激光加工系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种激光加工系统及方法。该激光加工系统包括激光发生器、喷嘴、光学单元、图像处理单元、过程模型及控制装置。激光发生器用来产生激光于基板上形成熔池。喷嘴可向所述熔池中提供熔覆材料。光学单元可获取加工过程中一个或多个内征参数的图像。图像处理单元可处理所述图像以获得所述内征参数的测量值。过程模型用于设定所述内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量。控制装置可基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，尤其涉及一种激光净成型加工系统及用于激光净成型加工的方法。
技术介绍
激光净成型加工是一种激光添加技术，其中，高能激光束用来在物体表面进行材料的沉积。通过重复此种方法就可以加工出期望的部件。激光净成型技术与传统的加工技术不同，在传统的加工技术中，其是通过移除物体上的材料来形成期望的部件。这样，激光净成型加工以其可明显的缩减从最初概念的形成到加工出最终成品所需的时间而成为一种非常具有前景的制造技术。在激光净成型加工过程中，通常激光先聚焦于加工表面的刀路(Toolpath )上以在该平面上形成熔池。然后，熔池随着激光以一黄向速度(Traverse Velocity )沿着刀路移动。同时，在这个过程中，不断的向熔池中加入需要熔覆的材料(通常为可熔性的粉末或金属丝)以使其熔覆在熔池中。这样，熔覆的材料就可以沿着刀路而沉积在加工表面上以形成一个熔覆层。进而，不同的熔覆层叠加就可以形成期望的工件。为了提供激光加工的精度，在一些激光净成型加工技术中常使用反馈系统，比如电荷耦合装置(Charged Coupled Device, CCD )来对激光加工过程进行实时检测。然而，由于加工过程的复杂性，此种系统常不能满足更高的精度要求，特别是在加工曲面工件时。所以，需要提供一种新的激光净成型加工系统及用于激光净成型加工的方法。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例提供了 一种激光加工系统。该激光加工系统包括激光发生器、喷嘴、光学单元、图像处理单元、过程模型及控制装置。激光发生器用来产生激光于基板上形成熔池。喷嘴可向所述熔池中提供熔覆材料。光学单元可获取加工过程中的一个或多个内征参数的图像。图像处理单元可处理所述图像以获得所述内征参数的测量值。过程模型用于设定所述内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量。控制装置可基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。本专利技术的另一个实施例提供了一种激光加工方法。该方法包括设定激光加工过程中内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量；于激光发生器产生激光以在基板上形成熔池；向所述熔池中提供熔覆材料；获取激光加工过程中一个或多个所述内征参数的图像；处理所述图像并获得所述内征参数的测量值；及基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。附图说明通过结合附图对于本专利技术的实施例进行描述，可以更好地理解本专利技术，在附图中-.图1为本专利技术激光净成型加工系统的一个实施例的示意图；图2a-2c为用来说明图1所示的本专利技术激光净成型加工系统中的光学单元获取加工过程图像的示意图3为图1所示的本专利技术激见净成型加工系统中的控制系统的示意图；图4为用于说明实像(Real Image)与重影(Ghost Image)产生的示意图5为本专利技术中用于消除重影的一个实施例的示意图；图6为本专利技术中用于消除重影的另一个实施例的示意图；图7为本专利技术中一个工件的立体示意图8为本专利技术激光净成型加工系统用于加工图7所示的工件的刀路示意图。具体实施例方式在本专利技术的实施例中，激光净成型加工系统可用来加工或修复工件，比如涡轮叶片或压缩机叶片等。如图1所示，本专利技术激光净成型加工系统10包括激光发生器11、喷嘴12、过程模型13、光学单元14、图像处理单元15和控制装置16。在本专利技术的一个实施例中，过程模型13、图形处理单元15和控制装置16可分别是独立的元件，或者可集成在一个相同的计算装置，如计算机中。如图l所示，在本专利技术实施例中，激光发生器11用于产生激光，如二氧化碳激光来在基板18上形成熔池17。