（光学工程专业论文）激光熔覆中同轴送粉温度场理论与实验研究.pdf

摘要 以激光熔覆为基础的激光制造与再制造技术已广泛应用于重要领域中，例 如，航天、汽车等行业中。激光熔覆中，激光束与载气粉末流同时从粉嘴处射出， 在c n c 工作平台下，由c a d c a m 控制三维实体工件，使其形成熔覆层。 其中，激光与粉末流的相互作用过程是较为复杂的过程，在这个过程中不仅 包括固气两相流，还具有激光束对粉末流的能量作用，以及粉末流本身的辐射、 折射、散射的现象等。激光熔覆所用的激光功率密度高达1 0 4 w c m 2 以上，在此 强激光辐照区内，激光与材料相互作用，发生着粉末的熔化、流动、混合、液态 金属与固态颗粒间的相互作用、合金元素扩散及熔池凝固等一系列的物理化学变 化，直接影响着熔覆层的组成结构和性能，从理论和试验上开展激光熔覆粉末流 整体温度场检测研究对激光熔覆技术的发展和应用具有重要指导作用。 本文主要研究激光熔覆中，金属粉末流与激光束相互作用机理和粉末流作为 吸光整体的温度场的检测。主要进行了以下几项研究工作： l 利用f l u e n t 软件，基于流场及热传导公式建立适合于粉术流与激光束相互作 用下的粉末流温度场分布模型。 2 确定c c d 检测激光熔覆粉末流整体温度场系统的结构方案。结合粉末流整体温 度场高温特点，利用c c d 比色测温方法设计出适合于粉末流整体温度场检测的测 温系统。该系统主要包括硬件和软件两个部分。 3 分析粉末流整体场特点，建立激光熔覆粉末流温度检测的图像处理方案。主要 确定了去噪处理、图像分割、目标识别的具体处理方案，得出效果良好的数字图 像，以便适进一步计算粉木流整体的温度场。 4 介绍了黑体炉的结构特点和工作原理，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，建立热辐射图像比色值与温度之间的对应关系。 5 进行大量的粉末流整体温度场检测试验，得到不同工艺参数下的粉末流整体温 度场分布情况，且进一步分析各个参数对温度场的具体影响情况，以便优化工艺 参数来更好的控制粉术流的温度状态。 关键字：激光熔覆，合金粉末流，温度场，c c d ，比色测温 a b s t r a c t l a s e rm a n u f a c t u r i n ga n dr e - f a b r i c a t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nc o a x i a ll a s e r c l a d d i n gh a sb e e nw i d e l yu s e di ns o m ei m p o r t a n tf i e l d so fa e r o s p a c e ，a u t o m o b i l ea n d s oo n a tp r e s e n t ，r e s e a r c ho ni tm a i n l yc o n c e n t r a t e so ne q u i p m e n t ，p r o c e s s i n g p a r a m e t e ra n dm a t e r i a l i no r d e rt os o l v ep r o b l e m si ni t si n d u s t r ya p p l i c a t i o n ，t h e b a s i ct h e o r ya n dt e c h n o l o g yo ni tn e e dt ob es t u d i e df u r t h e r , s u c ha s i n t e r a c t i o n m e c h a n i s mb e t w e e nh i g hp o w e rl a s e rb e a ma n dp o w d e rs t r e a m ，m e a s u r e m e n to f p o w d e rs t r e a mf e e d i n g ，s p e c i a lc a d c a ms o f t w a r e ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo f t e m p e r a t u r e ，s i z ea n dp r e c i s i o n ，a n ds oo n l a s e rb e a ma n dm e t a lp o w d e rs t r e a mw i t hc a r r y i n gg a ss i m u l t a n e o u s l yd e l i v e r s f r o mac o - a x i a ln o z z l e , u n d e rt h ec n ct a b l ea n dc a d c a ms o f t w a r ec o n t r o l l i n ga 3 ds o l i dp a r tc a nb ef a b r i c a t e ds i d eb ys i d e t h ei n t e r a c