激光制造中金屬熔池成形檢測(cè)及優(yōu)化控制教委項(xiàng)目_天津工大所雷劍波

1、項(xiàng)目:項(xiàng)目類(lèi)別： 一般市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目申請(qǐng)書(shū)項(xiàng)目名稱(chēng)：激光制造中金屬熔池成形檢測(cè)及優(yōu)化控制項(xiàng)目申請(qǐng)者：所在學(xué)校(蓋章)：工業(yè)大學(xué)現(xiàn)代集成制造，所屬 ：申請(qǐng)日期： 2008 年 12 月 20 日市教育二八年制學(xué)科門(mén)類(lèi)（ 一級(jí)學(xué)科）光學(xué)工程填 表 說(shuō) 明一、填寫(xiě)申請(qǐng)書(shū)前，請(qǐng)先查閱市高等學(xué)?？萍及l(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目管理辦法。申請(qǐng)書(shū)所列內(nèi)容必須實(shí)事求是，逐項(xiàng)認(rèn)真填寫(xiě)，表達(dá)要明確嚴(yán)謹(jǐn)。對(duì)于填寫(xiě)內(nèi)容含糊不清、不合要求、手續(xù)不全及字跡潦草的申請(qǐng)書(shū)不予受理。二、課題名稱(chēng)要確切反映課題的內(nèi)容，字?jǐn)?shù)最多不超過(guò)26 個(gè)漢字。三、表中的“學(xué)科名稱(chēng)”及“學(xué)科代碼”必須按國(guó)家技術(shù)1992 年 11 月發(fā)布的“

2、學(xué)科分類(lèi)與代碼”（GB/TI374592）的三級(jí)學(xué)科及代碼填寫(xiě)；封面總由市教委科研處填寫(xiě)。四、“類(lèi)別”、“最后學(xué)位”、“外語(yǔ)程度”各欄目中，請(qǐng)從提示符 A、B、C 中選擇，并填寫(xiě)其后在空格內(nèi)。五、課題組凡有員、工程師者，應(yīng)填入教授、講師等相應(yīng)欄目?jī)?nèi)；博士生、生和本科生為所參與的學(xué)生情況。六、申請(qǐng)書(shū)中有關(guān)欄目（簡(jiǎn)表除外）填寫(xiě)不下時(shí)可另附紙說(shuō)明。七、上報(bào)的申請(qǐng)書(shū)必須用 A4 紙雙面打印一式五份，按通知要求如期報(bào)市教委科研處，過(guò)時(shí)不予受理。一、簡(jiǎn)表激光制造中金屬熔池成形檢名稱(chēng)測(cè)及優(yōu)化控制研究課題A：基礎(chǔ) B：應(yīng)用 C：開(kāi)發(fā)學(xué)科名稱(chēng)相關(guān)學(xué)科光電子學(xué)與激光技術(shù)類(lèi)別A學(xué)科代碼510.20學(xué)科代碼2008

3、年 12 月至 2011 年 11 月申請(qǐng)金額30千元起止年月1981 年 3 月男民族出生年月專(zhuān)業(yè)技術(shù) 定職時(shí)間 行 政職 務(wù)講師 2008 年9 月學(xué)歷大學(xué)2002 年6 月畢業(yè)于工業(yè)大學(xué)申最后學(xué)位A：博士 B：C：學(xué)士2005 年3 月畢業(yè)于工業(yè)大學(xué)A請(qǐng)博士2008 年2 月畢業(yè)于工業(yè)大學(xué)（碩博連讀）者從事專(zhuān)業(yè)光學(xué)工程 外語(yǔ)語(yǔ)種 1：程度A 一般； B 四級(jí)； C 六級(jí) C英語(yǔ) 語(yǔ)種 2：A日語(yǔ) 程度方向（一）現(xiàn)代激光制造理論及應(yīng)用方向（二）光電檢測(cè)技術(shù)合作數(shù)教授 講師 博士生總?cè)藬?shù)助教 生本科生課題組51學(xué)位 專(zhuān)長(zhǎng) 所在 簽名 激光制 造理論 及應(yīng)用 王云山 54 教授 博士 工業(yè)大學(xué)

