50％，光斑直径为1mm。
[0023](3)预置铺粉，采用不同的激光扫描速度进行单道次激光熔覆预实验，长度为100mm，肉眼判断成行质量相对好的速度范围。在PC端控制系统中设置扫描速度限值为8
‑
12mm/s和PDF参数：KH为1.0,KP为270，KI为330，KD为
‑
12。
[0024](4)确定好扫描速度的限值后，分别采用不同的激光扫描速度再次进行单道次激光熔覆实验，长度为100mm,图2是在不同的激光扫描速度的前提下，选取其中的三种速度绘
制的以时间为横坐标(完成的时间分别为15.0s、12.0s、10.0s)，熔池温度为纵坐标的曲线，观察熔池温度的波动情况。利用精度游标卡尺测量出成形宽度后，将控制系统设置的熔池基准温度为1900℃。当调节扫描速度进行熔覆时，以熔池温度输出值与基准温度值之间的差值为参照对象，本实施例熔池温度输出值与基准温度值之间的差值为
‑
359℃、
‑
256℃、
‑
167℃、163℃、256℃等，将差值作为偏差信号进行反馈控制，通过PDF反馈算法中的积分环节来减小误差，PDF算法控制其大于零时适当提高扫描速度，小于零时适当降低扫描速度，速度变化的范围当不超过预设的限值。在激光熔覆过程中实时记录熔池的温度信息。
[0025](5)图3为采用恒定扫描速度和算法控制下的动态扫描速度进行熔覆实验的工件熔覆层宽度对比图，调整前由于能量输入的变化致使熔覆层在宽度方向的尺寸波动比较大，不能稳定于一个较好的数值，对激光扫描速度的动态调整，即通过采用“熔池温度较小时降低激光扫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扫描速度的PDF反馈控制提高熔覆质量的方法，其特征在于：利用红外测温仪对激光熔覆过程中形成的熔池进行温度测量，并将测得的温度信号放大后经过模数转换输入PC端的控制系统，通过控制系统中的PDF算法对激光扫描速度进行反馈控制，使熔池的温度趋于稳定，进而减少熔覆层裂纹缺陷的产生，优化单道激光熔覆层的质量。2.根据权利要求1所述的一种基于扫描速度的PDF反馈控制提高熔覆质量的方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)设置激光熔覆工艺参数，预置铺粉，分别采用不同的激光扫描速度进行单道次激光熔覆预实验并进行熔池温度测量；(2)激光熔覆过程中记录熔池的温度信息，在不同的激光扫描速度的前提下，绘制以时间为横坐标，熔池温度为纵坐标的曲线，观察熔池温度的波动情况；(3)将实验采集到的温度信号通过A/D转换器输入到PC端的控制系统中，PC端的控制系统与红外测温仪的接线板相连，储存所得到的信号，在PC端的控制系统中预设扫描速度的取值范围；(4)将相较之下，最为平整光滑的单道熔覆层的温度信号值作为基准；当调节扫描速度进行再次熔覆时，以输入控制系统的信号值与基准值之间的差值作为参照对象，通过PDF实时控制扫描速度，调控扫描速度后再熔覆的工艺有效避免了温度过高而出现的熔覆层不均匀的情...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗开玉，吴昌隆，鲁金忠，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：