專利名稱：一種在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，適用于激光金屬直接 成形制造、激光表面熔覆和易損零部件的激光表面修復(fù)等。
背景技術(shù)：
激光金屬成形技術(shù)是在激光熔覆基礎(chǔ)上，結(jié)合快速原型技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種先 進(jìn)制造技術(shù)。以“離散_堆積”成形原理為基礎(chǔ)，首先建立加工零件的三維模型，然后將三 維模型劃分成一系列的二維平面，并根據(jù)二維平面輪廓規(guī)劃合理的激光掃描路徑，進(jìn)而轉(zhuǎn) 化為數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)行指令，最終實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接成形。與一般的快速成形技術(shù)相比， 激光金屬成形技術(shù)能夠快速制造出傳統(tǒng)工藝方法難以制造的復(fù)雜金屬零件；實(shí)現(xiàn)功能梯度 材料的制造；能夠制造完全致密和力學(xué)性能優(yōu)異的零件。由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，激光金屬成形 技術(shù)逐漸成為快速成形技術(shù)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，并在航空航天、汽車船舶、能源動(dòng)力和 武器裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，由于工藝條件復(fù)雜，成形過(guò)程受很多因素的影響，而 這些因素將直接影響激光金屬成形的精度和質(zhì)量，因此控制零件的單層生長(zhǎng)高度是提高成 形精度的關(guān)鍵因素。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)激光金屬成形過(guò)程中熔覆層每層增長(zhǎng)高度是否均勻平整的問(wèn)題，本發(fā)明提供 了一種可以對(duì)熔覆層高度進(jìn)行在線檢測(cè)及控制的方法，進(jìn)而提高激光金屬成形的精度。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，其特征在于，包括下述步驟第一步，將激光位移傳感器垂直安裝在同軸送粉噴嘴上，使激光位移傳感器發(fā)出 的激光與激光器發(fā)出的激光平行；第二步，測(cè)量前，以基板為基準(zhǔn)，調(diào)整激光位移傳感器，將被測(cè)熔覆層每層的代表 高度數(shù)據(jù)的電壓信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)標(biāo)定；第三步，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)打開激光器在基板上熔覆成形，第一層成形后，計(jì)算機(jī)數(shù) 控系統(tǒng)控制激光位移傳感器偏距，將被測(cè)表面移至激光位移傳感器下方，使激光位移傳感 器發(fā)出的激光被測(cè)量表面反射進(jìn)而被激光位移傳感器的接收器接收并輸出；第四步，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該熔覆層高度數(shù)據(jù)取其平均值，將平均值與理想單層 高度進(jìn)行對(duì)比，若有差異通過(guò)調(diào)整激光器的功率使該熔覆層增長(zhǎng)高度與理想單層高度一 致，第五步，重復(fù)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， 調(diào)整激光功率隨累加層數(shù)的變化而逐漸減小，以保證每層高度均勻增長(zhǎng)。上述方法中，所述激光功率隨累加層數(shù)的變化而逐漸減小遵循如下公式P = 87.81 exp(--^―) + 193.40 ( >0)
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式中=P 激光功率(單位:ff) ；η 累加層數(shù)。所述理想單層高度為0. 10 0. 15mm。所述熔覆層截面的寬高比為3 8 1。所述激光位移傳感器的測(cè)量精度為熔覆成形零件尺寸精度的1/10。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，利用激光金屬直接成形技術(shù)在開環(huán)控制條件下堆積薄壁零件， 將獲得的激光功率隨成形層數(shù)的變化規(guī)律，預(yù)先通過(guò)編程寫入數(shù)控系統(tǒng)中，采用不斷調(diào)整 激光功率的方法，獲得熔覆層每層高度均勻增長(zhǎng)、激光成形表面平整，成形側(cè)面表面粗糙度 8. 8 μ m0