喷嘴12用于向熔池17中注入熔覆的材料，比如金属粉末以在基板18上形成部件19。用来熔覆的材料包括但不限于钛和钛合金，镍和镍合金，钴和钴合金，铁和铁合金，含有镍、钴或铁的超合金，陶瓷或塑性材料等。在一些实施例中，本专利技术激光净成型加工系统10可设置有多个激光发生器11,这样多个激光发生器可同时用来加工或者不同的激光发生器用来对不同的熔覆材料进行加工。另外，本专利技术激光净成型加工系统IO还可设置多个喷嘴12，其可用来在不同的位置向熔池17中注入熔覆的材料。在图1中，控制装置16可与喷嘴12相连，用来控制熔覆材料的供给速率。此外，喷嘴12也可独立设置。过程模型13基于在计算机辅助设计(Computer-Aided Design, CAD)中对部件19的描述来对用于加工部件19的内征参数设定目标值。在本专利技术实施例中，内征参数包括但不限于熔池宽度、熔覆层厚度及部件19的沉积高度。光学单元14用来获取加工过程的实时图像。在本专利技术的实施例中，光学单元14可借助由熔池17产生的光线来进行图像朴捉。随后，获取的实时图像被传输给图像处理单元15。该图像处理单元15内设置有图像运算处理运算法则来对图像进行处理以获得内征参数的实时测量值。进而，控制装置16接收来自处理单元15的内征参数的测量值并把其与来自过程模型13的目标值进行比较，从而来调整可控参数，比如激光功率、横向速度和/或熔覆材料供给速率，以使测量值与目标值相匹配。此外，控制装置16也可来控制光学单元14的操作。在本专利技术实施例中，图像处理单元15内的图像处理运算法则包括但不限于连通i或分片斤(Blob Analysis), 最大内圆分才斤(Maximum Inside CircleAnalysis)或消波分析(Clipper)。另外，控制装置16包括有比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative， PID)控制装置、预测(Predictive )控制装置或模糊(Fuzzy)控制装置。这些运算规则及控制装置对业界技术人员来说都是可以容易实现的。在一个激光加工系统中， 一些过程参数是可以单独直接控制的，而另一 些在制造过程中实质上是不能被直接控制的。在正在进行的制造过程中，那 些能够被直接调整的参数可称为可控参数。所谓内征参数，其与制造过程所处的环境相关。在本专利技术实施例中，内征参数包括比如基板18表面的温度分 布、熔池的尺寸和形状、熔池过热的最大限度、沉积层的厚度等，这些参数 共同的特征是其受系统的状态的影响，特别是其不是可以直接控制的参数。 比如，在本专利技术实施例中，熔池的宽度一旦通过CAD在过程模型13中预设 后就不能再被设定为可控参数。如图1所示，在本专利技术实施例中，光学单元14包括用来产生第一图像的 第一成像装置20及用来产生第二图像的第二成像装置21。特别是第一图像 与熔池17相关，第二图像与正在熔覆形成的部件19相关。第一和第二成像 装置20和21可包括互补型金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide semiconductor, CMOS )或CCD.在图l所示的实施例中，第一和第二成像装置20和21通过来自熔池17 的发光来获取加工过程的图像。这样，本专利技术激光净成型加工系统10利用自 发光来降低系统的复杂度且可排除外部干扰的情况以提高成像的质量。此外， 系统10也可设置有外部发光装置(未图示)来照明加工过程。如图1所示，本专利技术激光净成型加工系统10还设置有第一带通滤波器 (Band Pass Filter) 22，第二带通滤波器23及光束分裂器24。第一和第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光加工系统，包括：　激光发生器，其用来产生激光于基板上形成熔池；　喷嘴，其可向所述熔池中提供熔覆材料；　光学单元，其可获取加工过程中一个或多个内征参数的图像；　图像处理单元，其可处理所述图像以获得所述内征参数的 测量值；　过程模型，其用于设定所述内征参数的目标值，其中至少一个内征参数的目标值是变量；及　控制装置，其可基于所述内征参数的测量值和目标值的比较来控制加工过程中的可控参数。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡国双，黄小平，李延民，齐欢，麦格迪阿泽尔，刘勇，陈晓宾，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[]