4、激光所 課題組主要成員基本情況工藝 實(shí)驗(yàn) 朱福棟 26 生學(xué)士 工業(yè)大學(xué)激光所 生學(xué)士 圖像 處理 陳修平 24 工業(yè)大學(xué)激光所 生學(xué)士 24 張燁 工業(yè)大學(xué)激光所 編程 二、申請(qǐng)者相關(guān)工作成績(jī)1 、申請(qǐng)者近五年承擔(dān)項(xiàng)目情況及完成情況（經(jīng)費(fèi)：萬(wàn)元） 時(shí)間 課題名稱(chēng)項(xiàng)目來(lái)源 經(jīng)費(fèi)數(shù) 完成 承擔(dān)排序 2005-2007 年激光制造中高功率激光與金屬粉末流相互作用機(jī)理國(guó)家自然科學(xué)基金20 已完成 第二 20042006 年激光再制造技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用市科委重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目30 已完成 第四2 、申請(qǐng)者近五年成果獲獎(jiǎng)情況（按獲獎(jiǎng)時(shí)間填寫(xiě)） 時(shí)間 成 果 名 稱(chēng)項(xiàng)目來(lái)源 授獎(jiǎng)部門(mén)及級(jí)別 完成人順序 3 、申請(qǐng)者

5、與本課題有關(guān)的、專(zhuān)著及（按時(shí)間由最新成果填起） 時(shí)間 成果名稱(chēng) 成果類(lèi)別 /完成人順序 2008.10 激光熔覆熔池表面溫度場(chǎng)分布的檢測(cè)EI: 084611708813中 國(guó) 激 光 ,2008,35(10): 1605-1608，陳，等2008.4 CO2 激光熔凝中熔池冷卻過(guò)程檢測(cè)激 光 技 術(shù) ,2008,32(2): 191-193，陳，等2007.4 激光熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程檢測(cè)EI:072510663479中國(guó)激光, 2007, 34(4,增): 357359，陳，等2007.3 激光熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)EI:072110613753華技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2007,35(3, z1):

6、112-114，陳，等2007. 2激光熔池 CCD 測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng) 用 激 光 ,2007,27(1): 58，陳，等2006.10 高功率橫流 CO2 激光熔池形成過(guò)程檢測(cè)應(yīng) 用 激 光 ,2006,26(5): 311313，陳，等2006.7 激光制造中金屬粉末流濃度場(chǎng)的檢測(cè)EI:063710111615中國(guó)激光， 2006 ，33(7): 993-997.陳， ，等2005.7 TheoreticMand Experimental evaluation of derfluidinlaser manufacturing (): Researchon the concentration

7、 fieldLasersinManufacturing 2005, Proceeding of the Thirdernational WLT-Conference on LasersinManufacturing,2005.7: 355-359Xichen， Jianbo Lei， et al2005.1 Study on CCD measurement of temperature field in laser molten poolEI: 05229133637Lasersaterial Pro singandManufacturing II,Proceedingsof SPIE(200

8、5), 2005.1, v5629: 546556.Lei Jianbo，Xichen ， et al 三、對(duì)課題目的、意義的簡(jiǎn)明1、的目的、意義、內(nèi)容和成果的預(yù)計(jì)去向。（ 包括本課題所要解決的科學(xué)問(wèn)題、理論上的科學(xué)價(jià)值或預(yù)見(jiàn)在應(yīng)用中對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的影響等） 隨著快速原型技術(shù)的發(fā)展，采用高功率激光送粉逐層熔覆的方法，直接制造金屬實(shí)體零件技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外 熱點(diǎn)。它的工作原理如下：如圖 1 所示，高功率激光與金屬粉末/載流氣體從工作頭輸出，激光束在粉末流中通過(guò)，一部分激光能量被金屬粉末吸收并使粉末加熱升溫，一部分激光能量從粉末流中透射到零件基體表面，在計(jì)算機(jī) CAD/CAM 驅(qū)動(dòng)下，激光送粉工作頭像“

9、金屬筆”一樣，逐層熔覆堆積，它不需要模具，在基體材料上，短時(shí)間內(nèi)可制造出三維實(shí)體金屬零件，稱(chēng)之為激光直接制造技術(shù)。該技術(shù)還廣泛用于 裝備中的貴重零件高精度修復(fù)，使其快速恢復(fù)原有精度與性能，稱(chēng)為激光再制造技術(shù)。也將激光直接制造和再制造統(tǒng)稱(chēng)為激光制造技術(shù)。圖 1 激光制造系統(tǒng)該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到初步重要的工業(yè)應(yīng)用：如 葉片直接制造和修復(fù)，航空航天中關(guān)鍵齒輪直接制造，天文望遠(yuǎn)鏡中鏡筒組件快速制造，以及冶金、電力中大型發(fā) 組主軸、大型艦船主軸、海上油田大型輸油泵軸等關(guān)鍵零部件高效快速修復(fù)等，已在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中產(chǎn)生了 經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。盡管激光制造技術(shù)已取得若干 應(yīng)用，但該項(xiàng)技術(shù)尚處于發(fā)展之中，目前的研究多限于

