激光熔絲增材制造監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

張國(guó)濱， 彭銳茜

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 哈爾濱 150001)

0 前言

增材制造 (Additive manufacturing)是現(xiàn)階段制造業(yè)、工程界[1-2]熱門(mén)話題。相比于傳統(tǒng)減材制造過(guò)程，增材制造的設(shè)計(jì)自由度更高，能設(shè)計(jì)并制造出更復(fù)雜形狀的工件；增材制造的經(jīng)濟(jì)性和工作效率大幅度提高，可以減少裝配工序以及材料損耗。目前，憑借其高效率、高數(shù)字化等優(yōu)勢(shì)，增材制造技術(shù)已應(yīng)用于船舶、醫(yī)療、航空航天[3-8]等領(lǐng)域中。根據(jù)原材料形態(tài)的不同，增材制造分為熔粉增材制造與熔絲增材制造技術(shù)[9-10]。相比于熔粉增材制造，熔絲增材制造具有沉積效率高、加工成本低、成形件尺寸大等優(yōu)點(diǎn)。熔絲增材制造的能量源包括電弧、電子束與激光。電弧熔絲增材的加工效率高、成本低，但是成形件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且尺寸精度低[11]。電子束熔絲增材具有較高的加工效率以及成形件尺寸精度，但是加工成本高[12]。激光熔絲增材(Laser metal wire deposition，LMWD)可以兼顧成形質(zhì)量、加工效率以及加工成本[13-14]，同時(shí)國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔絲增材制造的研究相對(duì)較少，具有巨大的研究?jī)r(jià)值與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

金屬增材制造過(guò)程中，由于熱條件不斷變化以及沉積過(guò)程中送絲的變化，每一層沉積都會(huì)產(chǎn)生幾何偏差并逐層累積[15]。因此，對(duì)沉積層厚度和高度、熔池尺寸、工件溫度等工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制是一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冇绊懙焦ぜ叽缇?、成形穩(wěn)定性和整體質(zhì)量[16]。目前，CMOS與CCD攝像機(jī)[16-18]、紅外測(cè)溫儀[19-20]等精密光學(xué)傳感器已廣泛應(yīng)用于金屬增材制造過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。激光、超聲[21-23]等掃描監(jiān)測(cè)方式在定向能量沉積技術(shù)(Directed energy deposition)中得到應(yīng)用。當(dāng)收集足夠的信息后，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便將信號(hào)反饋至控制系統(tǒng)，進(jìn)入工藝過(guò)程的調(diào)控階段。目前，基于開(kāi)環(huán)控制的定向能量沉積技術(shù)研究較為成熟，但在開(kāi)環(huán)增材制造工藝后，根據(jù)預(yù)先建立的幾何模型，測(cè)量工件是否被接受。然而，復(fù)雜的熱效應(yīng)影響沉積過(guò)程，可能導(dǎo)致工件成形失敗[24]。相比于開(kāi)環(huán)控制，閉環(huán)控制[16]可以實(shí)時(shí)、更準(zhǔn)確地對(duì)增材制造過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。作為增材制造系統(tǒng)的組成部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)-反饋控制雙系統(tǒng)的設(shè)置，可以大幅度提升工藝的成形穩(wěn)定性與工件的綜合力學(xué)性能[21,25-26]?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔絲增材制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研究，趨向于由單傳感器單物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)向多傳感器多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)展，同時(shí)許多高效率高精密閉環(huán)控制系統(tǒng)涌現(xiàn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔絲增材制造過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研究較少，是具有巨大技術(shù)潛力的研究領(lǐng)域。

文中基于激光熔絲增材制造技術(shù)，根據(jù)監(jiān)測(cè)與控制對(duì)象的不同，對(duì)國(guó)內(nèi)外多種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納綜述。

1 激光熔絲增材制造監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)原理

激光熔絲增材制造系統(tǒng)包括沉積裝置、監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。沉積原理為：采用激光為能量源來(lái)熔化金屬絲材，逐層制備工件。激光熔絲增材制造的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、攝像機(jī)、光學(xué)(或聲學(xué))掃描儀與圖像數(shù)字化界面組成。

