CN111239007A - 一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光熔覆领域，特指一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置。本发明利用超声波检测装置检测送粉器内粉末的间距和粒径，通过示波器输出不同位置的波形图，对比分析波形的时间和幅值变化，判断需要进行进一步混粉的位置。利用PC端的控制装置控制对应位置的机械振动装置振动，将密度不同的粉末进行进一步的混合。超声波传感器测距原理结合机械振动装置，能够很好地解决混合粉末因密度不同而混合不均匀的问题。这种装置不仅能有效增大送粉器内粉末的均匀性，减少第一次混粉时间，而且节约人工，提高了工作效率，为后续激光熔覆实验提供了很好的实验条件，保证了零件的成型质量。

Description

一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置
技术领域
本发明涉及激光熔覆领域，特指一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置，利用超声波传感器对送粉器内混合粉末间距进行无损检测，通过振动装置对送粉器进行机械振动，从而改善混合粉末均匀性问题，提高激光熔覆质量。
背景技术
激光熔覆技术在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光照射使之和基体表面同时熔化，并快速凝固后形成表面涂层，是一种显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等的工艺方法。
异种金属广泛应用于火箭发动机壳体和燃烧室之间的连接，飞机发动机叶片和叶盘之间的连接，压气机和燃烧室之间的连接。异种金属在制备的过程中通过激光熔覆实验，将至少两种混合粉末经由高能激光辐照、多路送粉通道混粉输送，然后利用激光喷头熔化在基体表面，最终形成熔覆件。
但是在现有技术中，在进行激光熔覆实验前需要专门的人工预留一定的时间对混合粉末进行机械混合，不仅极大地浪费了人工，影响工作效率，还没有明显的混粉均匀效果，最终因混粉不均而导致出现了未熔粉末堆积，样品出现裂纹等缺陷的问题，影响激光熔覆质量。
专利申请号201710197046.0的中国专利，发明名称为：一种粉末混合装置及方法。该专利采用涡流叶进行粉末混合，避免使用多通连接器件，减小多路气流汇集时发生紊流的可能性，进而提高了混合质量。但该方法的缺点在于：本体内腔中的涡流叶和两个隔板在混粉过程中无法避免吃粉问题，若后续进行其他粉末激光熔覆实验，涡流叶和隔板原先残留的粉末会给实验带来误差，并且结构复杂，增加了本体内腔的清洁难度，这种方法不能保证后续实验有效率、有效果地进行。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于改善激光增材过程中混合粉末均匀性的超声波检测控制装置，利用超声波传感器对送粉器内混合粉末间距进行无损检测，通过振动装置对送粉器进行机械振动，从而改善混合粉末均匀性问题，提高激光熔覆质量。
装置具体组成部分如下：
本装置主要分为四个部分，分别是超声波检测装置、机械振动装置、示波器装置和PC端控制装置。
(1)超声波检测装置由多对超声波传感器组成，超声波传感器包括发送端和接收端。每一对超声波传感器和对应的发送端、接收端通过U型固定支架上的开孔自上而下固定在送粉器两侧，有针对性地对粉末进行检测。当多路送粉通道传送粉末至送粉器进行混合后，超声波传感器通过示波器输出的波形判断粉末均匀性是否符合实验要求。
一对超声波传感器中，一个超声波传感器是作为超声波传感器发送端，另一个作为超声波传感器接收端，分别安装在送粉器两侧。
所述U型固定支架的长度与混分的送粉器长度相同，宽度和高度与送粉器的直径相匹配。
送粉器和U型固定支架内壁的接触部分设有海绵或硅橡胶薄膜。
所述的超声波传感器采用微米级超声波传感器测距模块。
