液相／粉末等离子射流形态特征可视化分析
张海鸥，于洋等
华 中 科 技 大 学 学 报 （自 然 科 学 版）２０１１年 １月
摘要 用标准化相同二阶中心矩椭圆的长短轴比作为等离子射流形态的特征值，以反映射流温度、速度等相关工艺参数的变化，建立了等离子熔射成形过程在线可视化数据模型．实验中使用计算机视觉及图像处理技术研究了液相／粉末等离子熔射射流特征值与熔射能量相关工艺参数之间的关系．结果表明：随着熔射功率的增大，射流的特征值也增大，而液相熔射的特征值小于粉末熔射的特征值；随着 Ａｒ工作气体流量的增大，射流特征值并非增大而是减小．
关键词 液相／粉末等离子；熔射；射流；计算机视觉；图像处理；工艺参数；标准化相同二阶中心矩椭圆；特征值
等离子熔射技术是获得材料表面功能涂层的有效手段，它具有成形效率高、制备的涂层质量好、使用材料范围广、成本低等优点．国内外研究表明，在工作气体已经确定的情况下，影响熔射质量的主要工艺参数有：主气及送粉气的流量、送粉量、电功率、电压和电流等．其中等离子射流的速度、温度这２个关键工艺参数对得到低孔隙率和高结合强度的涂层有着重要的意义［１－５］．
目前等离子射流温度和速度的在线采集，多数采用商用ＳｐｒａｙＷａｔｃｈ监测仪［６－８］，该设备多用于处理射流局部的飞行特性（主要是温度和速度）．对射流的整体形貌和飞行特性监测分析的手段未见报导，为此本文采用基于ＣＣＤ传感器以及计算机图像处理技术的在线视觉检测手段，对粉末熔射及新近兴起的液相熔射射流形态进行可视化分析．
１ 等离子熔射射流的特征值识别
等离子熔射视觉检测系统主要由等离子射流发生装置、熔射控制单元、工业机器人、工业控制计算机、图像采集卡、ＣＣＤ摄像机、窄带复合滤光系统等组成．本系统采用 ＧＡＮＺ公司的 Ｆｃｈ－２５ｃ黑白工业摄像机，将Ｃｏｍｐｕｔａｒ公司的 Ｍ５０１８－ｍｐ光学镜头与射流正交放置［９］．获得的图像数据由计算机进行实时处理和显示．
得到等离子射流的数字化图像后，下一步的工作就是要建立射流形态的特征值，并进行射流特征的识别．对于特征值的选择，应满足以下要求：能够准确反映等离子射流轮廓的特征；特征值的变化能够反映熔射工艺参数的变化；特征值的识别具有稳定性，不受 ＣＣＤ摄像机检测距离、角度及机器人扫描姿态的影响；简单明了，便于测量、计算和计算机识别．
实验结果表明：一般来说，射流形态狭长，中心温度下降平缓时，粒子停留在射流中的时间较长，有利于粒子在冲击到基体表面之前获得较高的速度和温度．因此采用射流形态狭长度———射流轮廓最小包络矩形的长宽比作为特征值描述射流形态是有效的办法［９］．
然而该方法存在以下问题：在液相／粉末等离子熔射中，等离子射流常常因为喷枪的扫描、旋转、液料的射入、ＣＣＤ 的抖动等原因出现射流的变形、偏转等现象．在此情况下，该方法所描述的射流特征值会随之发生变化，难以反映射流的真实形态特征．
为此，提出使用标准化相同二阶中心矩椭圆（简称同二阶中心矩椭圆）的长短轴比值作为等离子射流形态特征的特征值．定义为：生成一个椭圆，它的标准二阶中心矩与原图形的标准二阶中心矩相等．
二阶标准化中心距的物理意义［１０］表明：对于二值图像来说，所拟合的椭圆像素点和射流轮廓像素点离散程度相同，如图１所示。
从图１可以看出，只要能计算出射流图像同二阶中心矩椭圆的长短轴比，即使射流轮廓图像不在画面中心，或倾斜、或失去原有形态，也可以准确地判别其特征值．该方法具有自适应图像轮廓、自动修正图像倾斜偏差的优点，满足上面提出的要求．
２ 实验研究
２．１ 等离子熔射功率对射流形态的影响
等离子熔射功率直接影响等离子射流的核心温度．一般情况下功率越大，射流温度越高．为分别研究液相和粉末等离子熔射射流的特征值随熔射功率的变化，采用 Ａｒ（主气），Ｎ２（次气）作为等离子弧工作气体，Ａｒ流量为８００Ｌ／ｈ，Ｎ２流量随着电弧电压的变化而变化，送粉量为０．０７６ｇ／ｓ．