10、設(shè)備、工藝和材料等方面，激光制造中許多基礎(chǔ)問(wèn)題尚需深入開(kāi)展 ：如高功率激光與金屬粉末流相互耦合理論及粉末流狀態(tài)（速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)）檢測(cè)，激光制造過(guò)程中熔池內(nèi)外傳熱、光熱輻射、傳質(zhì)及對(duì)流理論及對(duì)冶金組織性能的影響，激光制造的CAD/CAM 控制，激光制造過(guò)程中熔池溫度、尺寸和位形精度檢測(cè)控制等。這些問(wèn)題使其應(yīng)用受到很大限制。激光制造過(guò)程中，高溫金屬熔池伴隨有快速傳熱、輻射、對(duì)流、 、分子取相及可能的結(jié)晶等物理化學(xué)變化，存在著 能量、動(dòng)量和質(zhì)量傳輸過(guò)程，是一個(gè)十分復(fù)雜的非平衡短時(shí)冶金過(guò)程。其動(dòng)態(tài)過(guò)程分布直接影響激光制造的冶金性能和外在質(zhì)量。通過(guò)大量分析及前期激光熔池溫度檢測(cè)等前期工作，開(kāi)展激光熔池成

11、形檢測(cè)及優(yōu)化控制，將能有效了解激光熔池實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息，進(jìn)行激光熔池成形優(yōu)化控制，對(duì)激光制造技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用具有直接指導(dǎo)作用。激光制造中高溫金屬熔池的成形檢測(cè)與優(yōu)化控制，作為激光制造中一項(xiàng)基礎(chǔ) ，1）激光與金屬粉末流及基體的相互作用機(jī)理，金屬熔池內(nèi)外傳熱、傳質(zhì)、對(duì)流理論及計(jì)算機(jī)模擬；2）激光金屬熔池的成形及與工藝參數(shù)的對(duì)應(yīng)特征； 3）基于 CCD 的激光熔池形貌 與分析；4）在上述理論與試驗(yàn)指導(dǎo)下，針對(duì) Ni 基與 Co 基合金粉末，開(kāi)展送粉器、工作頭設(shè)計(jì)優(yōu)化和激光制造工藝優(yōu)化 。主要內(nèi)容：1）激光金屬熔池理論模型建立與計(jì)算機(jī)分析；2）基于 CCD 的激光熔池形貌檢測(cè)系統(tǒng)裝置建立；3）高溫熔池圖像

12、信號(hào)與處理及研制；4）激光熔池成形實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化；5）激光制造檢測(cè)與控制的工業(yè)示范應(yīng)用。成果預(yù)計(jì)去向及應(yīng)用領(lǐng)域：在過(guò)去的 與 中，針對(duì)激光制造與激光焊接，在工藝參數(shù)都相同情況下，容易出現(xiàn)工藝不穩(wěn)定狀況。如 夏利汽車(chē)變速器齒輪激光焊接，就經(jīng)常出現(xiàn)在相同功率、速度、材料參數(shù)情況下，焊接批次不穩(wěn)定，廢品率比較高，所以期望了解焊接過(guò)程中激光熔池信息；中海油 渤海裝備技術(shù)海上輸油泵、水泵、吊鉤等進(jìn)口裝備激光制造修復(fù)時(shí)，也發(fā)生工藝不穩(wěn)定情況，容易產(chǎn)生裂紋；扎公司模具激光制造修復(fù)時(shí)，由于激光熔池成形控制不穩(wěn)定，導(dǎo)致成形效果不理想。該項(xiàng)目的，其成果能用于夏利汽車(chē)變速器齒輪激光焊接實(shí)時(shí)，提高模具等零部件

13、激光制造成形精度，減少激光制造過(guò)程中的裂紋產(chǎn)生，有效提高激光制造的效率、質(zhì)量及精度，將具有獨(dú)立，滿(mǎn)足及國(guó)內(nèi)海洋石油、大型壓鋼、汽車(chē)制造、民用航空、造船等行業(yè)市場(chǎng)激光制造需求。主要解決如下幾個(gè)科學(xué)問(wèn)題：可用于激光制造過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，也避免了過(guò)去得通過(guò)人眼觀察給人造成的健康損傷，使生產(chǎn)過(guò)程更加具有可視化、自動(dòng)化特征，為激光制造的柔性制造、智能制造和精益制造提供了新的技術(shù)支 內(nèi)開(kāi)展 CCD 檢測(cè)高溫激光熔池成形檢測(cè)與控制的 比較少，和國(guó)外有比較大的差距，本項(xiàng)目是在原有激光熔池溫度檢測(cè)基礎(chǔ)上，開(kāi)展運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的激光制造熔池成形檢測(cè)與優(yōu)化控制 ，將為該方向發(fā)展提供新的思路，具有較高的學(xué)術(shù)和社會(huì)價(jià)值

