盾构关重件激光熔覆精准再制造熔池监测系统研究

发布时间：2020-05-03 12:30

【摘要】：盾构机是近十年来我国逐步形成的具有自主知识产权的“大国重器”,在国家重大地下隧道工程施工、煤炭开采以及新近开展的“川藏线建设”中发挥了不可取代的作用。其关重件(刀盘、主驱动)的可靠运行是盾构行业健康、快速、可持续发展的重要保障。激光熔覆再制造是基于激光沉积技术原理,实现零部件损伤部位尺寸恢复和零部件性能提升的重要手段。目前,利用激光熔覆技术对精度要求较高的产品进行成形时,通常采用实验优化工艺参数以及路径规划的方式来完成。但是在激光熔覆沉积成形过程中,由于热堆积作用引起的热输入量难以控制,从而导致实际成形精度难以满足预期的成形精度,这种不可控性在多层曲面再制造成形过程中尤为明显。因此,在激光熔覆沉积过程中,对激光熔覆熔池的温度以及形状进行监测是实现精准再制造的关键,也是引领激光熔覆再制造技术“跨代式”发展的保障。本文针对上述问题,围绕盾构关重件激光熔覆精准再制造成形问题,构建了基于彩色CCD相机的熔池实时监测系统平台,利用圆形光斑的光纤激光器,以Fe-Cr-B球形合金粉末进行熔覆实验,通过获得的熔池温度、尺寸数据,建立了激光熔覆工艺参数与熔池温度、形状之间的相关性。主要研究内容如下:(1)研究了高温辐射体的图像处理算法。对监测过程中存在的镜头畸变和图像畸变进行了校正,在此基础上,对熔池图像的实际尺寸进行了标定。采用中值滤波加维纳滤波相结合的图像预处理方法降低了熔覆过程中的噪声和干扰。进一步通过温度阈值分割方法提高了图像分割的速度,采最后,基于先闭操作后开操作的形态学处理方法减小了分割后图像存在游离点和空穴的干扰。(2)研究了彩色CCD测温技术。通过分析彩色CCD比色测温原理,在黑体炉标定实验分析的基础上,提出了基于激光熔覆熔池表征的分温度段比色测温方法。获得了校正响应带宽系数的温度计算模型和多项式拟合的温度计算模型,确定了不同温度段的温度计算模型,实现了全温度段测温绝对误差低于3.5℃。(3)开发了盾构关重件激光熔覆熔池监测系统。利用彩色CCD相机及相应的光学系统、实验设备搭建熔池监测系统的硬件平台,利用LabVIEW编程软件和Opencv视觉库构建系统的软件平台。通过应用高温辐射体的图像处理算法和彩色CCD测温技术,实现了激光熔覆熔池形状、温度信号的获取。(4)研究了激光熔覆工艺参数对熔池形状和温度的影响。建立了激光熔覆熔池温度、形状表征方法。结果表明:在盾构关重件激光精密再制造系统开发中,优先考虑选用熔池宽度作为输入量进行控制更为合适。
【图文】：

关重件,盾构机,再制造

公路、输油管道、市政管廊等工程，具有研发周期长、技术工艺复杂、施工风险大等特点，如图 1-1 所示[1]。在国家重大地下隧道工程施及新近开展的川藏线建设中越来越发挥出举足轻重的作用，逐步形主知识产权的大国重器[2-3]。目前，我国的隧道工程及盾构机产业规位。截止到 2017 年底，国内市场的盾构机（包括 TBM：TunnelBoringM隧道掘进机）保有量已经突破 2000 台套。未来 3 年，我国盾构机保更是达到 30%以上，，累计设备价值将达 1500 亿元；然而，目前市场盾构机产品即将进入大修及报废时段[4]。因此，盾构装备再制造潜力制造产业将逐步成为盾构行业健康、快速、可持续发展的重要组成部分是制造产业链的延伸，也是先进制造和绿色制造的重要组成部分。再十三五战略性新兴产业，《中国制造 2025》提出大力发展再制造再制造、智能再制造、在役再制造，推进再制造产品认定，促进再制发展[5]。再制造产品的质量特性不低于原型新品，而成本仅是新品的实现节能 60％、节材 70％、污染物排放量降低 80％，经济效益、社益显著[6-7]。因此，开展盾构关重件再制造研究具有十分重要的意义。

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工程硕士专业学位论文过低的温度不足以熔化足量的粉末，造成填充金属不足；象[29]。因此，激光熔覆熔池温度监测对熔覆层质量有重过程中熔池监测系统不仅能够实时采集熔池温度图像，还完成熔池形状的检测。熔池形状不仅可以反映出熔覆层的熔覆中可以有效地控制熔覆层的成形精度。根据获得的熔应的反馈控制，通过调节激光加工工艺参数，从而实现激[30-37]。熔池形状信号检测方法研究方面铁卢大学 M. Asselin 等[39]采用三个互为 120 的摄像机对。并在该检测系统基础上开发了模糊自适应阈值分割算法时精确提取熔覆层的高度、宽度和凝固速度，实现了对熔
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;TN249

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