激光再制造過程中的粉末流場檢測技術(shù)
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激光同軸送粉是個復雜的高功率激光與金屬粉-載流氣體二相流相互作用的物理過程。存在著金屬粉末粒子對高功率激光的反射、散射、衍射、吸收和透過等現(xiàn)象，涉及到光子與微粒子間散射，Beer-Lambert透射，金屬粒子對激光的韌致輻射吸收，金屬粒子內(nèi)部傳熱、對流、傳質(zhì)等基礎(chǔ)理論問題。要使激光束與粉末流形成良好空間耦合，涉及到激光光斑、幾何形狀、模式分布、粉嘴幾何設(shè)計，氣-粉流的空間濃度分布，氣-粉流的空間速度場等理論描述及檢測問題。同步送粉激光熔敷工藝參數(shù)的優(yōu)化，涉及激光在粉末流吸收和透過的能量平衡，吸收后熱粉末溫度場的理論描述及檢測等問題。激光同軸送粉中氣-粉兩相的濃度場、速度場、溫度場檢測是個難度大的課題。搞清它們不僅具有重要的學術(shù)價值，更有利于指導應用。國際上已充分認識到激光同軸送粉基礎(chǔ)研究的重要性，已有人開始初步研究，但研究內(nèi)容和結(jié)果都是初步的，缺少先進的手段和方法。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，常被用于流場測試的PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)漸漸顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢。而另一種IR紅外測溫技術(shù)的出現(xiàn)也為我們進行粉末流場提供了可能。
粉末流場的流動過程和其中內(nèi)部的各種物理現(xiàn)象是復雜的。但通過我們的分析，可以把主要研究重點放在以下三個方面：
（1）粉末流速度場的研究
粉末流速度場的研究還是一個空白，特別對于載氣式送粉。從粉嘴噴出粉末粒子的速度分布影響著熔池的形狀。對粉末利用率，以及進一步的理論分析都有著重要影響。在流體力學領(lǐng)域，由于工程上的需要常進行一些流體測試。PIV 粒子圖像測速技術(shù)技術(shù)自二十世紀七十年代以來，已取得了長足和令人鼓舞的進展。目前PIV技術(shù)已應用于各種流動的流場觀測研究中，但將PIV技術(shù)應用于激光快速制造中送粉器出口的三維氣固二相流場研究，這在國內(nèi)外的文獻資料中還未見報道。
通過測量送粉嘴出口粉末粒子流橫向和縱向的速度場分布，得到測試截面內(nèi)的二維或三維速度向量場分布、等速度場、等渦量場和二維截面流線分布。
在二氧化碳激光束中，由于單臺脈沖激光器不能提供高能且脈沖間隔極短的激光，因此使用雙脈沖YAG激光器輸出的532nm激光束合束后經(jīng)過導光臂以及片光源圓柱透鏡組形成的片光源照明金屬粉末流場，給拍攝提供照明光源。這樣經(jīng)同步器調(diào)節(jié)后可以和數(shù)碼相機形成很好的同步配合。
檢測中采用8比特CCD跨幀相機鏡頭附加532nm濾光片對流場的流動圖像進行實時記錄。相機的雙曝光模式可以在瞬間曝光兩次，通過同步器的控制和脈沖照明光源同步，極短時間（粒子下落幾個像素）內(nèi)捕捉兩幅圖像。再通過數(shù)字圖像處理的方法得到所需要的速度場信息。
對于垂直于送粉器出口軸線截面的速度場測量，由于相機不能對流場進行正直拍攝，得到的流場圖像產(chǎn)生了變形，這就需要結(jié)合數(shù)字圖像處理中的圖像拉伸變形匹配技術(shù)進行校正，然后再進行速度場的計算。通過得到的速度場分布，可以進一步通過環(huán)量計算公式得到相應的渦量場，以及通過積分計算得到相應的二維流線分布。
三維速度場是通過同樣兩套PIV系統(tǒng)同時拍攝，將兩套二維速度場結(jié)果，按照雙目視覺體視原理合成計算三維的速度場。
（2）粉末流濃度場分布和顆粒直徑分布的測量研究
快速制造所使用的粉嘴中，我們最希望它的環(huán)形咀送出的粉末是均勻的，具有軸對稱分布。這不僅有利于提高成型件表面質(zhì)量，而且便于優(yōu)化激光能量分布。在非載氣送粉中，由于粉末依靠自重下落，受到外界影響比較小，送出的粉末均勻性較好，但也并不能知道其具體情況。而載氣式送粉方法中，由于氣流的影響，粉末的流動情況是復雜多變的，利用理論的方法得到的結(jié)論不盡如人意。
使用PIV技術(shù)中的數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合激光片光的照明技術(shù)，通過拍攝到的金屬粉末流場圖像灰度分布，可以分析得到送粉器出口流場的濃度場分布。同時根據(jù)粒子在圖像中所占據(jù)的像素個數(shù)還可以得到單個粒子直徑及大小，以便于對被測金屬微粒粒徑進行統(tǒng)計分析。
激光片光源采用長焦距片光匯聚鏡頭，產(chǎn)生接近平行光束的片光照明流場，同時為了抵消片光經(jīng)過金屬粉末后的衰減效應，在片光入射方向?qū)ΨQ的光路上再增加一個反射鏡將入射光線沿原光路反射入金屬粉末流場，增加流場照明的均勻度，也保證了濃度場測量的準確性。
（3）粉末流束在與高功率激光作用下的溫度場研究