14、。預(yù)期成果應(yīng)用的可能性和效益或在學(xué)術(shù)、社會(huì)等方面的價(jià)值：2、課題所涉及的學(xué)科領(lǐng)域、國(guó)內(nèi)外達(dá)到的水平， 存在的主要問(wèn)題， 本課題的學(xué)術(shù)思想、立論根據(jù)、主攻關(guān)鍵及獨(dú)到之處。激光制造技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已受到普遍關(guān)注，成為激光加工與先進(jìn)制造技術(shù)和熱點(diǎn)課題，被譽(yù)為 21 世紀(jì)先進(jìn)的光子制造技術(shù)、綠色智能制造技術(shù)。前沿、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、力開(kāi)展。都把激光制造技術(shù)列入國(guó)家密執(zhí)安大學(xué) Mazumder 教授科技發(fā)展計(jì)劃，并投入大量人力物的科研小組及英國(guó)利物浦大學(xué) Steen教授的小組開(kāi)展最早，到 21 世紀(jì)初，各國(guó)的激光直接快速制造技術(shù)得到深入和快速發(fā)展，度工學(xué)院、德州大學(xué)、德國(guó)和費(fèi)、英國(guó)伯明翰大學(xué)、利茲大學(xué)、印大

15、阪大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)等已在該領(lǐng)域形成各自的特色，其技術(shù)及產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)、華技大學(xué)、江蘇大學(xué)及航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、繼開(kāi)展工業(yè)大學(xué)、。有色金屬工業(yè)大學(xué)等多個(gè)相激光制造是利用激光熔覆的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬零部件的制造。1976 年AVCO 公司 D.S.Gnanamuthn 取得激光熔覆專(zhuān)利，1979 年日立公司公布了激光熔覆在汽輪機(jī)葉片上應(yīng)用專(zhuān)利。自此，、英國(guó)、德國(guó)等技術(shù)強(qiáng)國(guó)就對(duì)其十分重視，投入、開(kāi)發(fā)，使激光熔覆技術(shù)的發(fā)展明顯加快，了相當(dāng)可觀的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行在激光熔覆理論，物理數(shù)學(xué)模型，合金材料、工藝參數(shù)、涂層組織性能，設(shè)備自動(dòng)化、柔性化、熔覆過(guò)程以及生產(chǎn)應(yīng)用等方面取得了進(jìn)展。

16、激光熔覆效果取決于激光參數(shù)（功率、波長(zhǎng)、模式、聚焦性能等）、粉末參數(shù)（材料、濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)、粉末吸收率、粒度、粉流尺寸等）及工藝參數(shù)（功率、速度、送粉量等），最終取決于激光與材料相互物理過(guò)程，具體表現(xiàn)為激光熔池的內(nèi)外傳熱、光熱輻射、傳質(zhì)及對(duì)流過(guò)程。高功率激光與金屬材料相互作用物理過(guò)程十分復(fù)雜，理論模擬和試驗(yàn)檢測(cè)難度都很大。它涉及金屬材料吸收激光機(jī)制及將光能轉(zhuǎn)化成熱能與熔池的光熱輻射能過(guò)程、激光在金屬粉末流中吸收和透射的能量分配與平衡、激光束與粉末流束空間耦合機(jī)制、激光熔池中動(dòng)量、質(zhì)量和能量傳輸?shù)然A(chǔ)問(wèn)題。搞清這些基礎(chǔ)問(wèn)題，不僅可以指導(dǎo)激光送粉器、工作頭等單元設(shè)備的設(shè)計(jì)優(yōu)化，而且能直接指導(dǎo)激光制

