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(jì)算機(jī)三維模型，通過激光逐層熔化成形的方式，實(shí)現(xiàn)復(fù)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(dú)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(xué)醫(yī)療等諸多領(lǐng)域有著廣泛且重要的應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域如航空航天和醫(yī)學(xué)醫(yī)療領(lǐng)域，因此需要對激光增材制造過程進(jìn)行監(jiān)測和控制。通過對制造過程進(jìn)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(xué)性能，最終達(dá)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(jìn)行研究，他們研究出了很多能對激光增材制造過程進(jìn)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(jìn)行在線檢測和對組件的缺陷進(jìn)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(jī)或紅外相機(jī)得到，熔池溫度一般是通過光電二極管或高溫計(jì)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(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置更新，對系統(tǒng)的運(yùn)行過程進(jìn)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(luò)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)過程是一個激光金屬沉積實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)過程圖，通過實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(yīng)PID控制方法，測量的得到的熱輻射信號輸入到自適應(yīng)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(qiáng)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(shè)定值2，對應(yīng)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(yīng)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(yīng)控制系統(tǒng)達(dá)到了提高產(chǎn)品外形精度的目的。

當(dāng)然這只是激光監(jiān)控過程的其中一個應(yīng)用，針對不同的目標(biāo)，如減少產(chǎn)品的缺陷，提高產(chǎn)品的疲勞強(qiáng)度和各種力學(xué)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(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)過程的集成十分復(fù)雜、測量工具與傳感器的局限、實(shí)時控制的難以實(shí)現(xiàn)等因素，許多的系統(tǒng)尚未在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)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(shí)際的應(yīng)用。

來源：激光制造網(wǎng)