t i o np r o c e s s i n go fl a s e rb e a m a n dm e t a lp o w d e rs t r e a mi sv e r yc o m p l e x ，w h i c hi n c l u d e so fg a s p o w d e rf l o w ， a t t e n u a t e dl a s e rb e a m ，a n dt h er a d i a t i o n ，r e f r a c t i o na n ds c a t t e r i n go fp o w d e rs t r e a m w h e nl a s e rp o w e ri ss t r o n g e rt h a n10 4w c m 2 ，m e l t i n g ，f l o w i n ga n dm i x i n go fp o w d e r s ， i n t e r a c t i o nb e t w e e nl i q u i dm e t a l sa n ds o l i dm e t a l s ，d i f f u s i o no fa l l o ye l e m e n t sa n ds o l i d i f i c a t i o n o fl a s e rm o l t e np o o la r ee x i s t e di nt h ei n t e r a c t i o n ，w h i c hd i r e c t l ye f f e c tt h ei n s t r u c t i o na n dq u a l i t y o fl a s e rc l a d d i n g t h er e s e a r c ho nt h et e m p e r a t u r ef i e l di nt h ew h o l ep o w d e rf l o wi s v e r y i n t e r e s t e di ni m p r o v i n gt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fl a s e rc l a d d i n g t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nl a s e rb e a ma n dm e t a lp o w d e rf l o wa n d t h em e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l di nt h ew h o l ep o w d e rf l o w t h er e s e a r c h e sm a i n l yi n c l u d e ： 1b a s e do nt h el a wo ft h ec o n s e r v a t i o no ft h ee n e r g ya n dt h eb e e r - l a m b e r tl a w , t h et h e o r e t i c a l m o d e l so ft e m p e r a t u r ef i e l do fm e t a lp o w d e ra n dp o w d e rs t r e a ma r ep r e s e n t e d 2s t r u c t u r ed e s i g no ft h es y s t e mw a sd e v e l o p e d b a s e do nt h et e m p e r a t u r ef e a t u r ea n d t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tc o l o r i m e t r yp r i n c i p l e ，c c dm e a s u r e m e n tp o w d e rs t r e a m a r es e tu p t h es y s t e mi n c l u d e so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e 3a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co fw h o l ep o w d e rs t r e a m ，t h em e t h o do fd i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gm e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r ef i e l di nl a s e rw h o l ep o w d e rs t r e a mh a sb e e n p r e s e n t e d ，w h i c hi n c l u d e si m a g es m o o t h