1.1 攝像機(jī)可視化與激光掃描儀

如圖1所示[27]，該激光熔絲增材制造工藝的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，包括工藝攝像機(jī)與激光掃描儀。攝像機(jī)利于操作者在沉積過(guò)程中監(jiān)視絲材尖端與熔池之間的相互作用，視覺(jué)反饋是為了幫助操作者對(duì)控制器進(jìn)行評(píng)估，并監(jiān)視控制器未處理的任何干擾。激光掃描儀的作用是測(cè)量工件表面幾何形貌以及三維高度輪廓，根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量的原理，一條激光束被投射到目標(biāo)表面，反射光被二維傳感器捕獲，由此計(jì)算出單線高度輪廓，再通過(guò)掃描儀和機(jī)器人產(chǎn)生的x方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)，獲得三維高度剖面。

1.2 紅外測(cè)溫技術(shù)

作為非接觸式測(cè)溫方法，相比于接觸式測(cè)溫方法，紅外測(cè)溫技術(shù)具有使用安全、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。

紅外測(cè)溫計(jì)利用紅外探測(cè)器、光學(xué)成像物鏡以及光機(jī)掃描系統(tǒng)接受工件的紅外輻射能量分布圖形反應(yīng)至紅外探測(cè)器的光敏元上，光機(jī)掃描系統(tǒng)對(duì)被測(cè)物體紅外熱像進(jìn)行掃描，聚焦在探測(cè)器上，再由探測(cè)器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字化紅外熱像圖。此外，需要注意的是，現(xiàn)階段先進(jìn)的焦平面技術(shù)可以取代光機(jī)掃描系統(tǒng)。

1.3 反饋控制系統(tǒng)

以高度在線監(jiān)測(cè)-送絲速度反饋控制系統(tǒng)為例，解釋激光熔絲增材制造控制系統(tǒng)的原理。如圖2所示[28]，控制策略形成一個(gè)以高度測(cè)量數(shù)據(jù)為源信號(hào)閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制送絲機(jī)送絲速度，以達(dá)到調(diào)控沉積層高度的目的。此外，基于激光熔絲增材制造的控制系統(tǒng)還可以調(diào)控工件溫度、幾何形貌等。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 沉積層寬度、高度與形貌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

如圖1所示，Heralic等人[27]建立了一個(gè)以CMOS攝像機(jī)與三維激光掃描儀為特色的激光熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工藝過(guò)程和沉積層拓?fù)浣孛娴脑诰€視覺(jué)反饋。三維激光掃描儀的型號(hào)為Micro-Epsilon(scanControl 2810-25)。由內(nèi)部開(kāi)發(fā)的測(cè)量軟件觸發(fā)掃描儀，再使用掃描儀以5 mm/s的速度掃描零件，50 ms提取一個(gè)新的輪廓，產(chǎn)生每一層三維圖像，可以深入了解沉積過(guò)程引起的諸多干擾，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沉積過(guò)程的控制。掃描儀的x，y，z三維空間分辨率分別達(dá)到250 dpi，140 dpi，10 dpi。監(jiān)測(cè)信息可以作為未來(lái)建模與模擬或離線編程工具開(kāi)發(fā)的可用輸入，同時(shí)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)允許將所有測(cè)量數(shù)據(jù)同步至數(shù)據(jù)庫(kù)，從而簡(jiǎn)化對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取和分析。該團(tuán)隊(duì)根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研發(fā)出了基于所開(kāi)發(fā)的迭代學(xué)習(xí)算法的在線高度控制器，該控制器可以根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)根據(jù)工件的三維掃描數(shù)據(jù)調(diào)控送絲速率。所開(kāi)發(fā)的迭代學(xué)習(xí)算法能夠在線學(xué)習(xí)特定工件軌跡，使得控制器能夠補(bǔ)償局部變化,并在整個(gè)沉積過(guò)程中保持平滑的表面。

Heralic等人[29]開(kāi)發(fā)了基于雙攝像機(jī)反饋方式與投影激光束結(jié)合的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、熔池寬度閉環(huán)PI-在線控制器與層高前饋補(bǔ)償器組合的控制系統(tǒng)?？刂菩盘?hào)采用激光功率和送絲速率，該控制器通過(guò)控制激光功率和送絲速率來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積過(guò)程中的沉積層恒寬度和恒高度。此外，通過(guò)控制高度，最大限度地降低了產(chǎn)生粗糙焊道或絲材與熔池直接接觸的風(fēng)險(xiǎn)，確保了工藝的穩(wěn)定性。由于沉積層高度的閉環(huán)控制要求在熔池后方測(cè)量新焊縫高度，這受限于熔池金屬的高亮度，如圖3和表1所示[29]，該團(tuán)隊(duì)所研制的前饋補(bǔ)償器能夠在熔池前方測(cè)量前一層的高度信息，利用高度信號(hào)控制送絲速率，以補(bǔ)償前一層的不規(guī)則形貌。