17、造工藝優(yōu)化，從而把激光制造技術(shù)建立在一個(gè)科學(xué)、可靠、可控和可重復(fù)操作的基礎(chǔ)上，推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)疑具有的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。激光熔池的成形機(jī)理及其檢測(cè)與控制是激光加工與制造領(lǐng)域前沿課題，搞清其機(jī)制與過(guò)程檢意義。價(jià)，可以深化和拓展激光加工與制造理論基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)激光制造過(guò)程中，由于有金屬粉末輸入、保護(hù)氣流和載流氣流、飛濺及煙霧等影響，影響因子多，問(wèn)題比較復(fù)雜，當(dāng)前開(kāi)展這方面的比較少，難度比較大。關(guān)于激光熔池成形檢測(cè)與控制，在近幾年的國(guó)內(nèi)外中已有初步報(bào)導(dǎo)。由于激光熔池尺寸較小、溫度變化快，物理過(guò)程復(fù)雜，從試驗(yàn)上開(kāi)展激光熔池成形檢測(cè)和控制具有較度。國(guó)內(nèi)外在激光焊接熔池檢測(cè)方面進(jìn)行了比較多的嘗試

18、，得到了很多有價(jià)值的結(jié)果?，F(xiàn)國(guó)外已有利用紅外熱像儀結(jié)合 CCD、CMOS 等進(jìn)行檢測(cè)的，得到了激光熔池外形、尺寸及隨時(shí)間變化分布；國(guó)內(nèi)也有采用 CCD 結(jié)合單色濾光片等進(jìn)行焊接熔池檢測(cè)的接過(guò)程進(jìn)行控制。，得到激光熔池外形分布，再利用模糊控制理論對(duì)焊1）金屬粉末輸入、保護(hù)氣流及載流氣流、顆粒飛濺、煙霧、弧光等對(duì)激光熔池的干擾，如圖 2 所示；圖 2 激光熔池現(xiàn)場(chǎng)2）激光制造中所采用 CO2 激光光斑一般小于 3mm，YAG 激光一般小于 2mm，激光熔池尺寸小，且運(yùn)動(dòng)速度快，激光熔池圖像信息有一定的難度；3）激光熔池圖像的數(shù)字圖像處理：激光光斑尺度雖然小，但是在前期 CO2激光直接燒薄鋼板（3m

19、m 厚，A3 鋼板）的實(shí)驗(yàn)圖像中發(fā)現(xiàn)，激光光斑并非理想的分布，而是呈現(xiàn)多模狀態(tài)，熔池多個(gè)小熔池組合熔合而成，故其圖像處理需要采取合適的方法，將圖像背景及小熔池間隙給區(qū)分出來(lái)；4）檢測(cè)圖像位置標(biāo)定：由于 CCD的角度，需要進(jìn)行標(biāo)定校正；圖像時(shí)，其與激光熔池法線方向存在一定5）基于激光熔池成形圖像信息的工藝優(yōu)化選擇：由于這方面暫時(shí)很少?lài)?guó)內(nèi)外資料可做參考，所以在進(jìn)行優(yōu)化選擇適合，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)所采用的激光、材料和工藝當(dāng)前存在的主要問(wèn)題：等參數(shù)實(shí)際情況進(jìn)行分析。學(xué)術(shù)及立論根據(jù)：基于原有 CCD 檢測(cè)激光熔池溫度場(chǎng)分布基礎(chǔ)，本項(xiàng)目提出采用CCD 檢測(cè)激光熔池形貌：如圖 3 所示，金屬基材在激光輻照下，吸收

20、能量熔化，產(chǎn)生熱輻射發(fā)光，經(jīng)濾光和光學(xué)系統(tǒng)在CCD 上成像，信號(hào)經(jīng)開(kāi)發(fā)的處理后，得到激光熔池動(dòng)態(tài)過(guò)程分布圖像，通過(guò)控制激光功率、速度、送氣、送粉等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠加工。本方案具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)塊，體積小，能實(shí)時(shí)顯示熔池動(dòng)態(tài)分布全貌；屬于非接觸檢測(cè)，不受入射激光工作波段（紅外 1.06-10.6m）及工作環(huán)境的影響；系統(tǒng)成本較低，可成為激光制造過(guò)程的有效。圖 3 CCD 檢測(cè)激光熔池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖建立CCD 實(shí)時(shí) 檢測(cè)激光制造熔池動(dòng)態(tài)形貌過(guò)程理論模型及方法。研制一套CCD 檢測(cè)激光熔池形貌裝置，該裝置主要由 CCD、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字圖像卡、計(jì)算機(jī)等組成。研制一套激光制造熔池 檢測(cè) ，采用數(shù)字圖像處理技