i n g ，t h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n dt a r g e t r e c o g n i t i o n t h e nt h et e m p e r a t u r ef i e l do fw h o l ep o w d e rs t r e a mh a sb e e nc a l c u l a t e d 4t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eb l a c k b o d yf u r n a c ew e r e i n t r o d u c e d ；t e m p e r a t u r ec a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ed e v e l o p e db yh i g ht e m p e r a t u r e s t a n d a r db l a c k b o d yo fn a t i o n a li n s t i t u t eo fm e t r o l o g yp r c h i n a r e l a t i o ne q u a t i o n b e t w e e nb l a c k b o d yt e m p e r a t u r ea n dt w oc o l o r 黟a yr a t i oo ft h e r m a lr a d i a t i o ni m a g e w a ss e tu p 5e x p e r i m e n t so nw h o l ep o w d e rs t r e a mw e r e d e v e l o p e d t e m p e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n sa td i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt oa n a l y z e t h ed i f f e r e n te f f e c t sa td i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，m o d e r a t ep a r a m e t e r sc a nb e s e l e c t e dt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r eo fp o w d e rs t r e a m k e y w o r d ：l a s e rc l a d d i n g ，a l l o yp o w d e rs t r e a m ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，c c d ，t w oc o l o r c a l i b r a t i o n 独创性声明 本人声明所望交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证二牿而使用过的材料。与我一同j i 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：勇懒签字日期：加9 年2 月2 fe l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权云 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复u p l ：署l l 磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签 签字日期：2 卯予年2 月2 丁日 签字日期： 乃仍 2 j 旨 学位论文的主要创新点 一、对激光熔覆热粉末流建立温度场仿真模型。使用非预混燃烧 模型，通过建立适当的计算模型和边界条件，并根据流场和热传导公 式，建立了适合于粉末流与激光束相互作用下的粉末流温度场分布模 型。 二、利用热粉末流温度场计算模拟，计算得出不同激光熔覆参数 下的粉末流整体温度场分布。在此基础上，深入分析各个参数对粉末 流温度场的影响，以便优化工艺参数来更好的控制粉末流的温度状 态。 三、利用c c d 比色测温方法试验测量粉末流温度分布。试验检测 不同熔覆参数( 送气量v ，、送粉量m 。、激光功率p ) 下粉末流温度的 分布情况，对检测结果进一步分析、研究，得出各种熔覆参数对粉末 流温度场分布的影响。 第一章绪论 1 1 激光再制造技术 第一章绪论 随着中国经济的发展，作为中国支柱产业的制造业面临着激烈的竞争并经历 着一场深刻的技术变革，用高新技术改造提升传统制造业成为必然的趋势。国外 的许多先进精密设备引入我国，许多重大工程装备造价特别昂贵，若出现损坏， 使生产中断，将造成重大的经济损失。因此，开展重大工程装备修复，发展快速、 高效、精密的修复技术不仅具有广阔的市场前景，而且具有重大的经济效益和社 会效益呻1 。 