1.2.1 對(duì)照組 給予孕期常規(guī)健康教育宣教包括飲食、運(yùn)動(dòng)量、用藥及產(chǎn)前檢查等，每次孕期檢查結(jié)果在《孕產(chǎn)婦保健手冊(cè)》詳細(xì)記錄，對(duì)癥治療，并告知下次復(fù)診時(shí)間。產(chǎn)后母乳喂養(yǎng)指導(dǎo)、產(chǎn)婦康復(fù)運(yùn)動(dòng)以及42 d門(mén)診復(fù)查。

表1 相關(guān)物理符號(hào)釋義

當(dāng)送絲速率與沉積層高度之間不匹配時(shí)，將會(huì)形成缺陷型焊道。如圖4所示[28]，當(dāng)送絲速率過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致絲材與沉積層之間距離過(guò)大，從而導(dǎo)致焊道過(guò)于粗糙；當(dāng)送絲速率過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致絲材與沉積層之間距離過(guò)小甚至與熔池直接接觸，這時(shí)會(huì)形成不規(guī)則缺陷型焊道；而當(dāng)參數(shù)選擇合適時(shí)，會(huì)形成如圖4b所示的平滑規(guī)則焊道，成形質(zhì)量好。

Garmendia等人[30]利用可視化攝像機(jī)(Genie Nano C1940 CMOS)與結(jié)構(gòu)光掃描儀(Phoxi 3D)對(duì)激光熔絲增材制造316LSi不銹鋼工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)工件缺陷進(jìn)行校正，在此基礎(chǔ)上提出了一種新穎的工藝過(guò)程在線高度控制方法。一方面，根據(jù)工件的掃描高度輪廓及其參數(shù)，對(duì)沉積層的平均高度進(jìn)行修正；另一方面，根據(jù)機(jī)器人掃描速度的變化來(lái)控制局部偏差。為了驗(yàn)證高度控制策略的有效性，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入缺陷來(lái)模擬工件不同區(qū)域的不規(guī)則沉積，通過(guò)試驗(yàn)分析了在一定層數(shù)沉積之后如何重新建立平面層，證明了該方法對(duì)于修正局部層內(nèi)缺陷是適用的。該團(tuán)隊(duì)還對(duì)工件內(nèi)部完整性與無(wú)缺陷性進(jìn)行了驗(yàn)證，以進(jìn)一步驗(yàn)證基于掃描速度變化的工藝控制方法。

Takushima等人[28]提出了一種線切割法沉積層高度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與高質(zhì)量激光熔絲送絲速率反饋控制系統(tǒng)。所開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括集成在激光處理頭中的成像系統(tǒng)和投射光束的斜照明系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了線束投影角，實(shí)現(xiàn)了沉積層高度的高精度測(cè)量，與高精度高度測(cè)量?jī)x測(cè)量的真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比。該團(tuán)隊(duì)采用了改進(jìn)的基于沉積層高度的送絲速率控制系統(tǒng)，將送絲頭與送進(jìn)絲材的間隙控制在0.1 mm精度范圍內(nèi)，使得送絲速率達(dá)到最佳。此外，該團(tuán)隊(duì)在成像系統(tǒng)中插入線束波長(zhǎng)的帶通濾波器，并優(yōu)化其線激光功率,減小熔池產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射的影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)熔池前4 mm的高度測(cè)量，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。根據(jù)實(shí)測(cè)沉積層高度控制送絲速率，證明了無(wú)論是z向節(jié)距還是圓筒形工件直徑，都可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量沉積。

