CN101893426B - 一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法，首先将激光位移传感器垂直安装在同轴送粉喷嘴上，使传感器发出的激光与激光器发出的激光平行；计算机数控系统打开激光器在基板上熔覆成形，第一层成形后，计算机数控系统控制传感器偏距，将被测表面移至传感器下方，使传感器发出的激光被测量表面反射进而被传感器的接收器接收并输出；计算机数控系统对该熔覆层高度数据取其平均值，将平均值与理想单层高度进行对比，若有差异通过调整激光器的功率使该熔覆层增长高度与理想单层高度一致，继续下一层熔覆及高度检测，直至零件熔覆成形到所需要的高度；其中，调整激光功率随累加层数的变化而逐渐减小，以保证每层高度均匀增长。

Description

一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法

技术领域

本发明涉及一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法，适用于激光金属直接成形制造、激光表面熔覆和易损零部件的激光表面修复等。

背景技术

激光金属成形技术是在激光熔覆基础上，结合快速原型技术而发展起来的一种先进制造技术。以“离散-堆积”成形原理为基础，首先建立加工零件的三维模型，然后将三维模型划分成一系列的二维平面，并根据二维平面轮廓规划合理的激光扫描路径，进而转化为数控工作台的运行指令，最终实现金属零件的直接成形。与一般的快速成形技术相比，激光金属成形技术能够快速制造出传统工艺方法难以制造的复杂金属零件；实现功能梯度材料的制造；能够制造完全致密和力学性能优异的零件。由于具有以上优点，激光金属成形技术逐渐成为快速成形技术研究的热点和发展趋势，并在航空航天、汽车船舶、能源动力和武器装备等领域得到广泛应用。然而，由于工艺条件复杂，成形过程受很多因素的影响，而这些因素将直接影响激光金属成形的精度和质量，因此控制零件的单层生长高度是提高成形精度的关键因素。

发明内容

针对激光金属成形过程中熔覆层每层增长高度是否均匀平整的问题，本发明提供了一种可以对熔覆层高度进行在线检测及控制的方法，进而提高激光金属成形的精度。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，将激光位移传感器垂直安装在同轴送粉喷嘴上，使激光位移传感器发出的激光与激光器发出的激光平行；

第二步，测量前，以基板为基准，调整激光位移传感器，将被测熔覆层每层的代表高度数据的电压信号输出至计算机数控系统进行对应标定；

第三步，计算机数控系统打开激光器在基板上熔覆成形，第一层成形后，计算机数控系统控制激光位移传感器偏距，将被测表面移至激光位移传感器下方，使激光位移传感器发出的激光被测量表面反射进而被激光位移传感器的接收器接收并输出；

第四步，计算机数控系统对该熔覆层高度数据取其平均值，将平均值与理想单层高度进行对比，若有差异通过调整激光器的功率使该熔覆层增长高度与理想单层高度一致，

第五步，重复第三、第四步，直至零件熔覆成形到所需要的高度；其中，第四步中，调整激光功率随累加层数的变化而逐渐减小，以保证每层高度均匀增长。

上述方法中，所述激光功率随累加层数的变化而逐渐减小遵循如下公式：

$P=87.81\exp (-\frac{n}{15.24})+193.40,(n>0)$

式中：P：激光功率(单位：W)；n：累加层数。

所述理想单层高度为0.10～0.15mm。所述熔覆层截面的宽高比为3～8∶1。

所述激光位移传感器的测量精度为熔覆成形零件尺寸精度的1/10。

本发明的优点是，利用激光金属直接成形技术在开环控制条件下堆积薄壁零件，将获得的激光功率随成形层数的变化规律，预先通过编程写入数控系统中，采用不断调整激光功率的方法，获得熔覆层每层高度均匀增长、激光成形表面平整，成形侧面表面粗糙度8.8μm。

附图说明

图1是本发明在线检测及控制激光金属成形高度的装置原理图。图中：1、送粉器；2、分粉器；3、同轴送粉喷嘴；4、激光位移传感器；5、反射镜；6、激光器；7、计算机数控系统；8、工作台；9、基板；10、熔覆层。

图2是本发明在线检测及控制激光金属成形高度的工艺流程图。

图3是本发明激光功率恒定的条件下熔覆成形后高度变化趋势。其中图3(a)是每层成形的测量高度；图3(b)是对应成形的样件。

图4是逐层降功率趋势图。

图5是激光功率逐层减小的条件下熔覆成形后高度变化趋势。其中图5(a)是每层成形的测量高度；图5(b)是对应成形的样件。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，一种激光金属成形高度的在线检测及控制装置，包括激光位移传感器4和激光金属成形系统(送粉器1、分粉器2、同轴送粉喷嘴3、激光器6、反射镜5、三轴运动工作台8、基板9和计算机数控系统7)。激光位移传感器4既能发射激光又能接收激光，传感器将被测熔覆层10高度转换成电压信号，之后该电压信号通过CNC(计算机数控系统7)的数据采集卡接收，在测量高度与电压标定条件下，找出测量电压与高度之间的线性关系，并测量出电压信号所对应的测量高度，确定熔覆层10每层增长的高度。将测量的高度值与理想单层高度进行对比，通过CNC调整激光功率大小，使成形高度和理想高度两者相一致。

