关键词：
激光熔覆
熔池温度
温度控制
温度分布
嵌入式系统
摘要：
激光熔覆技术利用高能激光将粉末材熔覆在基体表面,形成具有特殊性能的冶金结合层,以此来改善金属零部件的表面性能。激光熔覆过程是一个复杂的物理化学反应过程,其中熔池是其最小的成形单元,熔池由高能激光束、金属粉末和基体相互作用而产生,熔池的质量直接决定了整个熔覆层的质量好坏,而熔池凝固后的裂纹数量、致密性及粗糙度等都与熔池的温度有着直接的关联。目前国内外有一些学者对熔池温度与激光熔覆质量之间的影响关系进行了研究,但缺少综合考虑其他加工参数的影响也未对整个控制系统进行设计和研究分析,此外,国内在激光熔覆领域中对基于嵌入式的熔池温度控制系统的研究极少,工厂中采用的嵌入式控制系统多数仍依靠国外进口。因此,设计研究熔池温度的检测和反馈控制系统对激光熔覆技术具有重要而深远的意义。本文的主要研究内容如下:(1)研究了激光熔覆过程中激光功率、扫描速度及扫描路径等不同工艺参数对熔池温度的影响规律:通过检测不同激光功率、扫描速度、扫描路径及填充策略下熔池温度的变化,研究了工艺参数对熔池温度的影响规律。实验结果表明,当激光功率在1200W～1800W速度在10 mm/s～15 mm/s范围内时,熔池温度变化与激光功率和扫描速度近似呈线性关系,熔池温度随激光功率的增大而升高随扫描速度的提高而下降;不同的扫描路径会影响熔池温度的波动情况,扫描路径形状越复杂熔池温度波动越大;填充策略会影响工件的整体热量分布情况并进而影响熔池的温度变化,长边填充方式对温度影响最低,自外向内的填充方式对温度影响最大。(2)建立了激光熔覆过程中熔池的三维仿真模型,得到了熔池温度分布的二维和三维模型:根据高斯移动热源模型和导热微分方程等公式对激光熔池温度进行了有限元仿真,利用ANSYS软件实现了移动热源的加载。实验表明在移动过程中熔池温度分布形如拖尾彗星状,在激光光斑前半部分温度变化较剧烈,而后半部分变化较缓。(3)设计分析了基于嵌入式系统的熔池温度控制主板的各功能模块的电路原理图:分析比较了常用的温度检测和工业通信方法,详述了基于ARM Cortex-A7架构的主控芯片的特性和功能,并在此基础上设计分析了控制主板的各个功能模块的电路原理图,完成了信号采集电路、通信电路、控制电路以及电源管理电路等电路模块的设计。其中,4～20m A电流的采集误差小于0.6%,0～10V控制信号的输出电压线性度误差小于0.5%。(4)研究了激光扫描路径对工件整体温度分布的影响规律,并提出了基于激光扫描路径的G代码文件预处理方法并以此优化熔池温度控制:通过解析激光熔覆中所使用的包含激光功率、扫描速度、路径等信息的G代码文件,动态分析出整体的温度分布情况,将局部温度较高或较低的地方对激光功率进行调整,以此优化熔池温度的控制。在常规工艺下,该预处理算法所需时间的比重要小于总加工时长的1.5%。实验表明,该方法可以有效地优化熔池温度波动情况,采用该方法的试样其微观组织形貌也要优于未采用该方法的试样。(5)编写了整个系统的软件程序并设计开发了基于Windows系统的数据监控软件:在Linux环境下完成了控制主板的U-BOOT的编译、嵌入式Linux系统内核的编译和嵌入式Linux文件系统的裁剪和编译。使用GCC工具完成了对控制程序的编译并使用GDB工具完成了对控制程序的调试,最终达到了预期的目标。此外以Python 3.7为开发环境,使用GUI图形库wx Python设计开发了基于Windows系统的数据监控软件,该软件可实时查看控制主板在实际应用过程中的数据信息,同时也可实现对控制主板做初始配置。(6)搭建与调试了熔池温度检测与控制系统,并通过对比试验验证了该控制系统的有效性:利用电路设计软件工具绘制了控制主板的原理图和PCB图,并对完成后的电路板进行了焊接和调试,验证了硬件设计的正确性。搭建了整个控制系统并通过设计对比试验验证了熔池温度控制系统的有效性。试验结果表明,该控制系统所检测到的熔池温度数据准确度达99.2%,精度0.1℃,并能实现对熔池温度的优化控制,试样也表现出了良好的冶金结合,裂纹等缺陷也有明显的减少。综上所述,本文所研究设计的激光熔覆过程中熔池温度检测与优化控制系统可以实现对熔池温度的实时控制并获得较高质量的激光熔覆层。