激光熔絲增材制造中，激光軸前高度位移控制參數(shù)化的激光加工控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高精度加工必不可少的。Takushima等人[31]提出了一種采用如圖5所示的交叉直線光束的光截面法對(duì)激光熔絲增材制造工藝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，該方法可以用于測(cè)量沉積方向改變時(shí)激光光斑前方的高度位移。在激光頭側(cè)面投射出兩個(gè)交叉光束，在傳統(tǒng)的光截面法中增加一塊線板，根據(jù)測(cè)量方向改變交叉光束的縱向位置，可以計(jì)算出交叉光束的高度位移。試驗(yàn)中采用“L”形沉積路徑，改變沉積方向，根據(jù)位移測(cè)量結(jié)果，在加減速的情況下，在沉積方向改變的位置實(shí)現(xiàn)了高精度連續(xù)沉積。

2.2 熔池狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

2.2.1熔池、熔滴過(guò)渡動(dòng)力學(xué)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

熔池、熔滴過(guò)渡模式顯著地影響沉積層的成形質(zhì)量與成形穩(wěn)定性，當(dāng)對(duì)熔池、熔滴過(guò)渡模式控制不到位時(shí)，便會(huì)形成諸多缺陷，如氣孔、焊接飛濺等。因此，對(duì)熔池、熔滴過(guò)渡模式動(dòng)力學(xué)的監(jiān)測(cè)與控制變得尤為重要。

Mortello等人[32]對(duì)光纖激光熔絲增材制造6 mm厚Ti-6Al-4V板材工藝過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制試驗(yàn)。使用四點(diǎn)夾持方式將鈦合金板固定在工作臺(tái)上，采用兩臺(tái)工藝過(guò)程攝像機(jī)對(duì)增材沉積過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中一臺(tái)離軸攝像機(jī)用于監(jiān)控熔池以及熔滴過(guò)渡過(guò)程，另一臺(tái)攝像機(jī)與光纖激光器光學(xué)系統(tǒng)同軸，監(jiān)測(cè)激光束路徑與進(jìn)給方向的對(duì)準(zhǔn)情況，同時(shí)利用排煙器提取工藝過(guò)程中的排放氣體。對(duì)表面張力模式下獲得的15層沉積層工件的幾何性能和顯微組織進(jìn)行了分析與評(píng)述。試驗(yàn)表明，表面張力的傳遞模式使得金屬沉積過(guò)程平滑、規(guī)則，同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池和熔滴過(guò)渡模式有助于進(jìn)一步了解工藝過(guò)程動(dòng)力學(xué)。Eimer等人[33]基于激光-電弧復(fù)合熔絲增材制造鋁合金技術(shù)，使用Redman焊接攝像機(jī)可視化技術(shù)監(jiān)測(cè)熔池形態(tài)及金屬流動(dòng)狀況，同時(shí)，采用AMV5000系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄沉積過(guò)程中的電弧電壓與電流，以進(jìn)一步評(píng)估加工過(guò)程的沉積穩(wěn)定性。

黃安國(guó)等人[35]提出利用如圖6所示的電磁振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)微細(xì)熔絲的過(guò)渡狀態(tài)方法，并建立數(shù)學(xué)模型研發(fā)原型裝置。根據(jù)設(shè)計(jì)組裝設(shè)備后續(xù)采用直碳鋼、不銹鋼、鈦合金焊絲進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，不同材質(zhì)的絲材均能接收到不同強(qiáng)度的信號(hào)，且不同參數(shù)接收的信號(hào)也有不同，可根據(jù)具體要求進(jìn)行調(diào)整。使用該系統(tǒng)對(duì)激光熔絲增材制造進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)接收的振蕩信號(hào)分析可有效辨別焊絲的過(guò)渡狀態(tài)，為優(yōu)化工藝參數(shù)、提高加工質(zhì)量提供參考。劉博[36]對(duì)電磁振動(dòng)監(jiān)測(cè)激光熔絲增材制造熔滴過(guò)渡的系統(tǒng)進(jìn)行研究，該系統(tǒng)利用電磁振動(dòng)信號(hào)激勵(lì)原理，通過(guò)在焊絲上產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)熔滴過(guò)渡狀態(tài)信號(hào)從端部傳到基板上，由基板接收的信號(hào)來(lái)分析焊接過(guò)程的熔滴過(guò)渡狀態(tài)。制定了原型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總框架，再根據(jù)框架設(shè)計(jì)并確定尺寸，考慮多方面因素，最后保證其高溫下工作狀態(tài)、信號(hào)的穩(wěn)定性以及實(shí)現(xiàn)同步采集的功能。當(dāng)“大熔滴”過(guò)渡狀態(tài)時(shí)，信號(hào)無(wú)法傳遞到基板上，而整體上基本實(shí)現(xiàn)對(duì)“液橋”過(guò)渡的振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證其監(jiān)測(cè)分析熔滴過(guò)渡狀態(tài)的可行性。由于該系統(tǒng)的局限性，還需對(duì)其進(jìn)行改良，并且還將繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以及適配軟件的開(kāi)發(fā)。