常规修复技术有电镀、电弧和火焰堆焊、热喷涂( 火焰、等离子) 等。堆焊、 热喷涂或喷焊，热注入大，能量易分散，零件基体受热影响很大，稀释率高，易 产生气孔、夹沙等现象，降低了基材的性能，而且易使零件变形，甚至产生开裂。 不仅如此，由于采用了手工操作，零件的修复尺寸不能精确控制，后加工量大， 造成了资源的浪费。对一些精度要求高( 如长轴类) 的零件或特殊材料( 硬质合金、 高温合金、陶瓷等) 用常规技术几乎无法修复，导致一些贵重部件凶得不到修复 而报废。因此发展精密可控成形再制造的修复技术已成为制造业的迫切需要。 在此基础上，一种全新概念的先进修复技术再制造技术应运而生，它 集先进高能束技术、先进数控和计算机技术、c a d c a m 技术、先进材料技术、光 电检测控制技术为一体，不仅能恢复已损坏零件的原有或近形尺寸，而且使其性 能达到或超过原基材水平。由此形成了一门新的光、机、电、计算机、自动化、 材料综合交叉的先进制造技术1 。 激光再制造技术近年来在国际上已受到普遍关注，形成激光加工与先进制造 技术的一个前沿和热点n0 川，已在航空航天、汽车、冶金、能源、先进制造等重 要领域获得广泛应用。天津工业大学采用激光再制造技术对模具、轧辊、输油泵 等装备进行修复，取得良好效果。再制造作为一种先进的制造技术将迅猛发展， 逐渐提升或取代传统的修复维修手段。 一个完整的激光再制造系统，需要以下几个部分n 2 1 ： ( 1 ) 激光器( 2 ) 光学系统( 3 ) 送粉器( 4 ) 三维运动光束头及同轴送粉工作头( 5 ) 监测 控制系统。 系统结构如图卜1 所示，激光器发出的c q 激光经c n c 数控机床z 轴( 垂直工作台) 反射镜后，进入光束成形聚焦组合镜，再进入三维光束头，组合镜和工作头都安 装在机床z 轴上，由数控系统统一控制。双料斗载气式送粉器将粉术输送到四路 a ”t n 学峨i 学位论卫 分粉器，均匀地把粉末送入同轴送粉j 二作头。待修复零件位于数撺工作台x 门y 平面e ，根掘数控指令，工作台、组合镜和送粉头按给定的c a d c a m 软件程序运 动，激光和粉末同步加入，激光同轴送粉_ 作头像“盒属笔”一样，遂层熔敷， 在检测和控制系统作用下，使零件饿复原始尺寸。 = = 二毫f 二 幽11 触光 制造系统结构蚓 激光熔敷的试验研究始于奉吐纪7 0 年代美困ds g n a n m u t h u 于1 9 7 6 年获得了 激光熔敷层盒属丁另一层金属基体的熔敷方法专利。 激光熔教是激光再制造技术的基础，亦称激光涂敷，它通过在基材表面添加 熔敷材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法。在基 材表而j 酵成与基材相互熔台且具有完全不同成分，性能的合金覆层。基村的熔化 层很薄，田而对熔敷层的成分影响极小。与其它传统加工技术相比，激光熔覆有 以f 几种特点： 1 ) 可用于一t b 重载条件下零件的表面强化与修复比如：人型轧辊、大型曲轴、 大型齿轮的表面强化。 2 ) 基本材料在激光加丁过程中表面热影响区极小。 3 ) 激光加j 过程中集体升温较低，热变形小。 4 ) 容易实现自动化控制，可加工几何尺寸复杂的零件。 5 ) 熔覆层及其界面组织致密晶粒细小、无孔洞、裂纹等。 第一章绪论 6 ) 熔覆层底层与基层浸润性好，中间层具有一定的强度和硬度，表面层具有抗 冲刷、耐磨损、耐腐蚀的性能。 7 ) 激光熔覆技术有易仿形的优点，熔覆层厚度可达到预定的尺寸要求。 激光再制造技术综合了光、机、电技术，涉及材料学、物理学、自动化技术、 机械等多门学科，是未来工业发展的一个重要方向。 1 2 粉末流温度场理论研究 激光熔覆是近十几年来发展起来的高功率激光表面强化技术之一。激光熔覆 的过程是激光束与合金粉末和基体材料相互作用的过程。激光能量被粉木和基体 材料吸收而转变成热能，从而使粉末和基体表面熔化形成熔覆层。激光熔覆过程 主要受热传导控制，熔覆方式有两种：1 ) 预置粉末，具体方法是用粘结剂粘涂 和热喷涂或等离子喷涂一层粉末，然后再激光重熔：2 ) 同时送粉，激光照射同 时送粉到激光作用区。文献 1 3 提出预置粉末的热传导模型，认为激光首先与粉 术发生交互作用，由于粉末层有较低的热传导性，从粉层到基体熔化前的热流 可以忽略不计，粉末熔化后，激光束通过熔化的粉末加热基体。这一方法中整个 激光熔覆工艺可分为两个步骤粉木熔化和基体熔化。如果熔覆层的基本元素熔 点远高于基体的熔点，如钼合金熔覆于铸铁基体上，基体表面温度必须达到钼 的熔点才能在基体表面形成熔化层。这种情况下，稀释是不可避免的，在界面处 还易形成空洞和气孔。相反，被熔覆粉末熔点与基体接近时，如镍基合金或斯太 立合金在碳钢表面则可形成较薄的熔化层，其能量积累和稀释也小。因此，预置 粉末激光熔覆对于熔点接近的材料是适宜的，而熔点相差较大时，必然导致稀 释的加大。送粉法可以将高熔点粉末送到熔池，可以控制基体对熔覆层的稀释 度。 在激光熔覆过程中，激光与粉末流的相互作用过程是一个较为复杂的过程， 在这个过程中不仅包括固气两相流，还具有激光束对粉末流的能量作用，以及 粉末流本身的辐射、折射、散射等现象。