圖1是本發(fā)明在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的裝置原理圖。圖中1、送粉器； 2、分粉器；3、同軸送粉噴嘴；4、激光位移傳感器；5、反射鏡；6、激光器；7、計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)； 8、工作臺(tái)；9、基板；10、熔覆層。圖2是本發(fā)明在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的工藝流程圖。圖3是本發(fā)明激光功率恒定的條件下熔覆成形后高度變化趨勢(shì)。其中圖3(a)是 每層成形的測(cè)量高度；圖3(b)是對(duì)應(yīng)成形的樣件。圖4是逐層降功率趨勢(shì)圖。圖5是激光功率逐層減小的條件下熔覆成形后高度變化趨勢(shì)。其中圖5(a)是每 層成形的測(cè)量高度；圖5(b)是對(duì)應(yīng)成形的樣件。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。如圖1所示，一種激光金屬成形高度的在線檢測(cè)及控制裝置，包括激光位移傳感 器4和激光金屬成形系統(tǒng)(送粉器1、分粉器2、同軸送粉噴嘴3、激光器6、反射鏡5、三軸 運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)8、基板9和計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)7)。激光位移傳感器4既能發(fā)射激光又能接收激 光，傳感器將被測(cè)熔覆層10高度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，之后該電壓信號(hào)通過(guò)CNC (計(jì)算機(jī)數(shù)控系 統(tǒng)7)的數(shù)據(jù)采集卡接收，在測(cè)量高度與電壓標(biāo)定條件下，找出測(cè)量電壓與高度之間的線性 關(guān)系，并測(cè)量出電壓信號(hào)所對(duì)應(yīng)的測(cè)量高度，確定熔覆層10每層增長(zhǎng)的高度。將測(cè)量的高 度值與理想單層高度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)CNC調(diào)整激光功率大小，使成形高度和理想高度兩者 相一致。圖1裝置的工作原理是激光位移傳感器4垂直安裝在同軸送粉噴嘴3上，使傳感 器發(fā)出的激光與激光器6發(fā)出的激光(通過(guò)反射鏡5的垂直反射)平行。測(cè)量前，首先以 基板9為基準(zhǔn)，調(diào)整傳感器4，將被測(cè)熔覆層10每層的代表高度數(shù)據(jù)的電壓信號(hào)輸出至CNC 進(jìn)行對(duì)應(yīng)標(biāo)定，之后CNC打開激光器6開始在基板9上熔覆成形，每層成形后，CNC數(shù)控系統(tǒng) 7控制傳感器4的偏距，將被測(cè)熔覆層10移至傳感器下方，則傳感器發(fā)出的激光被測(cè)量表面 反射進(jìn)而被傳感器的接收器接收，傳感器4利用光學(xué)三角測(cè)量原理測(cè)量出熔覆層10每層增 長(zhǎng)高度。依據(jù)尺寸精度要求，傳感器4的測(cè)量精度至少要達(dá)到尺寸精度的1/10。在其它工 藝參數(shù)穩(wěn)定條件下，激光功率決定熔覆層累加高度，測(cè)量出若熔覆層每層高度大于理想單 層高度，說(shuō)明此時(shí)所需要的激光功率過(guò)大，需要通過(guò)CNC降低激光器6的激光功率，這樣，通 過(guò)CNC數(shù)控系統(tǒng)不斷調(diào)整激光功率，直至激光功率剛好能夠滿足熔覆層每層的高度等于理想單層高度，此時(shí)認(rèn)為激光功率是合理的。如圖2所示，一種在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，進(jìn)行測(cè)量前，首先以基板9為基準(zhǔn)，調(diào)整傳感器4，使傳感器將被測(cè)熔覆層10每層 的代表高度數(shù)據(jù)的電壓輸出至CNC進(jìn)行對(duì)應(yīng)高度標(biāo)定，之后CNC打開激光器6開始在基板 9上熔覆成形。每成形一層后，CNC數(shù)控系統(tǒng)7控制傳感器4的偏距，將被測(cè)熔覆層10移至 傳感器下方，使傳感器中激光發(fā)生器發(fā)出的檢測(cè)激光被測(cè)量表面反射進(jìn)而被傳感器的接收 器接收并輸出，傳感器4利用光學(xué)三角測(cè)量原理測(cè)量出熔覆層10每層增長(zhǎng)高度。之后CNC數(shù)控系統(tǒng)7對(duì)該熔覆層高度數(shù)據(jù)取其平均值，將平均值與理想單層高度 進(jìn)行對(duì)比，若有差異可通過(guò)調(diào)整激光器6的功率使該熔覆層增長(zhǎng)高度與理想單層高度一 致，然后開始熔覆下一層，直至熔覆成形到零件所需要的高度。本發(fā)明成形檢測(cè)過(guò)程中的其它基本工藝參數(shù)(光斑直徑、掃描速度、送粉量和送 氣量)都保持不變。激光功率隨累加層數(shù)的變化而逐漸減小，從而保證每層高度均勻增長(zhǎng)； 激光功率隨累加層數(shù)的變化而逐漸減小遵循如下公式P = 87.81exp(-^-) + 193.40 (w>0)式中P 激光功率(單位W) ；η 累加層數(shù)。熔覆層10高度必須以合適的熔覆層截面的幾何形狀為前提，即熔覆截面的寬高 比應(yīng)在3 8 :1范圍內(nèi)。激光直接成形薄壁零件實(shí)例實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基本工藝參數(shù)為起始激光功率270W，激光光斑直徑0.5mm，掃描速度 10mm/s，送粉量7. 8g/min,送氣量6_8L/min，粉末離焦量_3mm，成形100層。(1)首先在激光功率恒定的條件下(270W)，運(yùn)用激光位移傳感器4測(cè)量熔覆層10 每層的成形高度。設(shè)置相應(yīng)的薄壁零件理想單層高度，在連續(xù)波作用模式下其理想單層高 度為0. 10 0. 