2.2.2熔池溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

熔池溫度是影響成形質(zhì)量與成形穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，對(duì)熔池溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制是保證沉積過(guò)程穩(wěn)定、工件缺陷少的有效方式。

朱進(jìn)前等人[20]致力于對(duì)真空激光熔絲增材制造單道成形熱過(guò)程進(jìn)行研究，利用紅外熱像儀對(duì)增材制造過(guò)程的溫度場(chǎng)熱過(guò)程時(shí)間以及空間分布進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究以鋁合金為絲材、鈦合金為基板對(duì)其制造過(guò)程進(jìn)行紅外熱像監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熔覆道寬度的預(yù)測(cè)以及對(duì)缺陷位置定位，并發(fā)現(xiàn)在不同送絲速度的冷卻速度不同。在未來(lái)，可拓展更多形式的焊接過(guò)程進(jìn)行紅外熱像監(jiān)測(cè)以及溫度場(chǎng)分析，以加深對(duì)增材制造中循環(huán)加熱的溫度場(chǎng)發(fā)布變化的認(rèn)識(shí)和理解。

諾丁漢大學(xué)的Medrano等人[37]利用送絲技術(shù)成功研制出可用于監(jiān)測(cè)熔池與工件溫度的光纖激光熔絲增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用308L不銹鋼絲材在304不銹鋼基體上沉積工藝參數(shù)，獲得了良好的金屬沉積效果，借此介紹了參數(shù)研究結(jié)果與溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)情況。在試驗(yàn)設(shè)備激光頭上安裝有一個(gè)與激光束同軸的CCD攝像機(jī)，用于對(duì)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉積過(guò)程。該系統(tǒng)對(duì)熔池采用雙色高溫計(jì)，對(duì)工件采用單色高溫計(jì)，數(shù)據(jù)采集采用數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)試驗(yàn)室視圖軟件。在對(duì)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了選擇正確的傳感器，該團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)中對(duì)6種不同的高溫計(jì)進(jìn)行測(cè)試，分析了其對(duì)金屬激光沉積過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)的適用性，目的是監(jiān)測(cè)熔池、工件溫度。6個(gè)高溫計(jì)的相關(guān)信息見(jiàn)表2[37]，結(jié)果表明，影響成形質(zhì)量的主要參數(shù)為激光功率、送絲速率與進(jìn)給速率，這些參數(shù)通過(guò)影響熔池、工件溫度從而間接影響成形質(zhì)量與成形穩(wěn)定性。隨著激光功率增大，沉積層高度減小，沉積層寬度增大；隨著送絲速率增大，沉積層高度增大；隨著進(jìn)給速率增大，沉積層高度減小。激光功率過(guò)低或者送絲速率過(guò)高均會(huì)導(dǎo)致熔體孔隙率過(guò)大或熔體未熔化。值得注意的是，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)熔池溫度控制系統(tǒng)的中間步驟，該溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)推動(dòng)了閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展。

表2 6個(gè)高溫計(jì)的相關(guān)信息

2.2.3熔池尺寸實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制

熔池尺寸影響著工件幾何形狀、材料性能、殘余應(yīng)力以及變形，對(duì)熔池尺寸采用傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制是激光熔絲增材制造工藝的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。Akbari等人[38]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熔池尺寸，得到了熔池面積與冷卻速度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，驗(yàn)證了可以通過(guò)實(shí)時(shí)控制熔池尺寸來(lái)控制最終凝固組織的尺寸。