粉术流在激光束中的受热熔化程度是 影响熔覆质量的重要因素之一，粉末熔化如果过多，将会造成熔覆层的稀释度 增大，同时在界面处产生空洞、气孔等缺陷；粉木氧化造成熔覆层成分变化。 而如果金属粉末的熔化不够，也同样不能形成高质量的熔覆层。由此看来，有 效控制激光熔覆中粉末流在激光束作用下的熔化程度，对提高熔覆质量和性能 是极为重要的。而其中对粉末流温升过程的准确计算和分析，则是激光熔覆特 征分析的重要工作之一。 近几年来随着计算机科学、计算方法、计算传热学和计算流体力学研究工作 天津t 业人学颀 ：学位论文 的发展及大型工程分析软件的不断完善，使研究者有可能对工程实际问题进行数 值模拟和仿真。因此，可以建立热粉末流场的数学模型，对粉末流熔化过程中的 温度情况进行数值模拟，以此来确定优化激光熔覆条件，可以更好的控制粉末流 熔化过程来提高熔覆质量。 目前有关热粉末流温度场理论方研究大多停留在冷粉末流温度场、单个粉末 颗粒的温度研究中。例如天津工业大学激光研究所得靳晓曙、杨楠等已经建立了 成熟的冷粉末流场模型。无激光作用的冷粉末流温度场的数值模拟虽然已经建 立，但该数值模拟不适合于更为复杂的热粉末流温度场的模拟计算。有关金属粉 末穿越激光束过程中，单个粉末颗粒温度场的计算模型也已经建立，例如中国科 学院力学研究所的席明哲等在a n s y s 软件平台上，建立了金属粉末颗粒穿越激光 束过程中粉末颗粒的计算模型，华南理工大学杨永强等建立粉末颗粒在激光照射 下的热传导模型。然而，单个颗粒与激光束的相互作用，可以在理论上得到不同 颗粒尺寸、不同激光功率、不同送粉速度等条件下粉末颗粒的熔化情况。实际工 作中，粉末流与激光束的相互作用是复杂的，单个金属颗粒的温度模型不能准确 的描绘出粉末流整体的温度场分布特征和变化情况。 将粉末流作为吸光整体来研究的温度场理论研究尚不成熟，目前还未有完整 成熟的计算模型供激光熔覆作业参考。 1 3c o d 测温技术概述 1 3 1 温度测量方法概述 温度是表征物体冷热程度的物理量。根据分子运动理论，温度是分子平均动 能的量度，反映的是物体质点移动的速度。温度作为一个状态参数，它的变化必 然引起气体压力及容积等状态变化。温度测量是利用某些物质的物理性能( 如线 膨胀率、体积膨胀率、电阻率、热噪声、热辐射等) 与温度的关系做成各式各样 的感温器件一温度传感器，并通过温度传感器物理特性的变化获得温度值。高温 测量一般指锑凝固点( 9 0 3 8 9 k ) 以上的温度测量，常用的高温测量方法如图1 - 2 ： 4 第一章绪论 图1 - 2 常用高温测量方法 ( 一) 接触式测温法 接触式测温法中，感温元件直接置于被测温度场或与被测物质接触，这种测 量方法有着简单、测量精度高的优点。但是当被测物质具有腐蚀性时，高温条件 下测温元件的测量准确度也相应降低。对于具有瞬念脉动特性的测量对象，接触 式测温法难以作为实用的温度场测量手段，这主要是由于接触法得到的是某个局 部位置的温度信号。如果要得到整个物体的表面温度场，必须在测温面上进行合 理布点，并通过适当的计算方法获得被测温度场的近似分布。此外，大多数接触 式测温装置的动态特性不够理想，难以反映温度的快速变化和脉动。 ( 二) 非接触式测温法 非接触式测温方法分为两大类：一类是通过测量被测物的热力学性质参数来 测量温度，另一类是利用光学法来测量温度场。 非接触式测温方法由于测温元件不与被测物质接触，不会破坏被测物质的温 度场和流场：同时，感温元件传热惯性很小，可用于测量不稳定热力过程的温度， 例如工业炉、焊接、火箭发动机等高温场合。然而非接触式测温法通常需要开设 光学窗口，局部污染造成窗口透过率的不均匀性减弱增加了温度测量的困难。下 面简单介绍几种非接触式方法： 1 声学法：利用声波在气体介质中传播的速度或频率与温度的关系求解温度 值。声学高温计在锅炉断面温度测量和炉膛结渣等故障诊断方面已有一些应用 实例。 2 激光光学测温法：以激光喇曼散射测温法运用最为广泛。频率连续可调的激 5 天津丁业人学硕i ：学位论文 光器出现后，该方法进行了改进，大大提高了测量精度，在燃烧介质温度及气 体组分浓度的测量中得到了广泛应用。 3 基于辐射的光学测温法：根据物体某波段内所发射的能量与温度间的对应关 系进行测温。目前已开发了亮度法、单色法、双色法( 比色法) 和多色法等测 温方法。下面简单介绍亮度法和比色测温法。 a 亮度测温法：根据物体光谱辐射亮度随温度升高而增加的原理，采用亮度平 衡的方法进行测温。此方法灵敏度高，但物体辐射率不易测定，测量结果易受 中间传输介质和环境的影响。 b 比色测温法：根据热辐射体在两个波长上的光谱辐射强度之比与温度之间的 函数关系来测量温度的方法 1 3 2c c d ；：9 1 j j 温技术 由于工业c c d 摄像机具有寿命长、耐灼伤、图像清晰度高、工作稳定可靠、 耐震动和冲击、体积小、重量轻等优点，己经越来越广泛地运用于工业过程诊断 和过程监视。 c c d 按其像元排列形式分为两大类型：线阵c c d 和面阵c c d 。线阵c c d 的像元成 一维排列，能够直接采集一维空间分布的序列光信息，一般为非成像型c c d ，广 泛应用于定位检测、尺寸测量、光谱测量以及激光衍射粒径分布检测等方面。面 阵c c d 的像元呈二维排列，主要应用于摄像领域。