激光增材制造過程中的溫度和熔池監(jiān)控研究

近年來各國高度關(guān)注的3D打印能夠在無需任何模具和工件的條件下,，根據(jù)計算機三維模型，通過激光逐層熔化成形的方式,，實現(xiàn)復雜零件直接近凈成形,。該技術(shù)具有制造周期短、材料利用率高,、工藝柔韌性好等獨特優(yōu)勢,，對制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了重要影響，在工業(yè)生產(chǎn),，航空航天,，醫(yī)學醫(yī)療等諸多領域有著廣泛且重要的應用。然而,，諸多技術(shù)上的挑戰(zhàn)阻礙了激光增材制造技術(shù)的廣泛應用和發(fā)揮它擁有的巨大潛力,，其中最大的一個障礙就是最終產(chǎn)品的質(zhì)量檢測，尤其是對產(chǎn)品質(zhì)量有著極高要求的領域如航空航天和醫(yī)學醫(yī)療領域,，因此需要對激光增材制造過程進行監(jiān)測和控制,。通過對制造過程進行監(jiān)控，以減少缺陷的產(chǎn)生,，提高產(chǎn)品的尺寸精度和力學性能,，最終達到提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

目前很多國內(nèi)外的研究人員在如火如荼地對激光過程監(jiān)控進行研究,，他們研究出了很多能對激光增材制造過程進行監(jiān)控的系統(tǒng),，這些系統(tǒng)只要集中在對熔池的物理參數(shù)進行在線檢測和對組件的缺陷進行檢測并且通過反饋控制減少這些缺陷上。激光監(jiān)控過程主要分為兩個部分,，一個是數(shù)據(jù)采集,，一個是數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集主要有兩個部分,，熔池形貌和熔池溫度,，熔池形貌一般是通過CCD相機或紅外相機得到，熔池溫度一般是通過光電二極管或高溫計測得,。數(shù)據(jù)處理是指將測得到的數(shù)據(jù)經(jīng)加工后傳送給控制器,，由控制器對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行配置更新，對系統(tǒng)的運行過程進行有效的控制,，從而使產(chǎn)品的質(zhì)量得到提高,。值得注意的是控制器使用的控制方法有多種,，有傳統(tǒng)的PID控制，有模糊控制,，還有人工智能控制如神經(jīng)網(wǎng)絡控制等,，目前使用最為成熟的是傳統(tǒng)PID控制，目前研究的熱點是各種人工智能控制方法,。

下面介紹一個具體控制系統(tǒng)的工作過程及結(jié)果,，實驗過程是一個激光金屬沉積實驗，目的是通過控制使產(chǎn)品的外形精度得到提高,。圖1是一個激光金屬沉積實驗過程圖,，通過實驗可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的外形尺寸精度與制造過程中的熱輻射信號有很大的關(guān)系，當熱輻射信號保持不變時,，熔池的尺寸基本不變,，熔池尺寸的穩(wěn)定會提高產(chǎn)品外形的尺寸精度。圖2是激光金屬沉積監(jiān)控過程圖,，該過程使用了自適應PID控制方法,，測量的得到的熱輻射信號輸入到自適應PID控制器，控制器輸出控制信號,，控制信號作用到激光發(fā)射器,，調(diào)節(jié)激光功率使熱輻射信號強度保持基本不變。

熔池的外形尺寸和熱輻射溫度如圖3和圖4所示,，對比這兩個圖可以看出使用了控制系統(tǒng)的過程的熱輻射信號相對穩(wěn)定,，基本保持在設定值2，對應的熔池的尺寸也穩(wěn)定,，熔池最大與最小相差0.1mm,；未使用控制系統(tǒng)的過程的熱輻射信號增大，對應的熔池尺寸增大,，熔池最大與最小相差1.27mm,。

產(chǎn)品的宏觀形貌圖如圖5和圖6所示，對比這兩個圖可以明顯看出使用了控制系統(tǒng)的產(chǎn)品表面更加光滑,，高度和寬度更加均勻，寬度的變化從63.6%下降到12.5%,，可見這個自適應控制系統(tǒng)達到了提高產(chǎn)品外形精度的目的,。

當然這只是激光監(jiān)控過程的其中一個應用，針對不同的目標,，如減少產(chǎn)品的缺陷,，提高產(chǎn)品的疲勞強度和各種力學性能等等，研究人員提出了各種的控制系統(tǒng)和控制方法,。

圖5 未使用控制系統(tǒng)的產(chǎn)品宏觀形貌   圖6 使用了控制系統(tǒng)的產(chǎn)品宏觀形貌

目前的研究表明由于實現(xiàn)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過程的集成十分復雜,、測量工具與傳感器的局限,、實時控制的難以實現(xiàn)等因素，許多的系統(tǒng)尚未在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中應用,，該研究尚處于發(fā)展階段,，相信在不久的將來，隨著研究的不斷的深入,，激光增材制造監(jiān)控技術(shù)得到更成熟的發(fā)展和實際的應用,。

來源：激光制造網(wǎng)