本發(fā)明涉及表面處理與改性，尤其涉及一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝及熔池寬深比實(shí)時監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
1、中碳鋼細(xì)長軸類零件（如油缸活塞桿、機(jī)床主軸、傳動軸等）因其高承載需求和復(fù)雜服役環(huán)境，需具備優(yōu)異的表面硬度、耐磨性及尺寸穩(wěn)定性。激光熔覆技術(shù)作為一種增材制造方法，可在零件表面熔覆高硬度合金層以提升性能。然而，細(xì)長軸類零件在激光熔覆過程中面臨以下挑戰(zhàn)：
2、1、分段熔覆規(guī)則依賴經(jīng)驗(yàn)公式（如固定段長），未結(jié)合材料熱導(dǎo)率與幾何參數(shù)動態(tài)調(diào)整；
3、2、熱應(yīng)力集中：細(xì)長軸長徑比大，熔覆過程局部高溫導(dǎo)致熱應(yīng)力累積，引發(fā)變形甚至開裂；
4、3、傳統(tǒng)水冷或空冷易造成馬氏體相變或殘余應(yīng)力集中，影響零件疲勞壽命，且冷卻工藝單一，無法兼顧組織細(xì)化與殘余應(yīng)力控制；
5、4、矯直工藝缺陷：矯直技術(shù)依賴高溫加熱或機(jī)械施力，易破壞熔覆層微觀結(jié)構(gòu)，且無法精準(zhǔn)修正微米級變形；
6、5、熔池形貌監(jiān)測精度低，難以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)實(shí)時調(diào)控。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，而提出的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝及熔池寬深比實(shí)時監(jiān)測方法。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案，包括：
3、一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝，包括以下工藝步驟：
4、s1、動態(tài)分段熔覆：根據(jù)零件的直徑d、材料熱導(dǎo)率λ及熔覆層厚度h，按公式計算分段數(shù)量n，將待熔覆表面沿軸向劃分為n段，按非相鄰跳焊進(jìn)行激光熔覆；
5、s2、梯度冷卻：熔覆完成后依次進(jìn)行以下冷卻階段：
6、??a.?使用惰性氣體將零件急冷至相變點(diǎn)（ac1）以下100~300℃；
7、??b.?使用氣液混合介質(zhì)以10~30℃/s的速率將零件冷卻至熔覆完成時零件溫度的30%~50%；
8、??c.?將零件自然空冷至室溫；
9、s3、電磁脈沖矯直：對變形量≥0.05mm的一個或多個區(qū)域施加脈沖磁場，磁場強(qiáng)度b滿足，其中，γ為矯直效率系數(shù)，γ∈[0.1，0.5]，δmax為零件軸體最大彎曲量，e為零件的材料彈性模量，δy為零件的材料屈服強(qiáng)度，d為零件的直徑，t為脈沖時間；
10、s4、熔覆閉環(huán)控制：基于熔池寬深比w/d實(shí)時調(diào)節(jié)激光功率p，調(diào)節(jié)公式為，其中p0為初始功率；w/d通過圖像處理實(shí)時獲??；α為調(diào)節(jié)強(qiáng)度系數(shù)，表示激光功率p對熔池形貌偏差的敏感度，取值范圍為0.1~0.3；β為目標(biāo)寬深比，即理想熔池寬深比，取值范圍為2.0~3.0。
11、進(jìn)一步地，所述s1中非相鄰跳焊的間隔距離δl至少滿足：δl=k?λ?t，其中，k為優(yōu)化系數(shù)，k∈[2.0，3.0]，λ為材料熱導(dǎo)率，t為相鄰段的冷卻時間；
12、所述s1中非相鄰跳焊的順序?yàn)椋喝鄹驳趇段后，跳過至少段再熔覆第j段，j≠i±1。
13、進(jìn)一步地，當(dāng)跳過段的距離小于δl時，按跳過至少δl執(zhí)行跳焊；
14、當(dāng)跳過段的距離等于δl時，按跳過至少段或δl執(zhí)行跳焊；
15、當(dāng)跳過段的距離大于δl時，按跳過至少段執(zhí)行跳焊。
16、進(jìn)一步地，所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤?，流速?0~15l/min，氣液混合介質(zhì)為氦氣與乙醇，氦氣:乙醇體積比=3:1~5:1。
17、進(jìn)一步地，所述s3中脈沖磁場強(qiáng)度b為1.5~3t，脈沖時間t為30~100ms，脈沖次數(shù)為3~5次。
18、進(jìn)一步地，所述s4中熔覆閉環(huán)控制還包括零件夾持力自適應(yīng)，即夾持力f按以下規(guī)則調(diào)整：f=min(500n，0.8δy?a)，δy為零件的材料屈服強(qiáng)度，a為零件截面積。
19、一種實(shí)現(xiàn)上述激光熔覆工藝的熔池寬深比實(shí)時監(jiān)測方法，包括以下步驟：
20、p1、通過多光譜成像設(shè)備同步采集熔池的可見光與近紅外波段圖像，生成多光譜圖像；