当光学系统成像在c c d 表面( 称 为c c d 的靶面) 后，光信号可由c c d 器件转换为电信号。 彩怨i ) 缀像税多烧体计算静l 图卜3 ：i f 接触式高温熔体测温系统组成框图 非接触式高温熔体测温系统主要由彩色c c d 摄像机和多媒体计算机组成，如 图卜3 所示。被测高温熔体的热辐射信号通过彩色c c d 图像传感器从光信号转化成 电信号，并由图像采集卡转变成数字图像信号存储在计算机内，再由计算机计算 出高温熔体的表面温度场。 物体的辐射光波长和强度与物体温度有着特定的关系，因此c c d 作为一种光 电转换器件，可用于温度测量。 6 第一章绪论 1 9 9 3 年，t e n c h o v 等人采用c c d 问接测量溶液表面温度；1 9 9 5 年，k y h s u 和l d c h e n 用可测量红外波段的加强型c c d 测量液态金属的燃烧火焰温度，但 其测量误差达至l j 4 0 0 2 0 0 k ，缺乏实用性。此后，利用红) p c c d 测量温度场成为c c d 测温研究的主流。 2 0 0 1 年，t a k e s h ia z a m i 等人1 3 3 j 禾u 用c c d 的亮度波动信息来研究熔融硅桥 表面的热流状况，获得了较好的结果。2 0 0 2 年，o m a n c a 等人提出了一种利用 红外c c d 测控燃烧室火焰温度场的实用方法。2 0 0 3 年，g s u t t e r e 3 5j 等人利用 加强型c c d 狈q 量近似黑体的物体表面发出的某一波长的单色光，以此得到物体的 辐射温度，所得测量结果与物体的真实温度之间的差别几乎可以忽略不计，并将 其用于测量直角高速切割机的刀具温度场，但作者未具体说明图像处理和温度计 算方法，也未进行误差分析，其实验误差达1 6 。这种方法测量不同范围的温 度时，需要寻找不同的最佳波长，使用频带很窄的滤波片获取单一波长的光辐射 信号。 b s k a m l a n 等人于1 9 9 6 年提出用c c d 拍摄流体的全息图，通过图像处理技术 重建流体的三维温度场，由于当时的c c d 采集速度、图像处理速度和储存速度都 比较低激光干涉质量也不高，使该方法缺乏实用性；到1 9 9 8 年，该方法进入实 用阶段，能测量稳定透明液体的三维温度，并得到流速和流体密度等数据。 2 0 0 2 年，c h o h m a n n 等利用高分辨率温度传感液晶颜色随温度变化的特性对 被测区域感温，然后用彩色c c d 摄取液品表面的颜色图像来问接测量液体蒸发时 弯月面的温度。此方法可实现小面积的温度测量，但需要进行精确的校正。还有 学者提出利用c c d 配合激光感应磷光器测量温度。 事实上，由c c d 的光谱响应特性、光电转换特性可知，利用r g b 输出值可得到 被测物体表面图像中的亮度和色度信息，并根据比色测温原理计算出物体的表面 温度场。虽然有人提出了基于c c d 测温系统的三维温度场构建算法，但直接利用 彩色c c d 测量温度的仪器还处在实验研发阶段。 尽管如此，由于c c d 技术能测量运动物体的温度，给出二维或三维温度场， 实现非接触高温测量，因此，c c d i 贝f f 温技术有很大的发展潜力和应用前景。 1 4 数字图像处理技术 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 又称为计算机图像处理，它 是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。图像处理 是针对性很强的技术，根据不同的应用对象和不同要求，需要采用不同的处理 方法。这些方法涉及数学、物理学、心理学、生理学、医学、计算机科学、通 7 天津t 业人学硕i ：学位论文 信理论、信号分析、控制论和系统工程等领域。 随着数字多媒体技术的不断发展，数字图像处理技术被广泛应用于各种军 用、民用、商用及工业生产领域中。在航天和航空领域，数字图像处理技术除了 可以对月球、火星照片进行处理之外，还可以从遥感飞机和遥感卫星拍摄的照片 中提取人工所不能发现的大量有用情报这些图像无论是在成像、存储、传输过 程中，还是在分析中，都必须采用很多数字图像处理方法。数字图像处理在生物 医学工程方面的应用也十分广泛，而且很有成效：如c t 技术，对医用显微图像的 处理分析( 如红细胞、白细胞分类，染色体分析，癌细胞识别等) 。此外，在x 光 肺部图像、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断方面都 广泛地应用图像处理技术。在通信工程方面，为了将大量的图像数据以非常快的 速度传送出去，就必须使用图像处理技术将图像数据进行编码压缩。在一定程度 上说，编码压缩是通信是否能够快速进行的关键在工业和工程领域中，图像处 理技术也有着广泛的应用，在枯燥和危险的现场，可以让机器人利用视觉系统对 被操作的对象进行识别，然后使用机器手进行自动装配：对各种加工的零部件的 质量、尺寸进行测量，并对它们进行分类：可以代替检验人员检查各种产品如印 刷电路板、药品、食品等在军事方面，图像处理主要用于导弹的精确制导，各 种侦察照片的判读，具有图像传输、存储和显示的军事自动化指挥系统，。