一种金属粉末激光快速成形温度场的检测方法及检测系统

摘要

一种金属粉末激光快速成形温度场的检测方法，属于温度场检测技术领域。包括：在成形基板不同位置上预设若干个内置高温热电偶的通孔和盲孔，根据通孔和盲孔同时测温对比，得到激光快速成形过程中成形工件内部和基板内部温度场差异的具体规律，再采用盲孔测温的方法得到成形工件内部的温度场。本发明中测温系统不易受到外界加工环境的影响，确保测量精度。通过优化布置测温点，得到更准确的温度场分布。集成了直接测温和间接测温的优点，且盲孔内的热电偶不直接接触成形工件，可重复使用，节约成本。通过多次实验，得到成形工件内部和基板温度场的差异规律，逐渐减少通孔测温热电偶数量，降低成本。测温软件稳定性较高、可扩展性好、功能强大。

说明书

技术领域

本发明涉及金属粉末激光快速成形技术和温度场检测技术，具体为一种基于热电偶通、盲孔测温的金属粉末激光快速成形温度场的检测方法及检测系统。

背景技术

激光金属直接快速成形技术是在80年代末期出现的快速原型技术基础上结合同步同轴送料激光熔覆技术发展起来的一项先进制造技术。它涉及机械、激光、计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制、材料科学等领域的关键技术。它突破了传统快速成形工艺方法和成形材料的局限，是目前快速成形诸多方法中研究最多、最有发展前途的新型制造技术。但在金属零件激光快速成形制造中，成形零件经常出现的变形和开裂等问题是阻碍其拓展应用的最大障碍；导致这些问题出现的因素很多，但最根本原因在于激光光束局部加热所导致的温度场分布不均匀，造成在成形零件存在内应力集中现象，进而引起变形开裂。因此，揭示成形过程温度场演化规律是优化工艺参数、调控温度场分布、减小内应力集中和提高成形质量的前提和基础，而对成形过程温度场有效实时检测是揭示成形过程温度场演化规律的必要手段。

目前常用的测温方法主要有两种：接触式测温和非接触式测温。目前常采用基于红外测温仪的非接触式测温方法，但红外测温仪受加工环境的干扰比较大，且造价昂贵，更重要的是它仅能对成形过程的熔池温度和试样表面温度进行检测，无法对成形工件内部温度场进行检测，但成形工件内部温度场分布是直接影响成形零件内应力分布的主要因素，因此，成形工件内部温度场分布是温度检测的重点。

热电偶测温直接接触成形工件，属于直接测温方法，温度测量准确，是检测工件内部温度场分布的重要方法。另外，由于在新材料优化工艺参数成形实验中，需要大量重复性温度场检测实验。而热电偶直接接触工件测温，它即被凝固在成形工件内部，属于一次消耗不可再利用，增大了检测成本。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的在于提供一种金属粉末激光快速成形温度场的检测方法及其检测系统，实现准确和低成本检测。

本发明的技术方案如下:

本发明一种金属粉末激光快速成形温度场的检测方法，包括：在成形基板不同位置上预设若干个内置高温热电偶的通孔和盲孔，根据通孔和盲孔同时测温对比，得到激光快速成形过程中成形工件内部和基板内部温度场差异的具体规律，再采用盲孔测温的方法得到成形工件内部的温度场。

所述激光快速成形过程温度场分布的具体规律，按下述方法确定：同时测量成形基板不同位置上若干个通孔和盲孔内高温热电偶的温度，通过同一位置盲孔和通孔内热电偶的测温数据进行对比，得到不同情况下成形工件内部和基板内部温度场的分布情况和变化趋势，将成形工件内部和基板内部温度场进行对比分析，得到两者之间差异的具体规律。

采用本发明所述的金属粉末激光快速成形温度场检测方法的检测系统，包括：分置于成形基板通孔和盲孔内的多个高温热电偶、转换卡、数据采集模块和内置测温系统软件的计算机，热电偶与数据采集模块连接，数据采集模块通过信号转换卡连接在计算机上。

