激光再制造过程中的粉末流场检测技术

近年来，随着激光快速制造技术的发展，激光同轴送粉逐层熔敷的方法直接制造金属实体零件技术已成为国内外研究热点。它利用计算机生成的CAD模型，无需特定模具而在短时间内制造出复杂形状的立体模型或实体。除此之外运用这种技术还可进行高精度修复工作，使其迅速恢复原有的精度和性能，节省了成本和时间。

激光同轴送粉是个复杂的高功率激光与金属粉-载流气体二相流相互作用的物理过程。存在着金属粉末粒子对高功率激光的反射、散射、衍射、吸收和透过等现象，涉及到光子与微粒子间散射，Beer-Lambert透射，金属粒子对激光的韧致辐射吸收，金属粒子内部传热、对流、传质等基础理论问题。要使激光束与粉末流形成良好空间耦合，涉及到激光光斑、几何形状、模式分布、粉嘴几何设计，气-粉流的空间浓度分布，气-粉流的空间速度场等理论描述及检测问题。同步送粉激光熔敷工艺参数的优化，涉及激光在粉末流吸收和透过的能量平衡，吸收后热粉末温度场的理论描述及检测等问题。激光同轴送粉中气-粉两相的浓度场、速度场、温度场检测是个难度大的课题。搞清它们不仅具有重要的学术价值，更有利于指导应用。国际上已充分认识到激光同轴送粉基础研究的重要性，已有人开始初步研究，但研究内容和结果都是初步的，缺少先进的手段和方法。

随着科学技术的发展，常被用于流场测试的PIV(Particle Image Velocimetry)技术渐渐显现出来它的优势。而另一种IR红外测温技术的出现也为我们进行粉末流场提供了可能。

粉末流场的流动过程和其中内部的各种物理现象是复杂的。但通过我们的分析，可以把主要研究重点放在以下三个方面：

（1）粉末流速度场的研究

粉末流速度场的研究还是一个空白，特别对于载气式送粉。从粉嘴喷出粉末粒子的速度分布影响着熔池的形状。对粉末利用率，以及进一步的理论分析都有着重要影响。在流体力学领域，由于工程上的需要常进行一些流体测试。PIV 粒子图像测速技术技术自二十世纪七十年代以来，已取得了长足和令人鼓舞的进展。目前PIV技术已应用于各种流动的流场观测研究中，但将PIV技术应用于激光快速制造中送粉器出口的三维气固二相流场研究，这在国内外的文献资料中还未见报道。

通过测量送粉嘴出口粉末粒子流横向和纵向的速度场分布，得到测试截面内的二维或三维速度向量场分布、等速度场、等涡量场和二维截面流线分布。

在二氧化碳激光束中，由于单台脉冲激光器不能提供高能且脉冲间隔极短的激光，因此使用双脉冲YAG激光器输出的532nm激光束合束后经过导光臂以及片光源圆柱透镜组形成的片光源照明金属粉末流场，给拍摄提供照明光源。这样经同步器调节后可以和数码相机形成很好的同步配合。

检测中采用8比特CCD跨帧相机镜头附加532nm滤光片对流场的流动图像进行实时记录。相机的双曝光模式可以在瞬间曝光两次，通过同步器的控制和脉冲照明光源同步，极短时间（粒子下落几个像素）内捕捉两幅图像。再通过数字图像处理的方法得到所需要的速度场信息。

对于垂直于送粉器出口轴线截面的速度场测量，由于相机不能对流场进行正直拍摄，得到的流场图像产生了变形，这就需要结合数字图像处理中的图像拉伸变形匹配技术进行校正，然后再进行速度场的计算。通过得到的速度场分布，可以进一步通过环量计算公式得到相应的涡量场，以及通过积分计算得到相应的二维流线分布。

三维速度场是通过同样两套PIV系统同时拍摄，将两套二维速度场结果，按照双目视觉体视原理合成计算三维的速度场。

（2）粉末流浓度场分布和颗粒直径分布的测量研究

快速制造所使用的粉嘴中，我们最希望它的环形咀送出的粉末是均匀的，具有轴对称分布。这不仅有利于提高成型件表面质量，而且便于优化激光能量分布。在非载气送粉中，由于粉末依靠自重下落，受到外界影响比较小，送出的粉末均匀性较好，但也并不能知道其具体情况。而载气式送粉方法中，由于气流的影响，粉末的流动情况是复杂多变的，利用理论的方法得到的结论不尽如人意。

使用PIV技术中的数字图像处理技术，结合激光片光的照明技术，通过拍摄到的金属粉末流场图像灰度分布，可以分析得到送粉器出口流场的浓度场分布。同时根据粒子在图像中所占据的像素个数还可以得到单个粒子直径及大小，以便于对被测金属微粒粒径进行统计分析。

激光片光源采用长焦距片光汇聚镜头，产生接近平行光束的片光照明流场，同时为了抵消片光经过金属粉末后的衰减效应，在片光入射方向对称的光路上再增加一个反射镜将入射光线沿原光路反射入金属粉末流场，增加流场照明的均匀度，也保证了浓度场测量的准确性。

