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《天津工业大学》 2007年
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基于CCD的激光再制造熔池温度场检测研究

雷剑波  
【摘要】: 激光再制造技术近年来在国内外已受到广泛关注,成为先进制造技术研究领域一个新的分支。该技术尚处在发展之中,目前的研究多限于设备、工艺和材料等方面,其中许多基础理论和技术问题尚需深入开展研究,如高功率激光与粉末流相互作用机理及粉末流状态的检测技术研究,激光熔池内外传热、传质与对流理论及对冶金组织性能的影响,激光再制造的CAD/CAM软件研究开发,激光再制造过程中温度及尺寸精度检测控制等。这些问题使其应用受到很大限制。 激光再制造过程中,激光熔池内存在着强烈的能量、动量和质量传输过程,从而产生传热、对流和传质等现象。激光熔池的温度场分布强烈影响能量、动量和质量传输过程,它直接影响激光再制造的冶金性能和表面质量。从理论和试验上开展激光再制造熔池温度场检测研究对激光再制造技术的发展和应用具有重要指导作用。 本文旨在研究激光再制造过程中激光熔池的温度场分布,为该技术的发展作进一步研究。针对激光再制造熔池温度场的检测研究,本文详细说明了激光再制造技术的原理,综述了激光熔池温度检测国内外发展现状,提出采用CCD进行激光熔池温度场检测,主要做了以下创新工作: 1)基于热辐射机理和金属对激光的反射与吸收特性,研究了激光再制造熔池热辐射的一些特性,选择激光熔池在可见光波段的热辐射进行温度检测,分析了激光再制造常用材料在不同波长、温度和表面状况的表面发射率变化规律,为CCD检测激光再制造熔池温度场模型建立与分析奠定基础。 2)确定CCD检测激光再制造熔池温度场系统的结构方案,基于普朗克辐射定律和比色测温原理,建立CCD检测激光熔池温度场模型和一套CCD测温装置,根据模型和CCD的实际光谱响应曲线,进行系统响应、灵敏度和测温误差分析,对比色测温波长选择进行了分析研究。 3)进行激光熔池测温专用软件需求和可行性分析,描述了激光熔池热辐射图像的数据流程,采用模块化思想进行软件设计,基于数字图像处理技术,开发出一套激光再制造熔池测温专用软件,详细介绍了热辐射图像的数据采集、输入/输出、图像处理、温度计算模块及程序设计开发。4)介绍了常用黑体辐射源的结构、加热控温方式和性能评价方式,对不同类型的黑体辐射源进行了详细描述,选择中国计量科学研究院的标准高温黑体辐射源进行温度标定,建立了热辐射图像比色值与温度之间的对应关系。 5)进行大量运动过程中的激光熔凝、激光熔覆等工艺试验,得到不同工艺情况下的激光熔池温度场分布;进行了激光再制造工业应用试验,通过所建立的CCD测温系统对激光再制造过程进行实时监测。
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