基于发射光谱的激光熔覆过程高温测量方法研究

论文摘要

温度作为物质最重要的几个基本参数之一,对激光熔覆过程中材料性能及属性的控制方面占有至关重要的地位。熔覆过程中基体的熔池温度对熔池中组织的成形以及随后的应力都有着很大影响。与此同时,熔池温度的变化对熔池的形状、大小以及基体的成形精度、沉积速率、表面光洁、粉末粘附等也有很大的关联。这些因素最终直接影响到熔覆质量的好坏。因此,在激光熔覆过程中,温度的实时准确测量与控制得到了越来越多的关注。自二十世纪七十年代起,世界各国学者均开始了对激光熔覆过程及控制的研究,并取得了相应的成果。然而现实中由于激光熔覆过程自身的特性以及激光功率的不稳定等因素,导致熔池较小且熔化凝固速度非常快,熔池内变化剧烈,因而一些常规的温度测量方法无法有效的使用。目前主要的测量方法仍是接触式测温配合温度场的模拟计算预测温度值。该方法虽然对温度的控制有一定的指导意义,但是无法满足高要求的激光熔覆情况。针对此种情况,本文以目前应用最普遍的普通碳钢为研究对象,采用7kW大功率CO2激光器作为加热源对目标加热,同时利用带宽为300～91Onm的光纤光谱仪采集目标发射出的光谱信号。为了最大程度上减少温度的测量误差,对原始光谱采取平滑滤波处理。同时为了合理的验证测量方法的精度,将本文测量结果与德国生产的高温温度计(测量误差为±0.75%)相比较,并给出误差范围。在光谱测温方法及理论研究方面,本文做了如下创新工作：1.针对激光制造和再制造过程中高温测量的实际情况,在考虑到背景光噪声、烟气以及测量点统一等各种影响因素下,设计并搭建了温度实时测量系统。2.针对目前不同物质的发射率与其温度以及波长的关系无法准确给出的问题,通过对韦恩黑体辐射公式的数学处理变换,从最大程度上减少了发射率对温度的影响,从而使本方法在某一窄波段的光谱测量范围内,实现对大部分高温物体温度的准确测量。3.考虑到传统的比色法测温在测量某些高温物体温度时误差较大,结合比色法的测量理论及误差来源,提出通过将某一类物体的发射率模型带入到比色法中,并对其进行数学处理,从而使改进后的比色法在测量此类物体时有着较高的测量精度。4.从实验测量和实验数据处理理论两方面介绍了系统测量误差的来源。在测量方面由于存在激光器光束的不均匀以及环境噪声干扰等问题,使光谱仪采集到的光谱信号与物体实际信号并不相同,从而引入测量误差。在数据处理方面,由于假定的发射率模型与实际模型存在出入,从而在测量中引入误差。最后本文对系统的测量误差进行了定量分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题依据
• 1.2 激光熔覆过程的测温方法
• 1.3 激光熔覆过程的温度控制
• 1.3.1 温度测量的发展
• 1.3.2 温度测量及控制的国内外现状
• 1.3.3 存在的问题及发展方向
• 1.4 课题研究目的、内容及技术路线
• 1.4.1 研究目的与内容
• 1.4.2 课题技术路线
• 第2章 高温测量的理论基础
• 2.1 辐射测温方法的基本参数
• 2.1.1 辐射度量
• 2.1.2 辐射特性
• 2.1.3 表观温度
• 2.2 光谱测温方法的理论基础
• 2.2.1 普朗克定律
• 2.2.2 韦恩位移定律
• 2.2.3 斯忒藩—玻尔兹曼定律
• 2.3 本章小结
• 第3章 光谱的采集及处理
• 3.1 光谱采集平台的搭建
• 3.2 光谱降噪处理的原理
• 3.2.1 光谱的滤波降噪
• 3.2.2 光谱的曲线拟合
• 3.3 光谱数据处理与评估标准
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于斜率法的光谱数据处理
• 4.1 基于斜率法的数据处理原理
• 4.2 斜率法测量实验分析与结果
• 4.3 斜率法测量误差分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 双光谱测温法的发射率补偿
• 5.1 双光谱（比色）测温法
• 5.1.1 双光谱测温法的原理
• 5.1.2 双光谱测温法的主要误差来源
• 5.2 双光谱补偿法温度测量原理
• 5.2.1 理论背景
• 5.2.2 双光谱补偿法温度测量结果讨论
• 5.2.3 双光谱补偿法温度测量误差分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果