电弧电流从３００Ａ 逐渐增大到６５０Ａ．在每个工作电流下，电弧电压从３０Ｖ 增大到５０Ｖ．在液相熔射过程中，液料垂直于射流射入．在每个观测点处选取５幅实验图像，求出特征值后取平均值，最终获得的数据点及拟合曲线如图２和图３所示．图中：λ为等离子熔射射流特征值；Ｐ 为等离子熔射功率．结果表明随着熔射功率的增大，等离子射流特征值也随之增大．其原因有：首先，Ｎ２流量随电弧电压的增大而增大，其作为等离子弧的工作气体具有导热性能好、离解时吸收潜热多、携热性好的优点，因此电弧电压增大时射流特征值增大，高温区域增长；其次，功率增大能够在单位时间内为射流提供更高的能量，被等离子化的工作气体增加，使射流产生更大的动能和热能，最终导致射流增长．另一方面，液相等离子熔射射流特征值小于粉末等离子熔射射流特征值．这是因为熔射过程中，电弧能量除被用于电离工作气体外，还被用于加热射入的液料，该过程使得弧柱温度降低．另外液料的垂直射入对等离子弧产生冲击作用，使等离子弧变形，同时液料加入弧柱后会使弧柱产生膨胀．两者的综合作用最终使射流特征值减小．可见，射流特征值可以直接反映射流温度的变化．
２．２ 等离子熔射气体流量对射流形态的影响
工作气体流量直接影响着等离子射流的温度、速度和射流的稳定性．为了研究气体特别是Ａｒ流量对射流形态的影响，液相和粉末熔射各安排２组实验．２组实验电弧电流分别为５００Ａ 和６００Ａ，电弧电压５０Ｖ，Ａｒ流量从９００Ｌ／ｈ增加到１ ５００Ｌ／ｈ，Ｎ２流量为４００Ｌ／ｈ，送粉量为０．０７６ｇ／ｓ．得到的熔射射流图像、数据点及拟合后曲线分别如图４～６所示．图中Φ 为等离子熔射工作气体 Ａｒ的流量．
由图５和图６可以看出：射流的特征值随着Ａｒ流量的增大而减小；熔射功率为２５ｋＷ 时液相熔射和粉末熔射射流特征值均单调递减；熔射功率为３０ｋＷ 时，射流特征值呈现出先增大后减小的趋势，Ａｒ流量为１ ０００～１ １００Ｌ／ｈ时，射流特征值达到最大．
Ａｒ作为等离子弧工作气体较容易电离，形成电离度高且稳定的等离子弧；且由于它是惰性气体，因此能形成较好的保护气氛．但是它的导热率低、携热性差、形成的等离子弧柱较短、高温区小．
Ｎ２作为等离子弧工作气体在高温下容易与金属发生反应生成氮化物薄膜且氮氧化物的生成量大，污染环境．故常将 Ａｒ与 Ｎ２以一定比例混合后作为工作气体，可获得良好的效果．本实验中Ｎ２流量不变，Ａｒ流量增加，故 Ａｒ成分的电离效果逐渐成为影响射流形态的主要因素，导致射流特征值变小．有研究成果表明，熔射过程中随着氩氮体积之比的缩小，射流紊动度降低，射流形态和高温区 增 长，零 件 涂 层 质 量 可 以 得 到 明 显 改善［１１］．
一般来讲，在实际的成形过程中，工作气体流量越大，粒子越容易获得较高的飞行速度，这对熔射质量有积极的影响；另一方面，过大的 Ａｒ流量会导致射流特征值变小，高速飞行的粒子在射流中的飞行和加热时间过短，从而影响粒子的加速和加热时间．在液相喷涂中，过大的气体流量使等离子射流有较强的刚度，喷入等离子火焰中的液料数量变少，产生大量飞溅，对最终的成形质量和效率造成不利影响．
上述２组实验结果可以反映射流特征值和其飞行特性之间的关系，对等离子熔射加工的自动化，智能化有重要意义．在自适应图像分析处理、特征识别的基础上，建立了等离子熔射可视化数字模型后，即可对等离子熔射加工过程进行实时监测、质量预测和工艺参数在线修改，以最终获得质量可靠的高质量涂层．
结论如下．
ａ．使用标准化相同二阶中心矩椭圆长短轴比作为等离子射流形貌特征值，该方法具有可自适应图像轮廓、修正图像倾斜偏差的优点．
ｂ．实验得到了等离子熔射功率和 Ａｒ工作气体压力与射流特征值之间的关系：当电弧功率增加时，单位时间内被等离子化的工作气体增加，使射流产生更大的动能和热能，等离子射流轮廓的特征值随着熔射功率值的增大而增大；液相等离子熔射中液料和弧柱的相互作用使得射流特征值较粉末熔射的特征值小；等离子射流的特征值随着 Ａｒ工作气体流量的增大而减小，熔射功率为２５ｋＷ 时单调递减，３０ｋＷ 时先增大后减小，Ａｒ气体流量在１ ０００～１ １００Ｌ／ｈ时达到最大值．
ｃ．获得的实验曲线可以直接反映射流特征
值和其飞行特性之间的关系．通过研究熔射能量工艺参数及熔射方式（尤其是液相）对射流特征值的影响，可以监控熔射成形质量，这为利用成形过程可视化数字模型在线预测控制熔射成形质量提供了可靠依据。
参考文献略
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