(2)机械振动装置由多对超声波传感器的发送端和接收端的压电晶片构成，通过U型固定支架上的开孔自上而下排列在送粉器两侧。当对应位置的超声波传感器检测出的波形显示粉末不均匀时，通过PC端的控制模块来控制相对位置的压电晶片振动，从而提高粉末的均匀性，在机械装置振动的过程中，超声波传感器持续检测粉末间距，直至示波器出现完好的波形为止。
(3)示波器装置的接地端与信号端分别连接超声波传感器接收端的两个输出引脚，通过示波器输出不同位置的波形图，对比分析波形的时间和幅值变化，当波形图显示首波幅度大，脉宽均匀，频率稳定，每段波的幅值稳定时，表明这个位置粉末均匀性较好。当波形图显示首波幅度比正常波段幅度小，且频率不稳定，每段波的幅值高低有明显区别时，表明这个位置粉末均匀性较差，从而确定需要进行进一步混粉的位置。
(4)PC端控制装置包括信号放大器与PC端，PC端中的控制模块与超声波传感器进行信号连接。信号放大器输入端子连接超声波传感器接收端的两个输出引脚，输出端子连接PC端。信号放大电路包括晶体管和运算放大器，用于放大超声波接收端的电信号，放大器具有自动增益控制功能，避免近距离输入信号很强时发生过载情况。当示波器输出的波形显示粉末分布不均匀时，通过PC端的控制模块控制振动装置振动。
本发明通过超声波检测装置检测送粉器内粉末的间距和粒径，在示波器输出不同位置的波形图，通过波形的对比分析判断需要进行进一步混粉的位置。利用PC端的控制模块，控制对应位置的机械振动装置，即发送端和接收端的压电晶片振动，将密度不同的粉末进行进一步的混合。这种方法能有效增大送粉器内粉末的均匀性，减少第一次混粉时间，节约人工，提高工作效率。利用超声波传感器测距原理并结合机械振动装置，能够很好地解决混合粉末因密度不同而混合不均匀的问题，为后续激光熔覆实验提供了很好的实验条件，保证了零件的成型质量。
附图说明
图1为超声波传感器结构示意图。
图2为超声波检测控制装置示意图。
图3为超声波检测装置示意图。
图4为超声波检测装置俯视图。
图5为扫描电镜下有缺陷样品与无缺陷样品微观组织对比示意图。(a)常规混粉方式(b)采用本发明技术方案。
上述图中：1：中心六角螺杆；2：后盖板；3：压电晶片；4：电极片；5：前盖板；6：底座；7：送粉器；8：超声波传感器发送端；9：超声波传感器接收端；10：超声波传感器；11：放大电路；12：PC端；13：示波器；14：U型固定支架
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
一种使用上述检测装置及方法的实例，材料选择150mm×150mm×15mm规格的TC4基板，混合粉末分别为TC4(粒径100-200μm)、316L(粒径15-45μm)、V(粒径50-100μm)粉末。
具体步骤为：
(1)选用大型激光再制造装备进行熔覆实验，设置实验参数为激光功率1800W，扫描速度为600mm/min,光斑直径为3mm，搭接率50％，设置层厚为0.7mm，保护气体为氩气。在三个送粉器中分别装入TC4、316L、V粉末，首先调节送粉器的转速都为1r/min，通过各自的送粉通道输送至送粉器7中。
(2)本实施例采用送粉器7的规格为半径15cm，高40cm的圆柱体。三种粉末在送粉器7中进行混合后，通过设备自带的混粉系统进行第一次简单机械混合。
(3)本实施例选用的超声波传感器10，购于广东思威特智能科技股份有限公司，型号为USC18T/R-40MP。它包括中心六角螺杆1、后盖板2、压电晶片3、电极片4、前盖板5、底座6。本实施例沿送粉器7的高度方向均匀布置6个超声波传感器10，且两侧超声波传感器10对称。超声波传感器的发送端8、接收端9通过U型固定支架14上的开孔自上而下固定在送粉器7两侧。在超声波传感器发送端8的两极上施加脉冲信号至传感器探头的引脚，当它频率等于压电晶片3的固有振荡频率时，压电晶片3发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。
(4)当超声波进入送粉器7中，碰到粉末颗粒立即反射。超声波传感器接收端9两极无外加电压，共振板接收到超声波后压迫压电晶片3振动，将机械能转变为电信号。
(5)超声波传感器接收端9接收到的电信号非常微弱，需要进行放大处理。放大电路11由晶体管、继电器和运算放大器构成，接收到的信号进行放大处理后驱动继电器，在PC端12进行分析。