所述的热电偶通过其安装结构置于成形基板的通孔或盲孔中，其安装结构包括：

基板支架，置于基板下方，并固定在支架底座上；

底部压板，位于基板支架内热电偶下方，在各个热电偶上分别套装有与底部压板相接触的弹簧，底部压板上设有至少三个与支架底座相接触的调节螺钉。

本发明中所述成形基板设置的盲孔和通孔，两两一组，其中盲孔的底部与基板上表面的距离为0.1-2mm。所述高温热电偶的测温范围为0-1800℃，热电偶的实际测温点裸露在外。所述的转换卡为RS232通讯转RS485通讯。

所述的测温系统软件的具体控制流程为：

步骤1）：进行串口参数配置；

步骤2）：进行数据采样周期设置，采样周期设为1000毫秒以上；

步骤3）：写入串口通讯命令，采用的通讯协议是ASCII命令/响应协议，即输入命令格式是ASCII格式；

步骤4）：读取系统数据缓冲区的温度数据，所述读取的数据格式是字符串形式；

步骤5）：对步骤4）中读取的字符串数据进行数据格式转换；

步骤6）：对温度数据进行除噪处理；

步骤7）：对温度数据进行滤波处理，滤波方式是逐点中值滤波；

步骤8）：进行温度曲线的实时显示；同时进行高低温报警环节设置；

步骤9）：将温度数据写入到EXCEL表格之中。

本发明具有如下优点：

1.结构简单，节约成本。本发明提出的检测方法中热电偶测温系统不易受到外界加工环境的影响，可确保测量精度；其次热电偶测量系统价格低廉，能够以较低的成本获得真实可信的温度场数据。

2.测温点可优化布置。本发明可以根据成形零件的具体形状和实际加工经验，在成形轨迹复杂的部位以及易发生变形开裂的部位多设置测温点，这样可以得到重点敏感部位的更细致的温度场分布，为找到抑制变形开裂的方法提供理论依据。

3.集成了直接测温和间接测温的优点。本发明采用通盲孔热电偶对比测温的方案，通孔内热电偶直接接触成形工件，属于直接测温手段，温度测量准确；而盲孔内的热电偶不直接接触成形工件，属于间接测温，可重复使用，节约成本。通过多次实验，找到成形工件内部和基板温度场的差异规律，可逐渐减少通孔测温热电偶数量，降低成本。

4.系统稳定性较高、可扩展性好、软件功能强大。本发明应用了RS232转RS485转换卡，弥补了RS-232-C接口的一些缺点，提高了数据采集精度和测温系统的稳定性。可根据测量点的多少来扩展匹配相应数量测量采集模块，测温系统扩展性好。系统软件的开发工具采用近年来国际上流行的可视化编程语言—Labview，使得本系统的测温软件具有人机交互性好、功能强大等优势。该软件实现了温度数据实时测量、采集和监控处理，具有实时温度曲线显示功能、成形温度数据EXCEL表格导出功能以及高低温报警功能，满足了实际应用的需要。

附图说明

图1为本发明基板测温点的布置示意图。

图2为图1的A-A剖视示意图。

图3为本发明中热电偶的安装结构示意图。

图4为本发明测温系统结构框图。

图5为本发明测温系统软件的人机界面图。

图6为本发明测温系统软件控制流程图。

图中：1.基板，2.通孔，3.盲孔，4.基板支架，5.热电偶，6.弹簧，7.底部压板，8.调节螺钉，9.支架底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：本发明所述的温度场检测方法，具体为：在成形基板1不同位置上预设若干个内置高温热电偶的通孔2和盲孔3，根据通孔2和盲孔3同时测温对比，得到激光快速成形过程中成形工件内部和基板1内部温度场差异的具体规律，再采用盲孔3测温的方法得到成形工件内部的温度场。

所述激光快速成形过程温度场分布的具体规律，按下述方法确定：同时测量成形基板1不同位置上若干个通孔2和盲孔3内高温热电偶5的温度，通过同一位置盲孔3和通孔2内热电偶5的测温数据进行对比，得到不同情况下成形工件内部和基板1内部温度场的分布情况和变化趋势，将成形工件内部和基板1内部温度场进行对比分析，得到两者之间差异的具体规律。

