激光熔覆中同轴送粉温度场理论与实验研究

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CNC工作平台下，由CAD/CAM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104w/cm2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木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：
　　 1、利用FLUENT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术流温度场分布模型。
　　 2、确定CCD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CCD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、分析粉木流整体场特点，建立激光熔覆粉术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末流的温度状态。

目录

文摘

英文文摘

声明

学位论文的主要创新点

第一章 绪论

1.1 激光再制造技术

1.2 粉末流温度场理论研究

1.3 CCD测温技术概述

1.3.1 温度测量方法概述

1.3.2 CCD测温技术

1.4 数字图像处理技术

1.5 基于数字图像处理的温度场检测

1.6 研究的意义和内容

第二章 粉末流温度场数值模拟

2.1 粉末流燃烧计算模型

2.2 粉末流燃烧模型边界条件

2.3 粉末流燃烧模型网格划分

2.4 模拟结果及其分析

2.5 不同参数的影响

2.5.1 不同粉末流速度

2.5.2 不同激光功率

第三章 粉末流温度场试验检测原理

3.1 热辐射的基本概念

3.2 热辐射定律

3.2.1 普朗克定律

3.2.2 维恩公式

3.2.3 维恩位移公式

3.3 比色测温原理

3.4 CCD比色测温

3.5 CCD检测粉末流温度场模型

第四章 粉末流辐射图像的数字图像处理技术

4.1 数字图像处理基本方法

4.2 粉末流辐射图像的数字化成像原理

4.3 粉末流辐射图像的数字图像处理流程

4.3.1 噪声分析

4.3.2 图像处理

4.4 粉末流整体温度场的计算

4.4.1 黑体炉结构

4.4.2 温度标定方案

4.4.3 粉末流整体温度场计算公式

4.5 基于图像处理技术的CCD比色测温法的误差分析

第五章 粉末流温度场测量系统的设计

5.1 硬件结构设计

5.1.1 CCD器件

5.1.2 光学系统

5.1.3 图像采集卡

5.1.4 计算机

5.2 软件部分设计

5.2.1 软件功能设计

5.2.2 软件模块设计

5.3 软件界面

5.4 操作说明

第六章 粉末流整体温度场试验检测

6.1 实验目的

6.2 实验原理

6.3 试验设备及安装

6.4 试验测量

6.4.1 粉末流随时间变化的动态形貌

6.4.2 不同送粉量Mp下粉末流温度场

6.4.3 不同送气量Vp下粉末流温度场

6.4.4 不同激光功率P下粉末流温度场

第七章 工作总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和参加科研情况

致谢