摘要：A multi-sensor based online monitoring system for laser hot-wire surface cladding process” 由 Mingpu Yao 等人撰写。文章介绍了一种用于激光热丝表面熔覆过程的多
A multi-sensor based online monitoring system for laser hot-wire surface cladding process” 由 Mingpu Yao 等人撰写。文章介绍了一种用于激光热丝表面熔覆过程的多传感器在线监测系统，该系统包含高速相机、光谱仪和红外相机，能够实时监测熔覆过程，为优化工艺参数和提高熔覆质量提供依据。
研究背景：激光热丝熔覆（LHWC）是高效的表面改性技术，但过程复杂，受多种因素影响，难以获得稳定结果。目前对 LHWC 的研究较少，缺乏综合监测系统。多传感器监测系统能弥补单一传感器的不足，对 LHWC 过程研究意义重大。实验设置与方法实验装置：激光热丝熔覆系统含激光源、机器人、电源、送丝系统等。用高速相机、红外相机和光谱仪分别监测熔池尺寸、热行为和光谱信息，实验后对熔覆层进行多种测量分析。实验材料与方法：以 A36 低碳钢为基底，316L 焊丝为填充材料。通过改变表面条件、基底厚度、激光功率和扫描速度进行四组实验，融合多传感器数据和后处理测量数据评估熔覆质量。多传感器监测与特征提取：高速相机经图像裁剪、二值化等处理提取熔池尺寸；光谱仪根据相关公式计算电子温度；红外相机选点记录温度，计算冷却速率。熔覆层表征：通过图像处理，以基底表面厚度为参考，利用 Otsu 方法确定熔覆层的稀释深度和高度。结果与讨论表面条件的影响：表面有氧化皮时，熔池形状、温度分布、光谱强度、电子温度等发生变化，导致稀释不稳定，熔覆层硬度分布不均，冷却速率升高。基底厚度的影响：基底厚度变化影响熔池尺寸、热影响区大小，对稀释深度影响较小，微硬度变化不明显，厚度减小时冷却速率降低。激光功率的影响：激光功率增加使熔池温度、尺寸、稀释深度、光谱强度、熔覆层高度和硬度等增加，但过高功率会使稀释深度过大，影响熔覆层性能。扫描速度的影响：扫描速度改变影响熔池尺寸、表面形貌、稀释深度和微硬度，速度过快会出现咬边缺陷，且信号响应有滞后。传感器选择与特征提取综合评价：表面预处理对所有传感器信号影响最大。多传感器系统能全面监测熔覆质量，但数据处理复杂、成本高。未来应结合机器学习模型优化工艺。研究结论：基底氧化皮显著影响熔覆质量，其他因素影响较小。基底厚度影响熔池尺寸和稀释度，对微硬度影响不大。激光功率和扫描速度影响冷却速率和微硬度。多传感器系统评估熔覆质量更可靠，但存在数据处理问题。论文中提到的多传感器监测系统由高速相机、光谱仪和红外相机组成，在激光热丝熔覆过程中协同工作，实现对熔覆过程的全面实时监测。
高速相机：主要用于观察熔池的尺寸和内部流体动力学。在使用前需进行相机校准，这是确保测量准确的基础。在监测过程中，先对拍摄图像进行裁剪，聚焦高亮度的熔池区域，然后确定合适的灰度阈值将图像二值化，以突出熔池形状。由于拍摄角度和焊丝遮挡等问题，会应用形态学开运算和闭运算，去除图像中的噪声和干扰，增强熔池的可见性，进而精确确定熔池在图像坐标系中的尺寸，如长度和宽度等信息 。光谱仪：负责记录等离子体羽和熔池的发射信号，用于分析熔覆过程中的材料成分变化。根据局部热平衡（LTE）假设和相关公式，通过测量特定元素的发射线强度，选取两条满足条件的同一元素的光谱线，利用公式计算电子温度，从而获取等离子体的相关信息，为评估熔覆过程提供依据 。红外相机：承担多项职责，包括监测热丝预热效果、实时监测熔覆区和凝固区的冷却速率、检测内部或表面的孔隙和微裂纹等质量缺陷。在计算冷却速率时，从熔池表面选取特定的点记录温度历史，由于其同轴安装在激光头上难以获取定点冷却速率，所以通过选取熔池表面两点，根据两点间的温度差、距离以及扫描速度来计算冷却速率 。
协同工作与数据融合：这些传感器都直接安装在激光头上，在熔覆过程中实现实时、原位同步监测。各传感器采集的数据在实验后会与熔覆层的表面粗糙度、稀释深度、熔覆高度和显微硬度等后处理测量数据进行融合。通过综合分析这些数据，能够全面评估熔覆质量，探究工艺参数、表面条件等因素对熔覆层质量的影响 。
Mingpu Yao, Jie Sheng, Fanrong Kong, Wei Tong,A multi-sensor based online monitoring system for laser hot-wire surface cladding process, Optics & Laser Technology,Volume 177, 2024, 111074, ISSN 0030-3992, https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.111074.
来自：智能高效焊接
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