所述通孔2内的热电偶5直接测量成形工件内部温度，温度测量准确；盲孔3内的热电偶5测量基板1内部温度。由于通孔测温热电偶直接接触并凝固在成形工件内部，属于一次消耗不可再利用，而盲孔测温热电偶可实现重复使用；而在新材料优化工艺参数成形实验中，需要大量重复性温度场检测实验，采用热电偶盲孔测温可减少热电偶的消耗数量，降低测量成本。结合热电偶通孔测温和热电偶盲孔测温对比分析结果，可保证热电偶盲孔测温反映激光快速成形温度场的准确性。

本例在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为0.1-2mm，本例选用0.1mm。所述高温热电偶5的测温范围为0-1800℃，热电偶5的实际测温点裸露在外。

如图4所示，本例所述的检测系统包括：分置于成形基板通孔2和盲孔3内的多个高温热电偶5、转换卡、数据采集模块和内置测温系统软件的计算机，热电偶5与数据采集模块连接，数据采集模块通过信号转换卡连接在计算机上。

所述的热电偶选用测温范围较大的铂铑合金热电偶，常用的工业高温热电偶都存在着热响应时间较长的缺点（大于20s）,本发明对热电偶的实际测温点进行裸露处理，极大地提高了热电偶的响应速度（热响应时间为1s），满足了实际的测温要求。WRR-010，耐高温0-1800℃。转换卡采用RS232通讯转RS485通讯，弥补一般微机提供标准的RS-232-C接口的缺陷，在数据采集环节采用了RS485这种新的接口标准，提高了测量精度和稳定性。采用的数据采集模块可根据测量点的多少来扩展匹配相应数量，每个数据采集模块含有8通道的热电偶输入模块，24位sigma-delta ADC来提供较高的精度，精度>0.1%，采样速率≥10 HZ/秒，隔离3000 VDC，，6路差分输入，2路单端输入，可接入的热电偶类型有J、K、E、T、R、S、B等，内置CJC与热电偶连接，完成成形过程温度采集测量。计算机内部测温软件具有滤波、校准环节。

如图3所示，所述的热电偶5通过其安装结构置于成形基板1的通孔2或盲孔3中，其安装结构包括：

基板支架4，置于基板1下方，并固定在支架底座9上；用来支撑激光快速成形的基板1，并起到固定的热电偶5的功能。通过调节螺钉8可以提升底部压板7纵向压紧热电偶5，使盲孔3内的热电偶5紧密贴合基板1底部，最大限度减小温度损失，提高测量准确性。

底部压板7，位于基板支架4内热电偶5下方，在各个热电偶5上分别套装有与底部压板7相接触的弹簧6，底部压板7上设有至少三个与支架底座9相接触的调节螺钉8，本例采用4个调节螺钉8。

如图6所示，本例所述测温系统软件采用Labview开发测温系统软件，主要利用Labview中的VISA模块进行串口通讯编程，信号传输协议采用ASCII命令/响应协议。该软件实现了金属粉末激光快速成形过程的温度数据实时测量、采集和监控处理，具有实时成形温度曲线显示功能、成形温度数据EXCEL表格导出功能以及高低温报警功能。其具体控制流程为： 

步骤1）：进行串口参数配置；如：串口资源名称选择COM1；波特率设置为9600Baud；数据比特率设置为8 bps；奇偶校验位设置为none； 

步骤2）：进行数据采样周期设置，采样周期设为1000毫秒以上；由于数据采集对于8通道热电偶输入模块采用的是循环扫描的方式，每一个通道的扫描需要耗时125毫秒，所以采用周期设为1000毫秒以上；

步骤3）：写入串口通讯命令，本例写入的命令是启动数据采集模块进行温度数据采集，采用的通讯协议是ASCII命令/响应协议，即输入命令格式是ASCII格式； 

步骤4）：读取系统数据缓冲区的温度数据，所述读取的数据格式是字符串形式； 

步骤5）：对步骤4）中读取的字符串数据进行数据格式转换：即依次读取字符串中的每一位，将其一一转换为十进制的数值格式；

步骤6）：对温度数据进行除噪处理；热电偶的测温范围是0-1800℃，因此小于0℃和大于2000℃的测温数据，认为是噪声数据予以去除；

步骤7）：对温度数据进行滤波处理，滤波方式是逐点中值滤波；即设置一个堆栈式的数据结构，每次采集5个温度数据，对数据进行大小排序，将排在中间的数据输出，然后再采集下一组数据；