21、p2、將所述多光譜圖像輸入預(yù)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)模型，直接輸出熔池寬深比w/d值；
22、p3、基于w/d值實(shí)時調(diào)節(jié)激光功率p，實(shí)現(xiàn)熔覆閉環(huán)控制；
23、其中，所述深度學(xué)習(xí)模型通過熔池的多光譜圖像與實(shí)測w/d標(biāo)簽數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到，模型輸出精度誤差≤±0.1。
24、進(jìn)一步地，所述p1中多光譜成像設(shè)備包含波長400~700nm的可見光相機(jī)與900~1700nm的近紅外相機(jī)，幀率≥1000hz，且配備輔助激光結(jié)構(gòu)光投射模塊以增強(qiáng)熔池邊緣特征。
25、進(jìn)一步地，所述p2中深度學(xué)習(xí)模型為u-net架構(gòu)，輸入為640×512像素的雙通道光譜圖像，輸出為w/d值與熔池深度d值。
26、與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：
27、1、熱應(yīng)力與變形控制全面提升：將分段數(shù)量n與零件的直徑d、材料熱導(dǎo)率λ及熔覆層厚度h結(jié)合，科學(xué)量化分段密度，有效降低熱應(yīng)力；
28、2、動態(tài)跳焊路徑優(yōu)化：跳焊間隔距離δl計算公式結(jié)合了材料熱擴(kuò)散特性，避免長軸中部熱應(yīng)力集中；
29、3、梯度冷卻技術(shù)：分階段控溫（急冷→控速冷卻→空冷），匹配材料相變點(diǎn)（ac1）與熔覆溫度，避免粗晶與裂紋，降低殘余應(yīng)力；
30、4、電磁脈沖矯直：非接觸式磁場矯直，通過洛倫茲力修正微米級變形，避免熱損傷；
31、5、多參數(shù)熔覆閉環(huán)控制：基于熔池寬深比w/d實(shí)時調(diào)節(jié)激光功率p，結(jié)合夾持力自適應(yīng)算法，提高工藝穩(wěn)定性；
32、6、多光譜深度學(xué)習(xí)監(jiān)測：可見光+近紅外多光譜成像結(jié)合u-net模型，直接輸出熔池寬深比w/d，精度誤差≤±0.1，較傳統(tǒng)canny算法大幅提升；
1.一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝，其特征在于，包括以下工藝步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝，其特征在于，所述s1中非相鄰跳焊的間隔距離δl至少滿足：δl=k?λ?t，其中，k為優(yōu)化系數(shù)，k∈[2.0，3.0]，λ為材料熱導(dǎo)率，t為相鄰段的冷卻時間；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝，其特征在于，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝，其特征在于，所述惰性氣體為氮?dú)饣驓鍤?，流速?0~15l/min，氣液混合介質(zhì)為氦氣與乙醇，氦氣:乙醇體積比=3:1~5:1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝，其特征在于，所述s3中脈沖磁場強(qiáng)度b為1.5~3t，脈沖時間t為30~100ms，脈沖次數(shù)為3~5次。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝，其特征在于，所述s4中熔覆閉環(huán)控制還包括零件夾持力自適應(yīng)，即夾持力f按以下規(guī)則調(diào)整：f=min(500n，0.8δy?a)，δy為零件的材料屈服強(qiáng)度，a為零件截面積。
7.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-6任一所述細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝的熔池寬深比實(shí)時監(jiān)測方法，其特征在于，包括以下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝的熔池寬深比實(shí)時監(jiān)測方法，其特征在于，所述p1中多光譜成像設(shè)備包含波長400~700nm的可見光相機(jī)與900~1700nm的近紅外相機(jī)，幀率≥1000hz，且配備輔助激光結(jié)構(gòu)光投射模塊以增強(qiáng)熔池邊緣特征。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種細(xì)長軸類零件激光熔覆工藝的熔池寬深比實(shí)時監(jiān)測方法，其特征在于，所述p2中深度學(xué)習(xí)模型為u-net架構(gòu)，輸入為640×512像素的雙通道光譜圖像，輸出為w/d值與熔池深度d值。