飞机： 坦克和军舰模拟训练系统等：公安业务图片的判读分析，指纹识别，人脸鉴别， 不完整图片的复原，以及交通监控、事故分析等n 4 | 。 数字图像处理涉及由灰度到彩色，由二维到三维，由分析到理解，由基本理 论到最新的信息处理方式等诸多方面，内容丰富，应用广泛方法多样，并随着其 他学科的发展而不断进步。 1 5 基于数字图像处理的温度场检测 基于数字图像处理的温度场检测技术是在摄像机型火焰检测技术基础上发 展起来的。它利用现有的摄像机型火焰检测系统，融合了数字图像处理和辐射测 温技术，使摄像机火焰检测技术的功能更加多样，应用范围进一步拓宽。 日立研究室的k u r i h a r a 等最早研制了火焰图像识别系统( f i r e ，f l a m ei m a g e r e c o g n i t i o ns y s t e m ) 引，并利用它来进行n o x 的预测研究工作。日立公司1 9 8 5 年问世的h i a c s 一3 0 0 0 系统中采用了炉膛火焰图像识别技术，可以得出火焰温度场 的分布、燃烧经济性的估算值以及n o x 排放量的估算结果等，对于稳定锅炉燃烧、 提高燃烧效率具有重要的意义。随后，该公司的ms h i m o d a 提出了类似于比色法 的图像温度测量方法，在日本仙台电站1 7 5 m w 机组上得到了实施。芬兰i v o 公司的 8 第一章绪论 燃烧监测与数字分析系统( d i m a c ，d i g i t a lm o n i t o r i n ga n da n a l y s i so f c o m b u s t i o n ) “6 1 于1 9 8 9 年投入使用，该系统通过改进锅炉效率和可靠性来改善运 行的安全性和减少n o x 排放。三菱的光学图像扫描( o p t i s ，o p t i c a li m a g ef l a m e s c a n n e r ) n 卜1 8 1 系统采用光学图像传感器，大大提高了系统对火焰的灵敏度和鉴别 能力，能较好地克服炉膛背景热辐射和相邻燃烧器火焰对被检测火焰信号的干 扰，不仅能判断火焰的稳定性，还能识别火焰的形状。 h o t t e l ，b r o u g h t o n 在1 9 3 2 年创新性地提出了比色测温技术并将其应用于火 焰温度检测。之后，k l c as h d o l l a r 在1 9 7 9 年，y a l e v e n d i s t l 9 9 2 年，1 9 9 6 年时t p a n a g i o t o u 进一步分别提出了多色法，但此时这两种技术只能测量单点的 温度。k k a w a m u r a 于1 9 8 9 年应用两个不同波长的单色c c d 摄像机去拍摄同一时 刻的温度场，从而计一算出温度场的分布，但这一方法的缺点在于用高速快门摄 像时c c d 的同步问题难以解决。s k o b a y a s h i 在1 9 9 2 年、g c f g o m e s 在1 9 9 5 年， 分别用图像分析技术结合比色测温原理对火焰温度场进行了测量。y h u a n g ，y y a n 等在2 0 0 0 年首先采用在一台单色c c d 摄像机前加两个滤色镜，采用机械方式旋 转两个滤色镜得到两幅单色温度场图像，再由这两幅图像求出温度场。近年来i 。 从事c c d 图像比色测温技术研究工作的还有a s a i t o ，d p d e w i t ，g d n u t t e r ， k i t a g a w a k u n i y u k i ；k o n i s h i n 等，他们分别用c c d 结合比色测温法对高温火 焰、炉窑等进行了测温实验。 在国内，清华大学王补宣等n 们首先进行了小型发光火焰温度分布测量的研究， 并经黑体炉标定获得了多项式回归模型，开创了国内火焰图像处理研究的先河，。 上海交通大学徐伟勇等啪。2 2 1 采用传像光纤和数字图像处理技术开展了检测电站 锅炉燃烧火焰的研究，将火焰亮度及其变化历史记录作为判断燃烧稳定性的依 据，并致力于通过火焰图像处理实现燃烧过程闭环控制的研究。 华中理工大学周怀春心3 吨5 等通过在c c d 前面加装单色滤色片获取火焰单色图 像的方法，借助于辐射定律开发了基于参考点的单色图像温度场计算方法。即通 过所获得的单色图像与其中某一参考点的辐射强度的比较来计算温度场，参考点 用双色高温计或者热电偶测温获得，并根据温度场的信息和火焰辐射脉动频率谱 强度信息进行燃烧工况诊断，其最大的突破在于给出了一种能在工业现场实施的 二维温度场测量方法，该方法比较简单，但是参考点的引入带来了测量的困难， 由于所获得的二维图像是三维火焰的投影，使参考点的具体空间位置难以确定， 另外，如果使用热电偶作为参考点测温手段，容易引起测温误差以及长时间工作 失效的问题。浙江大学热能工程研究所基于火焰辐射图像的三色信息，提出了不 需参考点的投影温度场测量方法，并在小型燃油和燃煤试验台以及3 0 0 m w e 电站锅 炉上进行了实验验证，取得了令人满意的结果。另外还建立了截面温度场和火焰 9 天津t 业人学硕i ：学位论文 燃烧颗粒浓度场的重建模型，并在此基础上开展了燃烧智能诊断的研究。 