(6)超声波传感器10检测送粉器7内粉末的间距，在示波器13上生成波形图，通过对多个波形图中时间和幅值的比较，判断粉末是否均匀。
(7)当多个位置产生的第一个回波时间不同且幅值不一时，表明此位置的粉末不均匀。当波形图显示首波幅度大，脉宽均匀，频率稳定，每段波的幅值稳定时，表明这个位置粉末均匀性较好。当波形图显示首波幅度比正常波段幅度小，且频率不稳定，每段波的幅值高低有明显区别时，表明这个位置粉末均匀性较差，再通过PC端12的控制模块控制机械振动装置振动，从而改善粉末的均匀性。
(8)再次通过超声波检测装置检测粉末，观察示波器13中波形图的趋势，直至出现多个位置时间和幅值相同的波形图，此时机械振动装置停止振动，混粉结束。
(9)以高能激光为能量源，混合粉末经由管路输送至熔覆喷头，喷头熔化粉末至熔池，完成零件的快速熔化和逐层堆积。
(10)熔覆实验完成后，对样品进行金相显微镜实验和扫描电镜实验观察，发现因粉末混合不均而导致的未熔粉末密集堆积、裂纹等缺陷问题，相较于未使用超声波检测控制装置后的实验结果有了明显的改善，这项检测控制方法显著提高了激光熔覆质量，保证了零件的品质。

Claims (5)

1.一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置，其特征在于，所述装置由超声波检测装置、机械振动装置、示波器装置和PC端控制装置组成；
超声波检测装置由多对超声波传感器组成，超声波传感器包括发送端和接收端；每一对超声波传感器和对应的发送端、接收端通过U型固定支架上的开孔自上而下固定在送粉器两侧，对粉末进行检测，当多路送粉通道传送粉末至送粉器进行混合后，超声波传感器通过示波器输出的波形判断粉末均匀性；
机械振动装置由多对超声波传感器的发送端和接收端的压电晶片构成，通过U型固定支架上的开孔自上而下排列在送粉器两侧；当对应位置的超声波传感器检测出的波形显示粉末不均匀时，通过PC端的控制模块来控制相对位置的压电晶片振动，从而提高粉末的均匀性，在机械装置振动的过程中，超声波传感器持续检测粉末间距，直至示波器出现完好的波形为止；
示波器装置的接地端与信号端分别连接超声波传感器接收端的两个输出引脚，通过示波器输出不同位置的波形图，对比分析波形的时间和幅值变化，当波形图显示首波幅度大，脉宽均匀，频率稳定，每段波的幅值稳定时，表明这个位置粉末均匀性较好；当波形图显示首波幅度比正常波段幅度小，且频率不稳定，每段波的幅值高低有明显区别时，表明这个位置粉末均匀性较差，从而确定需要进行进一步混粉的位置；
PC端控制装置包括信号放大器与PC端，PC端中的控制模块与超声波传感器进行信号连接；信号放大器输入端子连接超声波传感器接收端的两个输出引脚，输出端子连接PC端；信号放大电路包括晶体管和运算放大器，用于放大超声波接收端的电信号，放大器具有自动增益控制功能，避免近距离输入信号很强时发生过载情况；当示波器输出的波形显示粉末分布不均匀时，通过PC端的控制模块控制振动装置振动。
2.如权利要求1所述的一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置，其特征在于，每一对超声波传感器中，一个超声波传感器是作为超声波传感器发送端，另一个作为超声波传感器接收端，分别安装在送粉器两侧。
3.如权利要求1所述的一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置，其特征在于，所述U型固定支架的长度与混分的送粉器长度相同，宽度和高度与送粉器的直径相匹配。
4.如权利要求1所述的一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置，其特征在于，送粉器和U型固定支架内壁的接触部分设有海绵或硅橡胶薄膜。
5.如权利要求1所述的一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制装置，其特征在于，所述的超声波传感器采用微米级超声波传感器测距模块。
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