21、術(shù)對(duì)熔池圖像進(jìn)行尺寸、時(shí)間變化、形貌分布等分析，得到不同時(shí)間情況下，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中熔池動(dòng)態(tài)形貌、尺寸分布。對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行位置標(biāo)定，得到系統(tǒng)比較精確的位置尺寸參數(shù)。試驗(yàn)拍攝運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的激光熔凝、熔覆、制造等熔池，得到其在不同時(shí)刻形貌及尺寸分布。根據(jù)大量不同工藝試驗(yàn)結(jié)果，改進(jìn)激光送粉器、激光送設(shè)計(jì)，優(yōu)化激光制造工藝。主攻關(guān)鍵及獨(dú)到之處：參考文獻(xiàn)1 Faustini, MC; Neptune, RR; Crawford, RH, et al. Manufacture of passive dynamicle-footorthoses using selective laser seringJ. IEEE

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23、ividual implantsand matrifor tie engineeringJ. Journal of optical technology, 2007, 74(9): 636-640.4 Kim, DS; Lee, WH; Bae, SW, et al. Development and performance evaluation of solid freeformfabrication system by using dual laser sering pro232-239.sJ. Journal of laser applications, 2007, 19(4):5 E.B

24、eyer. Laser macro prosing Today and tomorrowC. Proceedings of 4thernationalCongress on Laser Advanced Materials Prosing-LAMP2006, May 16-19,2006, Kyoto, Japan, #06-16 442446.7,楊海鷗 等. 激光快速成形過(guò)程中熔池形態(tài)的演化J. 中國(guó)激光，2007, 34(3):,等. 激光快速直接制造W/Ti合金太空望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直器J. 中國(guó)激光,2004, 31(4): 482486.81605-1608.9993-997,陳等. 激光熔

25、覆熔池表面溫度場(chǎng)分布的檢測(cè)J. 中國(guó)激光, 2008, 35(10):陳,等. 激光制造中金屬粉末流濃度場(chǎng)的檢測(cè)J. 中國(guó)激光, 2006, 33(7):10 Lei Jian-bo,molten poolJ. Lasers v5629: 546556.Xi-chen et al. Study on CCD measurement of temperature field in laseraterial Prosing and Manufacturing II, Proceedings of SPIE(2005), 2005.1,11 Yu SR, Liu Y, Ren LQ, et al.

26、Development of laser-cladding layers containing nano-Al2O3particles for wear- 3639-3645.12 Dubourg L, St-GematerialsJ. Metallurgical and Materials Tranions A, 2006, 37 (12):es L. Optimization of laser cladding pros using taguchi and EMmethods for MMC coating productionJ. Journal of Thermal Spray Tec

27、hnology, 2006, 15(4): 790-795.13 J. Mller-Borhanian, C. Deininger, F. Dausinger, et al. Camera Based monitoring during laserbeam welding influenWLT-Conference on Lasersof the detection wave lengthC. Proceedings of the Thirdanufacturing 2005, Munich, June 2005: 137-141.ernational14 Dai K, Shaw L. The

28、rmal and mechanical finite element ming of laser forming from metaland ceramicdersJ. Acta Materialia, 2004, 52(1): 6980Hu D, et al. Closed loop control of 3D laser cladding based on infrared sensingC. In: Solid Freeform Fabrication Proceedings, Austin, TX, 2001: 129137M.L.Griffith. et al. Direct las

29、er additive fabrication system with image feedbackP. UnitedSes Patent, 6, 459.95117Y.Li et.al, laser direct forming of metal components: technical characterizationsC.Proceedings of SPIE, 2002, Vol.4915.395-402.3 、預(yù)期成果（包括擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)、成果名稱(chēng)和提交成果方式等） 在原有激光熔池溫度檢測(cè)的基礎(chǔ)上，提出 CCD 檢測(cè)激光制造過(guò)程中熔池形貌及優(yōu)化控制方案，建立CCD 檢測(cè)熔池形貌裝

30、置，開(kāi)發(fā)激光熔池形貌 檢測(cè)及 ，針對(duì) Ni 基和 Co 基合金粉末，開(kāi)展激光熔池形貌檢測(cè)工藝實(shí)驗(yàn)，建立熔池形貌與工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行工業(yè)示范應(yīng)用試驗(yàn)。項(xiàng)目以團(tuán)隊(duì)合作方式完成，每周開(kāi)一次項(xiàng)目 會(huì)，主要以 和數(shù)據(jù) 進(jìn)行，每月出一份項(xiàng)目進(jìn)展 及下一步進(jìn)展方案書(shū)。擬達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：1）激光功率范圍：1000W1800W2）圖像時(shí)間分辨率：0.04s 3）激光熔池尺寸：1mm*1mm5mm*5mm成果名稱(chēng)：激光制造中熔池形貌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本申請(qǐng)預(yù)期成果以和實(shí)物成果方式提供：在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)上4篇高水平；一套 CCD 激光制造熔池形貌檢測(cè)系統(tǒng)。四、課題的工作方案及工作條件1、課題擬采取的措施、技術(shù)路線、進(jìn)