步骤8）：进行温度曲线的实时显示，同时进行高低温报警环节设置；热电偶的测温范围是0-1800℃，因此当实时温度超出1800℃时进行高温报警；而高温热电偶在温度低于200℃时测温精度不高，因此当实时温度低于200℃时进行低温报警；

步骤9）：将温度数据写入到EXCEL表格之中；即将八路温度数据集成为数组格式，将数组写入到EXCEL表格之中，实现了温度采集数据的EXCEL表格输出。

采用本发明所述测温方法和系统装置进行金属粉末激光快速成形温度场检测的具体流程如下：

（1）测温点优化布置和预钻通盲孔

如图1、图2所示，在成形基板1的激光扫描路径上布置测温点并预钻若干对盲孔和通孔，盲孔3和通孔2两两一组，其中盲孔3的底部与基板上表面的距离为1mm。钻孔数量和位置可依据实际加工经验，并根据成形零件的具体尺寸形状以及成形零件不同结构部位发生变形开裂的敏感程度，在实际测量过程中，还可以根据成形零件的具体尺寸形状，对测温点进行优化布置并钻孔。在成形轨迹复杂的部位多设置测温点，同时依据实际加工经验，在成形零件易发生变形开裂的部分多设置测温点并预钻通盲孔，以得到成形工件变形开裂敏感部位的更准确、更细致的温度场分布结果。

（2）热电偶安装

如图3所示，将热电偶5插入各通孔2和盲孔3内，通过调节底部压板7上的调节螺钉8，提升底部压板7纵向压紧热电偶5，以确保盲孔3内热电偶5测温点紧密贴合基板1。

（3）温度场检测

启动计算机的测温系统软件（软件人机交互界面如图5所示），通过数据采集模块控制热电偶对激光快速成形过程温度场进行实时检测。如图6所示，为测温系统软件控制温度检测具体流程；

（4）热电偶通孔和盲孔同时测温以及温度场对比分析

采用热电偶通孔和盲孔同时测温：通孔2内的热电偶直接与成形工件接触，测量的是成形工件内部某点的温度变化，集合各个测温点不同时间的温度数据就得到了成形过程中工件内部温度场的分布规律和演化趋势；而各盲孔3内的热电偶直接接触基板1，测量的是成形基板1内部某点的温度变化，集合各个测温点不同时间的的温度数据就得到了成形过程中基板1内部温度场的分布规律和演化趋势；将同一位置盲孔3和通孔2内热电偶的温度数据进行对比分析，可得到成形工件内部温度场和基板1内部温度场的温度变化情况和具体差异，并总结出具体规律。

（5）热电偶盲孔测温和温度场分析

在新材料优化工艺参数成形实验中，需要大量重复性温度场检测实验，采用热电偶盲孔测温方法，实现热电偶重复使用，降低测量成本。结合热电偶通孔测温和热电偶盲孔测温对比分析结果，用热电偶盲孔测温所得的基板内部温度场反推出成形工件内部温度场，也可准确分析成形工件内部温度场的分布规律和变化趋势。

实施例2：本例与实施例1检测系统结构及检测方法相同，不同的是：在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为2mm。

实施例3：本例与实施例1检测系统结构及检测方法相同，不同的是：在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为1mm。

实施例4：本例与实施例1检测系统结构及检测方法相同，不同的是：在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为0.5mm。

实施例5：本例与实施例1检测系统结构及检测方法相同，不同的是：在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为0.2mm。

实施例6：本例与实施例1检测系统结构及检测方法相同，不同的是：在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为0.8mm。

实施例7：本例与实施例1检测系统结构及检测方法相同，不同的是：在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为1.2mm。

实施例8：本例与实施例1检测系统结构及检测方法相同，不同的是：在所述成形基板1预设的盲孔3和通孔2，两两一组，其中盲孔3的底部与基板1上表面的距离为1.5mm。