15mm，薄壁零件成形后高度變化趨勢(shì)如圖3所示；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在激光功 率恒定條件下，熔覆層每層高度先增大后逐漸趨于穩(wěn)定。(2)在理想單層高度的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)7調(diào)整激光器6激光功率的 輸出大小，直至使測(cè)量的熔覆高度與理想單層高度一致，認(rèn)為激光功率是合理的，最后得出 逐層降功率趨勢(shì)如圖4所示，成形零件及高度測(cè)量結(jié)果如圖5所示。對(duì)比圖3及圖5可看 出，在激光功率恒定條件下，成形的零件頂部凸凹不平[圖3(b)]，測(cè)量高度平均值的標(biāo)準(zhǔn) 差最大值達(dá)到0.68mm[圖3(a)]，高度增長(zhǎng)不均勻。而在控制激光功率時(shí)，成形的零件表面 平整[圖5(b)]、測(cè)量高度平均值的標(biāo)準(zhǔn)差最大只有0.44mm[圖5 (a)]，高度增長(zhǎng)均勻。所 以，通過(guò)逐層將功率調(diào)整可以有效防止由于能量的累積而造成的高度增長(zhǎng)不均勻而引起的 激光離焦，進(jìn)而造成成形零件的頂部凸凹不平的現(xiàn)象。
權(quán)利要求
一種在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，其特征在于，包括下述步驟第一步，將激光位移傳感器垂直安裝在同軸送粉噴嘴上，使激光位移傳感器發(fā)出的激光與激光器發(fā)出的激光平行；第二步，測(cè)量前，以基板為基準(zhǔn)，調(diào)整激光位移傳感器，將被測(cè)熔覆層每層的代表高度數(shù)據(jù)的電壓信號(hào)輸出至計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)標(biāo)定；第三步，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)打開激光器在基板上熔覆成形，第一層成形后，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制激光位移傳感器偏距，將被測(cè)表面移至激光位移傳感器正下方，使激光位移傳感器發(fā)出的激光被測(cè)量表面反射進(jìn)而被激光位移傳感器的接收器接收并輸出；第四步，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該熔覆層高度數(shù)據(jù)取其平均值，將平均值與理想單層高度進(jìn)行對(duì)比，若有差異通過(guò)調(diào)整激光器的功率使該熔覆層增長(zhǎng)高度與理想單層高度一致；第五步，重復(fù)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，調(diào)整激光功率隨累加層數(shù)的變化而逐漸減小，以保證每層高度均勻增長(zhǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，其特征在于，所述激光功率隨累加層數(shù)的變化而逐漸減小遵循如下公式尸= 87.81exp(―)+ 193.40 (W>0) 15.24式中P 激光功率(W) ；η 累加層數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，其特征在于，所述 理想單層高度為0. 10 0. 15mm。
4.如權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，其特征在于，所述 熔覆層截面的寬高比為3 8 1。
5.如權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，其特征在于，所述 激光位移傳感器的測(cè)量精度為熔覆成形零件尺寸精度的1/10。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在線檢測(cè)及控制激光金屬成形高度的方法，首先將激光位移傳感器垂直安裝在同軸送粉噴嘴上，使傳感器發(fā)出的激光與激光器發(fā)出的激光平行；計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)打開激光器在基板上熔覆成形，第一層成形后，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制傳感器偏距，將被測(cè)表面移至傳感器下方，使傳感器發(fā)出的激光被測(cè)量表面反射進(jìn)而被傳感器的接收器接收并輸出；計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)該熔覆層高度數(shù)據(jù)取其平均值，將平均值與理想單層高度進(jìn)行對(duì)比，若有差異通過(guò)調(diào)整激光器的功率使該熔覆層增長(zhǎng)高度與理想單層高度一致，繼續(xù)下一層熔覆及高度檢測(cè)，直至零件熔覆成形到所需要的高度；其中，調(diào)整激光功率隨累加層數(shù)的變化而逐漸減小，以保證每層高度均勻增長(zhǎng)。
文檔編號(hào)C23C24/10GK101893426SQ201010216398
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者盧秉恒, 同治強(qiáng), 張安峰, 朱剛賢, 李滌塵, 路橋潘 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué);西安瑞特快速制造工程研究有限公司