31、度安排； 2、課題組已經(jīng)具備的工作基礎(chǔ)、條件及學(xué)?？商峁┑钠渌鼦l件。擬采取的措施及技術(shù)路線CCD 和中性濾光片的選擇：基于輻射定律和位移定律，考慮材料表面發(fā)射率影響，選擇三種激光再制造常用材料（鎳基粉末、碳鋼、鈷基粉末）進(jìn)行分析，計(jì)算出激光熔池溫度分布范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)與溫度情況下光譜輻射強(qiáng)度，以此為理論依據(jù)選擇 CCD 及中性濾光片。CCD 信號(hào)處理與計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用以幀：對(duì) CCD系統(tǒng)為的圖像信號(hào)采樣，量化編碼后再與處理系統(tǒng)用于熔池圖像，以此分析為依據(jù)選擇合適的圖像卡。如圖 4 所示。1）CCD 檢測(cè)激光動(dòng)態(tài)過(guò)程的理論模型集卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。光學(xué)系統(tǒng)：根據(jù)

32、熔池大小，檢測(cè)位置、角度及距離，從焦距、光圈系數(shù)、漸暈系數(shù)、鏡頭幾何形狀、質(zhì)量等幾個(gè)方面考慮。3）研制流程如圖 5 所示。圖 5流程圖結(jié)構(gòu)：主要包含以下幾個(gè)模塊：圖像理和熔池形貌分析。程序設(shè)計(jì)：選用 VC+作為激光熔池檢測(cè)、圖像數(shù)據(jù)輸入/輸出、圖像處的開(kāi)發(fā)工具。在滿(mǎn)足技術(shù)要求的前提下，借助 VC+6.0 以及 Windows 下的編程環(huán)境，依靠自己的力量能夠做到功能的實(shí)現(xiàn)，并達(dá)到設(shè)計(jì)的性能要求，圖 6 所示為程序開(kāi)發(fā)流程圖。圖 6 程序開(kāi)發(fā)流程圖構(gòu)建自標(biāo)定程序，采用和檢測(cè)激光熔池同樣工藝參數(shù)，安放標(biāo)定平板，進(jìn)行位置自標(biāo)定。4）檢測(cè)系統(tǒng)位置標(biāo)定試驗(yàn)方案選擇：根據(jù)激光功率、送粉量、加工速度這三個(gè)主

33、要參數(shù)的實(shí)際情況，考慮到既要達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，又要減少試驗(yàn)次數(shù)，選擇三種水平的正交表來(lái)安排不同參數(shù)組合的激光熔凝、激光熔覆、激光制造熔池檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。工藝優(yōu)化選擇：根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及樣件加工質(zhì)量，優(yōu)化選擇良好工藝情況下對(duì)應(yīng)的激光熔池動(dòng)態(tài)形貌分布，建立對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)激光制造側(cè)向和同軸送粉兩種方式，選擇有代表性的工件進(jìn)行工業(yè)測(cè)應(yīng)用試驗(yàn)。檢進(jìn)度安排資料及實(shí)地調(diào)研，建立系統(tǒng)理論模型。建立檢測(cè)裝置，開(kāi)發(fā)完善檢測(cè)系統(tǒng)裝置。檢測(cè)。進(jìn)行大量激光加工工藝實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)不同工藝條件下激光熔池形貌分布形貌。建立各種工藝實(shí)驗(yàn)條件下熔池形貌數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行優(yōu)化選擇實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行激光制造試驗(yàn)及工業(yè)示范應(yīng)用試驗(yàn)，問(wèn)題，再改進(jìn)，課題總結(jié)及驗(yàn)收。課

34、題組已經(jīng)具備的工作基礎(chǔ)、條件及學(xué)校可提供的其它條件：在學(xué)?！笆晃濉卑l(fā)展規(guī)劃中，列入重要發(fā)展方向之一，在境等方面給予進(jìn)一步支持。、政策、實(shí)驗(yàn)環(huán)（一）申請(qǐng)人簡(jiǎn)介，男，仙桃人，博士學(xué)位，現(xiàn)工作于工業(yè)大學(xué)激光技術(shù)，講師。自2001年開(kāi)始從事現(xiàn)代激光制造及相關(guān)工作，長(zhǎng)期從事激光制造、激光熔覆、表面強(qiáng)化等與技術(shù)攻關(guān)工作，具有較多的一線實(shí)干經(jīng)驗(yàn)，也具備一定的激光熔池理論分析和溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)基礎(chǔ)。參加完成市科委科技項(xiàng)目?jī)身?xiàng)（2004-2006年，033188011，第四完成人；2001-2003年，項(xiàng)目003101011，第八完成人）、2010.122011.052011.062011.112008.12