数字图像处理技术在测量高温物体温度方面起到了极大地推动作用，然而该 项技术只是在火焰检测方面得到广泛应用，但在其他高温物体的温度测量，例如 粉末流温度场却只是刚刚起步，相对成熟的理论和实验尚未完成。在激光再制造 中，粉末流与激光束的相互作用较为剧烈，此时粉末流处于高温状态，且呈现流 体状态，通常的测温方法( 热电偶或红外热像仪) 都不适用在粉末流温度场测量。 由于激光器发射波段多在红外光波段( 1 0 6 微米，1 0 6 微米) ，故采用c c d 高温测 量方法，结合数字图像处理技术，开发出适合粉末流温度场的测温系统。 1 6 研究的意义和内容 本项目由国家自然科学基金( 6 0 4 7 8 0 0 4 ) 和天津市科技支撑计划重点项目 ( 0 8 z c k f g x 0 2 3 0 0 ) 资助。 激光再制造技术有利于生产自动化和产品的在线质量监控，有利于降低成 本、降低资源和能源消耗、减少环境污染，具有优质、高效、节能、节材、环 保的技术特点。激光熔覆中，激光与粉末流的相互作用过程是较为复杂的过程， 在这个过程中不仅包括固气两相流，还具有激光束对粉末流的能量作用，以及 粉末流本身的辐射、折射、散射的现象等。激光熔覆所用的激光功率密度高达 1 04 w c m2 以上，在此强激光辐照区内，激光与材料相互作用，发生着粉末的熔 化、流动、混合、液态金属与固态颗粒间的相互作用、合金元素扩散及熔池凝 固等一系列的物理化学变化，直接影响着熔覆层的组成结构和性能。要想取得 好的熔覆层效果，就要控制好粉末流的温度范围，所以粉末流温度场的实时监 测极为重要。从理论和试验上开展激光熔覆粉末流整体温度场检测研究对激光 熔覆技术的发展和应用具有重要指导作用。 本文深入研究激光熔覆中粉末流与激光束的相互作用，利用f l u e n t 流体专业 软件建立适用于粉末流整体温度的仿真模型。研究了基于c c d 与数字图像处理技 术相结合的粉末流温度场测量方法，目的在于设计出适用于粉末流温度场测量的 测温系统。 主要工作分为以下几个方面： 1利用f l u e n t 建立适用于粉末流整体温度的仿真模型，并用该模型计算 各种熔覆参数对粉末流整体温度的影响情况。 2设计出适用于检测粉末流整体温度场的光学系统，利用该系统采集粉 末流作为吸光整体的辐射图像。 3根据激光加工中粉末流的特点，分析c c d 拍摄到的粉末流辐射图像特 1 0 第一章绪论 点，建立适用于粉未流图像的数字图像处理方案。 研究c c d 测温方法及其结构特点，推导出适用于粉末流整体温度场测 量的比色测温公式。 二次开发v c + + 软件，开发出适用于粉末流整体温度场的专用测温软 件。 通过对理论计算温度值和试验温度值结果的比较、分析，得出各种参 数对粉末流整体温度场分布的影响情况。 第二章粉末流一激光束相互作用模型 第二章粉末流温度场数值模拟 数值模拟方法在计算流体力学和计算燃烧学领域具有广泛的应用。它的特 点是再用比模型试验所需花费少得多的情况下给出流场内部细节的详细描述， 并且只要数值模拟的数学题发( 控制方程、边界条件、数值算法等) 是j 下确的， 则可以在较广泛的流动参数( 如雷诺数等) 和物理设计参数范围内较快地给出 流场的定量结果，不受试验中固有约束条件的影响啮侧。因此随着计算流体力 学和计算机科学的迅速发展，数值模拟在科学技术研究中将具有更大的优势和 发展空间，主要体现在：数值模拟在某种意义下比理论和实验研究对流体运动 过程的认识更加深刻、细致，不仅可以得到运动的结果，而且可以了解整体的 和局部的细致行为；在解决实际工程问题的过程中，利用数值模拟可以选择最 有的设计方案或试验方案，从而减少试验次数，周期及费用；数值模拟可以从 理论上探索流体运动新的现象和规律，而且可以替代一些昂贵的、危险的甚至 难以实现的试验，比如水坝塌陷造成的灾害预报、水下爆炸与核爆炸的过程和 效应、大气运动现象等比。因此数值模拟在流体力学和燃烧学研究乃至整个 科学技术进步中起到非常重要的作用。 本文利用非预混燃烧模型，建立适合于粉末流整体与激光束的相互作用模 型。根据该模型的计算结果对比说明了不同工艺参数对粉末粒子速度、温度、浓 度的影响，为送粉嘴的优化设计和工艺参数的选择提供了科学的理论依据。 2 1 粉末流燃烧计算模型 如图2 1 所示，粉术流从送粉嘴射出后汇聚，形成环状区，焦柱区和锥形 区三个浓度区域。激光束与粉末流相互作用如图所示，在从送粉嘴射出后的粉 末流一部分由于未进入激光束区域( a l 区域) ，故这部分粉末流不能吸收激光 热量升温，此区间的粉末流温升几乎未零；进入激光束中的粉末流( a 2 区域) 吸收激光能量，产生温度变化。 k 冲t 业大学碳i 学位论立 幽2i 激光求与粉末流相且作川示意幽 在不考虑等离了体影响的情况下，粒子直接吸收激光辐射能，并放出辐射 能。n 窄气巾粉术粒子也会由于空气对流敞失能量，粒予之川也会梢h 加热。 一与呵这些能量在总能量r ”的比例很小，另外也为了训算方便，在模型中假蹬： ( i ) 粉末流作为吸光整体介质l 啦收激光能量，且以整体的形式向外辐荆能 量。粉珠粒于是体积恒定半径为r 的球体。由j ：粉末粒予足够小，即认为粉末 粒子足均匀的吸光介质。 ( 2 ) 激光束光强为均匀分向。 ( 。 ) 激光通过粉末流后的衰减能量全部被粉末流吸收。 ( 4 ) 粉术小吸收来自基体的反光。 ( 5