УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
DEVICE FOR MONITORING AND CONTROLLING THERMAL SPRAYING PROCESS

Данное изобретение относится к области обработки материалов и может быть использовано при получении покрытий из порошков методами термического напыления, включая холодное напыление - Cold Spray.
Известно устройство для контроля и управления процессом термического напыления Spray [1], содержащее видеокамеру с объективом, импульсный лазер и компьютер.
С помощью данного устройства невозможно получить непрерывную информацию о процессе напыления при движении головки напыления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является представленное в [2] устройство Accuraspray, содержащее ламповый осветитель, и 2-щелевой волоконный датчик и компьютер.
Используя данное устройство, невозможно получить непрерывную информацию о процессе напыления при движении головки напыления. Кроме того устройство не позволяет измерять размеры частиц и диапазон измеряемых скоростей очень мал - до 12 м/с.
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для контроля и управления процессом термического напыления (фиг.1, 2), содержащее узел цифровой видеокамеры 8 на основе CCD или CMOS матриц (фиг.1) с объективом 9 и поворотным зеркалом 11, волоконный фотоприемный узел 6, оптически связанный с пятном напыления 2, с объективом 5, узел подсветки 4 (см. конструкцию на фиг.2, с) с объективом 12, светоловушкой 14 и световозвращающим зеркалом 13. На тубусе видеокамеры 8 крепится фотоприемник 15, оптически с ней связанный. Все вышеперечисленные узлы установлены в боксе 10, закрепленном на подвижной головке напыления 7. Передача сигналов на пирометр и компьютер осуществляется по электрическим и оптическим кабелям. На узел подсветки (фиг.2, с) световой поток передается от мощной дуговой лампы 17 (фиг.2, а) через жидкостный световод 19. Путем фокусировки излучения эллиптическим отражателем 18 излучение лампы вводится в 1-2 мм световод 19 и по нему подается на узел подсветки (фиг.2, с), где с помощью поворотного зеркала 20 и объектива 12 трансформируется в квазипараллельный пучок.
Устройство работает следующим образом. Головка напыления 7 (фиг.1) при своем движении направляет поток частиц 3, выходящих из сопла головки, на деталь 1 с образованием покрытия 2. При высокой температуре частиц (>800-1000 К) интенсивности их свечения достаточно для регистрации видеокамерой при скоростях частиц до нескольких сотен метров в секунду. С помощью затвора камеры с регулируемой экспозицией от 1 мкс и выше обеспечивается регистрация треков частиц и по длине трека и его ширине определяются скорости и размеры частиц, а по интенсивности излучения трека определяется температура частиц. Для визуализации холодных частиц осуществляется подсветка потока частиц с помощью узла подсвета 4. Параллельный световой поток, сформированный объективом 12, проходит через поток и попадает на зеркало 13. Большая часть потока излучения этим зеркалом возвращается в аппертуру объектива 12, что увеличивает интенсивность освечивания частиц. Оставшаяся часть светового потока проходит в светоловушку 14. Это позволяет избежать паразитной засветки камеры. Рассеянный на частицах световой поток регистрируется видеокамерой 8, чем и обеспечивается визуализация их треков.
Разработанная система подсветки позволяет регистрировать холодные частицы размером до 6 мкм при скорости движения частиц до 2 км/с.
При работе с импульсными источниками потоков частиц, как-то установки детонационного напыления, импульсный Cold Spray или импульсные плазменные пушки, возникает необходимость синхронизации работы видеокамер и других устройств с моментом выхода потока частиц из сопла головки напыления. С этой целью у среза сопла дополнительно установлен фотоприемник 15, оптически связанный с видеокамерой 8.
Для уменьшения потока информации на систему управления разработано устройство, позволяющее уменьшить число работающих пикселей ССД камеры при одновременном увеличении частоты работы камеры. На матрицу ССД камеры устанавливается диафрагма 16 с тремя щелями, перпендикулярными изображению треков частиц, при этом ширина щелей одинаковая и несколько больше максимального диаметра частиц, а расстояния между щелями равны. При программной обработке в режиме реального времени система распознает только те треки, у которых два временных интервала совпадают. В отличие от известных устройств, работающих на аналогичных принципах, заявляемое устройство позволяет с высокой точностью измерять и размеры частиц.
С помощью волоконного фотоприемного узла 6, оптически связанного с пятном напыления 2, изображение участка поверхности детали в области нанесения покрытия объективом 5 проецируется на торец оптического волокна диаметром 1-2 мм и передается на 2-канальный пирометр. Тем самым обеспечивается регистрация яркостной и цветовой температуры поверхности в процессе нанесения покрытия. Совокупность постоянно регистрируемых параметров дает возможность управлять процессом, регулируя скорость перемещения головки напыления, давление несущего газа и его подогрев, массовую скорость подачи порошка.
Список литературы
1. Thermal Spray 2001: new surface for a new millennium. Proc. ITSC 2001. C.Berndt, K.Knor, E. Lugscheider Ed. PP.730-734. 2001.
2. Thermal Spray: Surf Engineering via Appl. Research. С. Berndt Ed. PP.1131-1133.2000.