图1装置的工作原理是：激光位移传感器4垂直安装在同轴送粉喷嘴3上，使传感器发出的激光与激光器6发出的激光(通过反射镜5的垂直反射)平行。测量前，首先以基板9为基准，调整传感器4，将被测熔覆层10每层的代表高度数据的电压信号输出至CNC进行对应标定，之后CNC打开激光器6开始在基板9上熔覆成形，每层成形后，CNC数控系统7控制传感器4的偏距，将被测熔覆层10移至传感器下方，则传感器发出的激光被测量表面反射进而被传感器的接收器接收，传感器4利用光学三角测量原理测量出熔覆层10每层增长高度。依据尺寸精度要求，传感器4的测量精度至少要达到尺寸精度的1/10。在其它工艺参数稳定条件下，激光功率决定熔覆层累加高度，测量出若熔覆层每层高度大于理想单层高度，说明此时所需要的激光功率过大，需要通过CNC降低激光器6的激光功率，这样，通过CNC数控系统不断调整激光功率，直至激光功率刚好能够满足熔覆层每层的高度等于理想单层高度，此时认为激光功率是合理的。

如图2所示，一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法，

进行测量前，首先以基板9为基准，调整传感器4，使传感器将被测熔覆层10每层的代表高度数据的电压输出至CNC进行对应高度标定，之后CNC打开激光器6开始在基板9上熔覆成形。每成形一层后，CNC数控系统7控制传感器4的偏距，将被测熔覆层10移至传感器下方，使传感器中激光发生器发出的检测激光被测量表面反射进而被传感器的接收器接收并输出，传感器4利用光学三角测量原理测量出熔覆层10每层增长高度。

之后CNC数控系统7对该熔覆层高度数据取其平均值，将平均值与理想单层高度进行对比，若有差异可通过调整激光器6的功率使该熔覆层增长高度与理想单层高度一致，然后开始熔覆下一层，直至熔覆成形到零件所需要的高度。

本发明成形检测过程中的其它基本工艺参数(光斑直径、扫描速度、送粉量和送气量)都保持不变。激光功率随累加层数的变化而逐渐减小，从而保证每层高度均匀增长；激光功率随累加层数的变化而逐渐减小遵循如下公式：

$P=87.81\exp (-\frac{n}{15.24})+193.40,(n>0)$

式中：P：激光功率(单位：W)；n：累加层数。

熔覆层10高度必须以合适的熔覆层截面的几何形状为前提，即熔覆截面的宽高比应在3～8：1范围内。

激光直接成形薄壁零件实例

实验过程中基本工艺参数为：起始激光功率270W，激光光斑直径0.5mm，扫描速度10mm/s，送粉量7.8g/min，送气量6-8L/min，粉末离焦量-3mm，成形100层。

(1)首先在激光功率恒定的条件下(270W)，运用激光位移传感器4测量熔覆层10每层的成形高度。设置相应的薄壁零件理想单层高度，在连续波作用模式下其理想单层高度为0.10～0.15mm，薄壁零件成形后高度变化趋势如图3所示；实验结果表明：在激光功率恒定条件下，熔覆层每层高度先增大后逐渐趋于稳定。

(2)在理想单层高度的基础上，通过计算机数控系统7调整激光器6激光功率的输出大小，直至使测量的熔覆高度与理想单层高度一致，认为激光功率是合理的，最后得出逐层降功率趋势如图4所示，成形零件及高度测量结果如图5所示。对比图3及图5可看出，在激光功率恒定条件下，成形的零件顶部凸凹不平[图3(b)]，测量高度平均值的标准差最大值达到0.68mm[图3(a)]，高度增长不均匀。而在控制激光功率时，成形的零件表面平整[图5(b)]、测量高度平均值的标准差最大只有0.44mm[图5(a)]，高度增长均匀。所以，通过逐层将功率调整可以有效防止由于能量的累积而造成的高度增长不均匀而引起的激光离焦，进而造成成形零件的顶部凸凹不平的现象。

Claims (5)

1.一种在线检测及控制激光金属成形高度的方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，将激光位移传感器垂直安装在同轴送粉喷嘴上，使激光位移传感器发出的激光与激光器发出的激光平行；

第二步，测量前，以基板为基准，调整激光位移传感器，将被测熔覆层每层的代表高度数据的电压信号输出至计算机数控系统进行对应标定；

第三步，计算机数控系统打开激光器在基板上熔覆成形，第一层成形后，计算机数控系统控制激光位移传感器偏距，将被测表面移至激光位移传感器正下方，使激光位移传感器发出的激光被测量表面反射进而被激光位移传感器的接收器接收并输出，激光位移传感器利用光学三角测量原理测量出熔覆层每层增长高度；

第四步，计算机数控系统对熔覆层每层增长高度取其平均值，将平均值与理想单层高度进行对比，若有差异通过调整激光器的功率使该熔覆层增长高度与理想单层高度一致；

第五步，重复第三、第四步，直至零件熔覆成形到所需要的高度；其中，第四步中，调整激光器的功率随累加层数的变化而逐渐减小，以保证每层高度均匀增长。

2.如权利要求1所述的在线检测及控制激光金属成形高度的方法，其特征在于，所述激光器的功率随累加层数的变化而逐渐减小遵循如下公式：

$P=87.81\exp (-\frac{n}{15.24})+193.40(n>0)$

式中：P：激光功率，单位为瓦特；n：累加层数。

3.如权利要求1所述的在线检测及控制激光金属成形高度的方法，其特征在于，所述理想单层高度为0.10～0.15mm。

4.如权利要求1所述的在线检测及控制激光金属成形高度的方法，其特征在于，所述熔覆层截面的宽高比为3～8∶1。

5.如权利要求1所述的在线检测及控制激光金属成形高度的方法，其特征在于，所述激光位移传感器的测量精度为熔覆成形零件尺寸精度的1/10。

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