Gibson等人[39]通過(guò)激光功率調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)Ti-6Al-4V合金熔池尺寸的多種實(shí)時(shí)閉環(huán)控制模式，從而實(shí)現(xiàn)焊縫幾何形狀的層間控制，開(kāi)發(fā)并演示了一個(gè)按層實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)沉積速率的控制器，使得單獨(dú)控制平均熔池尺寸或平均激光功率與實(shí)時(shí)熔池尺寸控制相互協(xié)調(diào)。該激光熔絲增材制造工藝采用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：用于監(jiān)測(cè)絲材輸入位置與過(guò)程穩(wěn)定性的軸內(nèi)可視化攝像機(jī)、用于監(jiān)測(cè)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)理想層高度的沉積層高度的激光掃描儀。3種閉環(huán)控制模式見(jiàn)表3，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得到結(jié)論：模式1沉積成形，平均激光功率大約減少23%。由于工件內(nèi)部的熱積累，要達(dá)到所需的熔池尺寸就需要較小的激光功率，從生產(chǎn)效率的角度來(lái)看，模式1不是被期望的控制模式，更重要的是保持激光功率，在閉環(huán)控制下，當(dāng)沉積速率自動(dòng)提高，可以利用沉積過(guò)程中工件的熱積累來(lái)維持工藝過(guò)程穩(wěn)定性，同時(shí)保證工藝過(guò)程穩(wěn)定性。模式2保持了恒定激光功率，總工藝時(shí)間減少且工件整體幾何形狀改善，但是缺少層間熔池尺寸的實(shí)時(shí)控制。模式3結(jié)合了模式1與模式2的最優(yōu)屬性，結(jié)合層間熔池尺寸控制與沉積速率控制，總工藝時(shí)間減少，同時(shí)得到高質(zhì)量工件。該控制系統(tǒng)模式特點(diǎn)是它們對(duì)工件局部幾何、工件整體幾何的影響以及對(duì)能量密度層間影響等。

表3 3種熔池尺寸閉環(huán)控制模式

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)激光熔絲增材制造的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)有諸多種類(lèi)。目前，較為成熟的監(jiān)測(cè)技術(shù)包括：CMOS，CCD同軸/離軸攝像機(jī)可視化技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)，紅外測(cè)溫技術(shù)等；較為成熟的控制技術(shù)包括：在線反饋送絲速率控制技術(shù)、在線反饋激光功率控制技術(shù)等。新開(kāi)發(fā)的激光熔絲增材監(jiān)測(cè)技術(shù)有：三維超聲波掃描技術(shù)、電磁振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)等。目前，國(guó)內(nèi)外已對(duì)沉積層高度與寬度、熔池尺寸與溫度等對(duì)象的監(jiān)測(cè)有較為充分的研究與試驗(yàn)證明，但是沉積過(guò)程中，激光高能量密度會(huì)引起高溫度梯度，因此開(kāi)裂、焊接飛濺、氣孔等缺陷的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究變得至關(guān)重要。由于激光熔絲沉積過(guò)程中熔池金屬高亮度、高溫度等不利因素，為監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的發(fā)展形成一道阻礙，但是通過(guò)改進(jìn)控制系統(tǒng)算法、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器位置等關(guān)鍵因素，完全能夠沖破技術(shù)瓶頸與環(huán)境不利條件，不斷創(chuàng)新發(fā)展并豐富改進(jìn)激光熔絲增材制造監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。

(2)激光熔絲增材制造的監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由、種類(lèi)繁多，但是要求高精度、高效率，這給激光熔絲增材監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的發(fā)展造成一定的局限性?，F(xiàn)階段，盡管?chē)?guó)內(nèi)外有一些研究者研制并開(kāi)發(fā)出多種新型激光熔絲增材制造監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，但是相比于電弧熔絲增材制造或粉末增材制造，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光熔絲增材制造監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的研究很少，研究缺少充足的論據(jù)，因此現(xiàn)有的理論成果的準(zhǔn)確性、可行性、實(shí)用性等有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

(3)未來(lái)，對(duì)于現(xiàn)有的激光熔絲增材制造監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行復(fù)合化、創(chuàng)新化，從單傳感器單物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制向多傳感器多物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)與控制發(fā)展，在提升調(diào)控精度與質(zhì)量的同時(shí)，提高處理效率、降低設(shè)備成本，在推動(dòng)激光熔絲增材制造工藝的同時(shí)，將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)發(fā)展推廣，將其廣泛應(yīng)用于工程界。