[实用新型]基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于短距离无线传感技术的激光熔覆监测系统，具体涉及一种基于紫蜂无线传感技术的激光熔覆实时监测系统。

背景技术

目前，磨损和腐蚀是机械构件的主要破坏形式，所导致的经济损失十分惊人，因此，采用表面防护措施延缓、控制以及修复表面的破坏成为解决上述问题的有效方法。激光熔覆技术是激光表面改性技术中发展最为迅速，最具有广泛应用前景的技术之一，具有较低稀释率、热影响区小、与基面形成冶金结合、熔覆件扭曲变形较小、过程易于实现自动化控制等优点。激光熔覆技术应用于表面处理，可极大地提高零件表面的硬度、耐磨、耐腐蚀、耐疲劳等机械性能，还可用于废品件的修复，大量节约加工成本，延长使用寿命。激光熔覆技术在航空、军事、石油、化工、医疗器械等方面有较广泛的应用。

激光熔覆技术虽然具有其他表面改性技术所没有的优势，但是因为熔覆过程复杂，与熔覆层质量有关的参数非常多，常常在一定范围内波动且相互影响，没有绝对的定量界限，处于模糊的状态，熔覆层质量往往不能达到人们所期待的使用要求。因此，为了保证熔覆层的质量并充分发挥激光熔覆技术的优势，加快其实用化进程，必须采用合适的控制方法将各种影响因素控制在熔覆工艺允许的范围内。

在激光熔覆过程中会产生各种声、光、电以及温度信号，这些信号都与熔覆过程有一定的关系，并且都能从不同方面反映熔覆过程的本质，其中光致等离子体和熔池是与熔覆过程有直接关系的两种物理现象。光致等离子体对入射激光产生吸收、散射和折射作用，不仅使激光能量受到极大的损失，而且可能会造成潜在的熔覆缺陷。因而利用光致等离子体的光、声、电特性可以监测激光熔覆过程的稳定性和缺陷的产生。熔池的形貌和表面积直接决定未来熔覆层的形貌和表面粗糙度，因此其温度和红外光辐射也是非常重要的监测参量。

在激光熔覆过程中，能够反应熔覆过程稳定与否及质量的优劣、并被用作被检测的物理参量主要有等离子体特征信号和熔池信号：

1、可听声信号（AS，Audible Sound），金属蒸汽或等离子体喷射出来时的压力波将产生出一种特定频段可听的声音，使用麦克风测量熔覆过程中的声音信号，对信号进行快速傅立叶变换，对频谱的分布特点进行研究。其优点是信号拾取容易，对焊接头和外光路不会造成负担或不良影响，并且对传感器装夹的方向、距离等不敏感。

2、等离子体蓝紫光信号，伴随着等离子体的产生会有强烈的蓝紫光辐射，检测和分析蓝紫光辐射是了解等离子体状态的重要手段。激光焊接研究表明，一定波长的等离子体光辐射强度与被熔物质蒸发量、等离子体温度和长度等有关，对它的监测是焊接质量监测的重要手段。因此，借鉴激光焊接质量控制中对蓝紫光辐射的检测与分析，在激光熔覆过程中，对蓝紫光进行监测和分析，寻找蓝紫光与激光熔覆质量的关系。

3、等离子体电信号，宏观呈电中性的等离子体中存在大量带负电的自由电子和带正电的离子，这些带正电的粒子和带负电的自由电子在蒸汽压力作用下，从工件表面向熔覆头方向运动。由于自由电子质量小，其运动速度大大高于带正电粒子的运动速度，因而，在等离子体内部，局部的电平衡会被打破，形成相对于激光入射点，沿激光入射轴线方向的电位差。通过测量工件与熔覆喷嘴之间的电位差，可以判断等离子体强度或电子密度。而且大量自由电子的存在是区分等离子体和普通蒸气的明显标志，因此电信号是等离子体的最本质表现。

4、熔池温度和红外辐射信号，激光熔覆过程必然会将基体材料和熔覆粉末加热到熔点以上，因此熔池的形成是必然的。温度和红外辐射信号的强度取决于熔池的温度分布和表面积，而熔池温度分布和表面积又决定着未来熔覆层形貌和质量。因此，熔池温度和红外辐射信号是与熔覆层质量直接相关的两路信号，对它们的监测必然会对熔覆层质量的控制起到非常重要的作用。

上述信号都能够从不同的侧面反映激光熔覆过程和质量。

激光熔覆技术往往会在比较恶劣的环境下进行，监测设备的安装和抗干扰就会成为很大问题，传输电缆越长干扰信号也会越多越强烈，而且如果生产线上有多台激光熔覆设备需要实时监测，信号传输电缆的布置也会比较麻烦，所以在信号传送方式上可以利用无线传感器网络技术进行无线传输。