CN111595735A - 一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制方法 - 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方法。利用超声波检测机构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端的控制机构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。这种方法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。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，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
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方法。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
激光熔覆技术以高能激光为能量源，利用激光喷头熔化金属粉末至熔池，从而实现零件的快速熔化和逐层堆积。激光熔覆技术因其减少加工工序、缩短加工周期、快速制造精密零件等优点而广泛应用于异种合金材料和功能材料的制备过程中。
异种合金材料需采用至少两种混合粉末为原材料，经由激光熔覆实验制备来得到涂层材料。在激光熔覆实验过程中，多种混合粉末通过各自的送粉通道输送粉末至送粉器中，在送粉器中进行简单的机械混合，然后经由管路输送至熔覆喷头。
在现有技术中，在进行激光熔覆实验前，需要专门设备对多种粉末进行混合操作，准备时间长且混粉效果不佳，极大地影响了工作效率又没有显著效果；并且不同粉末有不同的密度，在粉末混合的过程中，密度大的粉末向下沉，密度小的粉末向上升，粉末混合不均匀，导致零件出现未熔粉末密集堆积从而产生裂纹等问题，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，进而增加了混合质量。该方法的缺点是：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、有效果的进行。
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方法，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。
超声波检测控制方法如下：
(1)在至少两个送粉器中装入实验所需的不同粉末，通过各自的送粉通道输送至两侧安装超声波传感器的送粉器中。
(2)多种粉末在送粉器中进行混合后，通过送粉器自带的混粉系统进行第一次简单混合。
(3)混粉完成后，在超声波传感器发送端的两极上施加脉冲信号至超声波传感器探头的引脚，当它频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。
(4)当超声波进入送粉器中，碰到粉末颗粒立即反射。超声波传感器接收端两极无外加电压，共振板接收到超声波后压迫压电晶片振动，将机械能转变为电信号。
(5)超声波传感器接收端接收到的电信号进行放大处理。放大电路由晶体管和运算放大器构成，接收到的信号进行放大处理后驱动继电器，发送至PC端，在PC端进行分析。
(6)超声波传感器检测送粉器内粉末的间距，在示波器上生成波形图，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)当波形图显示粉末不均匀时，通过PC端的控制模块控制压电晶片振动，压电晶片充当机械振动装置，从而改善粉末的均匀性，通过超声波检测机构检测粉末，在示波器输出的波形图中观测波形趋势，直至出现显示粉末均匀性好的波形为止，机械振动装置停止振动。
(8)混粉完成后，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。
本发明通过超声波检测机构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为超声波传感器装置示意图。
图2为超声波检测控制机构装置示意图。
图3为超声波检测控制方法示意图。
图4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
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内进行混合后，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。本实施例在送粉器7的两侧头尾部位各安装一个超声波传感器10，且两侧超声波传感器10对称。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)根据检测位置产生的第一个回波时间和幅值，判断此位置的粉末是否均匀。当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。具体为：当波形图显示首波幅度大，脉宽均匀，频率稳定，每段波的幅值基本稳定时，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，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机构检测粉末，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 (3)
1.一种改善激光增材实验粉末均匀性的超声波检测控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)在至少两个送粉器中装入实验所需的不同粉末，通过各自的送粉通道输送至两侧安装超声波传感器的送粉器中；
(2)多种粉末在送粉器中进行混合后，通过送粉器自带的混粉系统进行第一次简单混合；
(3)混粉完成后，在超声波传感器发送端的两极上施加脉冲信号至超声波传感器探头的引脚，当它频率等于超声波传感器的压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片发生共振，并带动共振板振动，产生超声波；
(4)当超声波进入送粉器中，碰到粉末颗粒立即反射，超声波传感器接收端两极无外加电压，共振板接收到超声波后压迫压电晶片振动，将机械能转变为电信号；
(5)超声波传感器接收端接收到的电信号进行放大处理，发送至PC端，在PC端进行分析；
(6)超声波传感器检测送粉器内粉末的间距，在示波器上生成波形图，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)当波形图显示粉末不均匀时，通过PC端的控制模块控制压电晶片振动，压电晶片充当机械振动装置，从而改善粉末的均匀性，通过超声波检测机构检测粉末，在示波器输出的波形图中观测波形趋势，直至出现显示粉末均匀性好的波形为止，机械振动装置停止振动；
(8)混粉完成后，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。
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方法，其特征在于，步骤(6)中，根据检测位置产生的第一个回波时间和幅值，判断此位置的粉末是否均匀。
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方法，其特征在于，当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，具体为：当波形图显示首波幅度大，脉宽均匀，频率稳定，每段波的幅值基本稳定时，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。
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| GR01 | Patent grant | ||
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