粉末流束在激光作用下的溫度場的研究一直是科研人員研究的重點。但是鑒于激光高溫加熱的特殊性，在溫度場方面的研究進展并不大。有的學者通過理論計算得到單個粒子的溫度來判斷粉場情況，也由臺灣的學者提出這方面的初步試驗構(gòu)想，但實際并不可行。還有些學者提出利用光纖傳感器或比色測溫儀，但都不可行。盡管也有商業(yè)化的熱像儀，但由于激光作用下的熱粉流場的特殊性，多數(shù)都不能滿足檢測要求，且價格過于昂貴。為此我們通過深入研究焊接溫度場的測溫系統(tǒng)，根據(jù)我們的實際，設(shè)計了一套用于粉末熱流場的檢測方法。
根據(jù)維恩位移定律，金屬鐵粉經(jīng)過激光束后最大光譜輻射度波長響應范圍（1970nm-5060nm），我們要去除可見光的影響，同時也要避開環(huán)境因素的影響，因此我們選用雙比色測溫濾光片參數(shù)分別為804.5nm和894.6nm。這兩個波長均在近紅外區(qū)且在CCD相機響應范圍內(nèi)。又因為要通過圖像的灰度級差別來判斷溫度的高低，所以對溫度圖像的拍攝要求選用高比特數(shù)的CCD相機。如柯達的Megaplus-ES/10就具有1024個灰度級，能夠滿足要求。由于粒子本身就在激光作用下，所以無需照明光源。比色測溫儀裝置如圖5所示布置，光路系統(tǒng)選用單臺相機，切換不同濾色片的單通道型圖像記錄方式。
濾光片及其控制保證兩個濾光片交替置于數(shù)字相機圖像記錄光路中，移動響應時間小于10ms，由計算機控制的高精度步進電機實現(xiàn)準確定位。
軟件包括兩部分：一部分控制濾光片轉(zhuǎn)入記錄光路機械控制部分，另一部分進行實時的同步圖像采集、處理。我們可以采用與被測物相同材料，將其加熱至指定溫度，利用圖像采集系統(tǒng)采集到的數(shù)字圖像進行去噪音、圖像過濾處理，令其灰度值作為標定值。利用軟件技術(shù)將其已得到的熱粉流場圖像的灰度值換算成溫度值，并通過不同溫標在顯示設(shè)備上實時顯示溫度值分布。并可以同時進行二維等溫曲線云圖，以及三維溫度場等高圖的顯示。
粉流場的速度、濃度分布和高能激光束作用下的熱粉流的溫度場研究是一個新的領(lǐng)域，所以在研究中，有些關(guān)鍵問題仍需解決:
1.分析橫截面的濃度場和速度場需要將相機傾斜一定角度拍攝帶來圖像的非正直攝影變形問題，需要進行標定和校正，標定點的選取和校正的算法直接影響到后期的計算結(jié)果。
2.采用載氣式送粉，粉末粒子流的速度較快，因此使用雙脈沖激光器配合跨幀數(shù)字相機的雙曝光功能，必須要將各種電氣和光學信號需要嚴格同步控制。因此，同步控制器的研制也是一個關(guān)鍵的技術(shù)問題。為了將CCD數(shù)字相機的外觸發(fā)雙曝光功能與雙脈沖激光器的氙燈Q開關(guān)等控制信號同步工作，需要有一個基準信號源來觸發(fā)它們。這就需要一個能夠周期的（15Hz）產(chǎn)生多通道觸發(fā)信號的信號同步器來控制整個圖像采集系統(tǒng)，而且在溫度場的比色測溫控制中也要將濾光片機械控制與CCD圖像采集同步控制。
3.比色測溫的溫度場是動態(tài)不確定變化的，需要比色測溫的動態(tài)響應足夠快，這就需要高速的靈敏的數(shù)字相機。而且溫度的灰度相差比較小，這就需要高比特數(shù)的相機，便于準確表示溫度值。濾波片的切換速度快，也需要高精度的步進電機。
4.濾光片的透過波長直接影響所捕捉的影像的質(zhì)量。既要求在CCD相機的有效響應范圍之內(nèi)，又不能受可見光及周圍因素的影響。另一方面兩個濾光片的可通過光的波長差值也十分重要，它影響著后面的比色計算，影響測量精度。因此恰當選擇兩個濾光片是在測溫方案中要注意的重要因素之一。
5.光路設(shè)計需要考慮送粉器原有的二氧化碳激光束影響，532nm的照明片光要薄，定位要準，而且濃度場測量中擴束光經(jīng)過金屬粉流場能量要均勻，這都是在鏡片的選擇和設(shè)計中需要考慮的因素。
6.體視位移機構(gòu)的作用是將兩臺跨幀數(shù)字相機按照一定角度，類似于生物視覺原理拍攝流場圖像。這其中不僅包含固定相機的移動機構(gòu)，還有數(shù)字相機鏡頭的移軸鏡頭機構(gòu)，用于滿足非正直拍攝的要求。在三維速度場的檢測中，這是十分重要的。
7.相應的數(shù)字圖像處理技術(shù)。粉末流場由于粒子不斷下落，整體是不停變化的，我們得到的一幅圖像只表示某瞬間的狀態(tài)。為了分析流場的變化規(guī)律及判斷其穩(wěn)定性，我們必須采用實時采集，實時計算顯示的技術(shù)。因此數(shù)字圖像處理的算法就尤為重要了。我們應開發(fā)出能在盡可能短時間內(nèi)得到結(jié)果的算法，便于實時檢測。
總結(jié)：粉末流場的檢測是個比較新的研究領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域里深入研究對于我們建立準確的理論模型，設(shè)計出最優(yōu)的柔性粉咀具有重要意義。將其用于工程實際也有直接的指導意義。(end) 激光器相關(guān)文章:激光器原理 透射電鏡相關(guān)文章:透射電鏡原理 熱像儀相關(guān)文章:熱像儀原理
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