35、2009.052009.062009.112009.122010.052010.062010.116）成形優(yōu)化控制工業(yè)示范應(yīng)用5）激光熔池成形工藝優(yōu)化選擇國(guó)家自然科學(xué)基金一項(xiàng)（2005-2007年，60478004，第二完成人）。12篇， EI收錄5篇。期參加完成的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目中，開(kāi)展了大量激光熔池溫度場(chǎng)分布檢測(cè) ，建立了激光熔池溫度場(chǎng)分布檢測(cè)方法，研制了一套激光熔池溫度場(chǎng)分布檢測(cè)系統(tǒng)，采用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐進(jìn)行溫度標(biāo)定，開(kāi)發(fā)了 軟件，并進(jìn)行了大量工業(yè)試驗(yàn)，如圖7-圖9所示。圖7 激光熔池測(cè)溫界面（a）標(biāo)定過(guò)程示意圖（b）標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)圖與本項(xiàng)目相關(guān)的前期實(shí)驗(yàn)工作：（c）黑體輻射源熱輻射（d）熱輻射

36、圖像比色值 R 與溫度 T 的關(guān)系圖 8 激光熔池測(cè)溫標(biāo)定圖9為激光輻照試件，定點(diǎn)熔化15s時(shí)不同功率下的激光熔池?zé)彷椛涑上駡D像及溫度場(chǎng)偽彩色分布（ 狀態(tài)，無(wú)金屬粉末輸入），激光功率為700-1300W，每隔200W拍攝一次，一共四組數(shù)據(jù)。試樣為12mm厚45鋼板。 700W900W1100W1300W（a）不同功率下激光熔池?zé)彷椛鋱D像 700W900W1100W1300W（b）不同功率下激光熔池溫度場(chǎng)偽彩色分布圖圖 8 激光定點(diǎn)熔化 45 鋼板（15s 時(shí)）（二）工作基礎(chǔ)，從1983年起開(kāi)展激光加工與制造技術(shù)工業(yè)大學(xué)激光技術(shù)開(kāi)發(fā)，25年來(lái)重點(diǎn)領(lǐng)域?yàn)榧す馊鄹?、激光制造與激光表面強(qiáng)化?！傲濉?、

37、“七五”、“八五”至“九五”期間，一直是國(guó)家科委和市科委激光加工攻關(guān)課題成員，完成四項(xiàng)國(guó)家攻關(guān)任務(wù)，三項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金課題和多項(xiàng)市重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目。在激光熔覆、制造和表面強(qiáng)化關(guān)的主要工作基礎(chǔ)如下：應(yīng)用方面開(kāi)展了大量工作。與本申請(qǐng)有1）激光熔覆基礎(chǔ)理論：從83年起即開(kāi)始深入開(kāi)展Fe基、Ni基、Co基、Wc-Co、陶瓷Al2O3、ZrO2、Cu基合金等材料的激光熔覆。在組織和性能方面做了許多先導(dǎo)性工作，觀察到超點(diǎn)陣和長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)等激光快冷條件下新現(xiàn)象。在國(guó)家自然基金（5880024，1989-1991年）寬帶激光熔敷中激光束與金屬交互作用項(xiàng)目中，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展激光熔池中三維傳熱和對(duì)流的計(jì)算機(jī)模擬，從試驗(yàn)中觀察到激光熔池內(nèi)對(duì)流現(xiàn)象。其結(jié)果被國(guó)內(nèi)外多次大量。在金屬學(xué)報(bào)、中國(guó)激光及國(guó)際大型激光加工學(xué)術(shù)會(huì)議ICALEO上。在學(xué)術(shù)會(huì)議上，被優(yōu)秀一等獎(jiǎng)。經(jīng)鑒定國(guó)際先進(jìn)水平。2）高功率激光束成形及變換：在國(guó)家激光加工重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目中研制出“激光熱處理寬帶掃面轉(zhuǎn)鏡”，1988年獲國(guó)家發(fā)明四等獎(jiǎng)。在國(guó)家基金（69347002，1994-1996年）項(xiàng)目支持下，研制出新型光束處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光斑均勻化，尺寸連續(xù)