（3）粉末流束在与高功率激光作用下的温度场研究

粉末流束在激光作用下的温度场的研究一直是科研人员研究的重点。但是鉴于激光高温加热的特殊性，在温度场方面的研究进展并不大。有的学者通过理论计算得到单个粒子的温度来判断粉场情况，也由台湾的学者提出这方面的初步试验构想，但实际并不可行。还有些学者提出利用光纤传感器或比色测温仪，但都不可行。尽管也有商业化的热像仪，但由于激光作用下的热粉流场的特殊性，多数都不能满足检测要求，且价格过于昂贵。为此我们通过深入研究焊接温度场的测温系统，根据我们的实际，设计了一套用于粉末热流场的检测方法。

根据维恩位移定律，金属铁粉经过激光束后最大光谱辐射度波长响应范围（1970nm-5060nm），我们要去除可见光的影响，同时也要避开环境因素的影响，因此我们选用双比色测温滤光片参数分别为804.5nm和894.6nm。这两个波长均在近红外区且在CCD相机响应范围内。又因为要通过图像的灰度级差别来判断温度的高低，所以对温度图像的拍摄要求选用高比特数的CCD相机。如柯达的Megaplus-ES/10就具有1024个灰度级，能够满足要求。由于粒子本身就在激光作用下，所以无需照明光源。比色测温仪装置如图5所示布置，光路系统选用单台相机，切换不同滤色片的单通道型图像记录方式。

滤光片及其控制保证两个滤光片交替置于数字相机图像记录光路中，移动响应时间小于10ms，由计算机控制的高精度步进电机实现准确定位。

软件包括两部分：一部分控制滤光片转入记录光路机械控制部分，另一部分进行实时的同步图像采集、处理。我们可以采用与被测物相同材料，将其加热至指定温度，利用图像采集系统采集到的数字图像进行去噪音、图像过滤处理，令其灰度值作为标定值。利用软件技术将其已得到的热粉流场图像的灰度值换算成温度值，并通过不同温标在显示设备上实时显示温度值分布。并可以同时进行二维等温曲线云图，以及三维温度场等高图的显示。

粉流场的速度、浓度分布和高能激光束作用下的热粉流的温度场研究是一个新的领域，所以在研究中，有些关键问题仍需解决:

1.分析横截面的浓度场和速度场需要将相机倾斜一定角度拍摄带来图像的非正直摄影变形问题，需要进行标定和校正，标定点的选取和校正的算法直接影响到后期的计算结果。

2.采用载气式送粉，粉末粒子流的速度较快，因此使用双脉冲激光器配合跨帧数字相机的双曝光功能，必须要将各种电气和光学信号需要严格同步控制。因此，同步控制器的研制也是一个关键的技术问题。为了将CCD数字相机的外触发双曝光功能与双脉冲激光器的氙灯Q开关等控制信号同步工作，需要有一个基准信号源来触发它们。这就需要一个能够周期的（15Hz）产生多通道触发信号的信号同步器来控制整个图像采集系统，而且在温度场的比色测温控制中也要将滤光片机械控制与CCD图像采集同步控制。

3.比色测温的温度场是动态不确定变化的，需要比色测温的动态响应足够快，这就需要高速的灵敏的数字相机。而且温度的灰度相差比较小，这就需要高比特数的相机，便于准确表示温度值。滤波片的切换速度快，也需要高精度的步进电机。

4.滤光片的透过波长直接影响所捕捉的影像的质量。既要求在CCD相机的有效响应范围之内，又不能受可见光及周围因素的影响。另一方面两个滤光片的可通过光的波长差值也十分重要，它影响着后面的比色计算，影响测量精度。因此恰当选择两个滤光片是在测温方案中要注意的重要因素之一。

5.光路设计需要考虑送粉器原有的二氧化碳激光束影响，532nm的照明片光要薄，定位要准，而且浓度场测量中扩束光经过金属粉流场能量要均匀，这都是在镜片的选择和设计中需要考虑的因素。

6.体视位移机构的作用是将两台跨帧数字相机按照一定角度，类似于生物视觉原理拍摄流场图像。这其中不仅包含固定相机的移动机构，还有数字相机镜头的移轴镜头机构，用于满足非正直拍摄的要求。在三维速度场的检测中，这是十分重要的。

7.相应的数字图像处理技术。粉末流场由于粒子不断下落，整体是不停变化的，我们得到的一幅图像只表示某瞬间的状态。为了分析流场的变化规律及判断其稳定性，我们必须采用实时采集，实时计算显示的技术。因此数字图像处理的算法就尤为重要了。我们应开发出能在尽可能短时间内得到结果的算法，便于实时检测。

总结：粉末流场的检测是个比较新的研究领域。在这个领域里深入研究对于我们建立准确的理论模型，设计出最优的柔性粉咀具有重要意义。将其用于工程实际也有直接的指导意义。(end)