1 引言

      激光快速成形技術(shù)是在激光熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)?？焖僦圃旒夹g(shù)，具有周期短、成本低、性能高等一系列突出特點(diǎn)，特別適用于傳統(tǒng)機(jī)械加工方式難以完成的復(fù)雜形狀、難加工材料零件的加工成形。

      激光快速成形實(shí)際上是激光束、粉末材料、基體和氣體之間相互作用的結(jié)果。成形過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行將受到諸多因素的影響。因此，分析加工參數(shù)及其耦合作用對(duì)成形構(gòu)件尺寸精度和性能的影響規(guī)律，并通過(guò)對(duì)激光快速成形過(guò)程中所發(fā)生的典型物理現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，以實(shí)現(xiàn)對(duì)重要過(guò)程參量的有效控制，將是激光快速成形研究領(lǐng)域所面臨的重要技術(shù)挑戰(zhàn)。

2 激光快速成形過(guò)程中的閉環(huán)控制

2.1 閉環(huán)控制及激光快速成形的影響因素

      閉環(huán)控制是由信號(hào)正向通路和反饋通路構(gòu)成的閉合回路自動(dòng)控制系統(tǒng)，即從輸出量變化取出控制信號(hào)作為比較量反饋給輸入端控制輸入量，通過(guò)比較系統(tǒng)行為與期望行為之間的偏差, 并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由控制器、受控對(duì)象和反饋通路構(gòu)成，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通路, 也包含從輸出端到輸入端的信號(hào)反饋通路，且兩者的相位相反，因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱為反饋控制系統(tǒng)。與開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抑制干擾能力，對(duì)軟件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，只要被控量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。

      激光快速成形過(guò)程受到很多因素的影響，這些因素主要包括激光功率、光斑尺寸、激光束模式、保護(hù)氣體流量、粉末傳輸氣體流量、掃描速度、送粉量、材料性能（吸收率、熱傳導(dǎo)率和熔點(diǎn)等）、粉末特性（顆粒尺寸分布和形狀）、單層高度、搭接量和成形軌跡等。這些因素都不同程度的影響了成形構(gòu)件的質(zhì)量，且可通過(guò)一些過(guò)程輸出參量（如熔池的形狀和尺寸、熔池溫度、熔池冷卻速率、等離子體等）體現(xiàn)出來(lái)。因此，在成形過(guò)程中對(duì)輸出參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)信息用于反饋調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，以此可以實(shí)現(xiàn)激光快速成形過(guò)程的閉環(huán)控制。

2.2 成形構(gòu)件尺寸精度閉環(huán)控制

      成形構(gòu)件的尺寸精度主要是由熔池形狀和尺寸控制，而熔池的形狀和尺寸又與激光功率和送粉率等因素密切相關(guān)。因此，利用表面形態(tài)反射技術(shù)對(duì)熔池表面形變進(jìn)行顯像和測(cè)量，并通過(guò)提取形變信息反饋控制工藝參數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)成形構(gòu)件尺寸控制。而熔池的形態(tài)變化也可利用激光三角測(cè)量原理對(duì)熔池附近已熔覆點(diǎn)和未熔覆點(diǎn)的高度差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)層厚信息反饋控制工藝參數(shù)，來(lái)調(diào)控單層熔覆厚度。但這些控制過(guò)程是在開環(huán)條件下進(jìn)行的。

      美國(guó)密西根大學(xué)CLIAM實(shí)驗(yàn)室利用熔池自發(fā)光、小目標(biāo)的特性發(fā)展了限制最大沉積高度的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由光學(xué)傳感器和反饋信號(hào)處理器組成，其控制的主要思想是當(dāng)激光快速成形過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)沉積時(shí)能夠快速響應(yīng)降低激光功率或送粉率。實(shí)現(xiàn)控制的主要過(guò)程是光學(xué)傳感器采集熔池圖像，并對(duì)檢測(cè)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷分析，在光學(xué)傳感器中圖像的位置反映了熔池的高度變化。當(dāng)熔池的高度高于預(yù)定的高度時(shí)，傳感器捕獲熔池圖像，然后將相應(yīng)的信號(hào)傳輸至信號(hào)處理器和激光功率控制器或粉末傳輸系統(tǒng)，降低激光功率或送粉率，使超過(guò)預(yù)定高度的區(qū)域停止沉積,使該處不再增高，直到成形件各部分高度均勻一致。圖1為其控制系統(tǒng)示意圖。

圖1 激光快速成形控制系統(tǒng)示意圖

      在激光快速成形過(guò)程中，由于工藝不穩(wěn)定而產(chǎn)生凹凸，在多次層疊制造過(guò)程中就會(huì)形成惡性循環(huán)， 凹處越凹、凸處越凸，嚴(yán)重影響了成形構(gòu)件的制造精度。為此，清華大學(xué)寧國(guó)慶等采用紅外高度傳感器對(duì)沉積高度進(jìn)行了檢測(cè)，并通過(guò)調(diào)節(jié)送粉率實(shí)現(xiàn)對(duì)成形過(guò)程送粉量的閉環(huán)控制。為了解決發(fā)送送粉量控制信號(hào)至送粉電機(jī)響應(yīng)的延時(shí)問(wèn)題，他們采用了如下策略：在前一熔覆層記錄凸起點(diǎn)，在下一層根據(jù)前一層的記錄數(shù)據(jù)提前給出送粉量的控制信號(hào)，粉末經(jīng)傳送延遲后正好在凸起點(diǎn)到達(dá)熔池。提前量要根據(jù)激光掃描速度、總的延遲時(shí)間、送粉量控制系統(tǒng)的控制周期仔細(xì)計(jì)算，并經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)校正。結(jié)果對(duì)熔覆層高度的檢測(cè)和對(duì)送粉量的閉環(huán)控制大大提高了激光直接制造過(guò)程的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

2.3 熔池溫度的閉環(huán)控制

      熔池溫度是影響成形構(gòu)件質(zhì)量的重要因素。熔池溫度過(guò)低，由于粉末顆粒未能充分熔化，將導(dǎo)致成形構(gòu)件致密性降低，嚴(yán)重影響成形構(gòu)件組織性能。而熔池溫度過(guò)高，必將增大熔池的尺寸，從而導(dǎo)致成形構(gòu)件尺寸精度的降低。因此，對(duì)熔池溫度進(jìn)行閉環(huán)控制是改善成形質(zhì)量和精度一個(gè)重要措施。

      D. R. Hand等采用雙色高溫計(jì)對(duì)熔池溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)累積溫度對(duì)成形質(zhì)量有較大影響，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整激光功率實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔池溫度的閉環(huán)控制。
 
      美國(guó)Dongming Hu等利用CCD攝像機(jī)對(duì)熔池及其周圍區(qū)域進(jìn)行紅外成像，通過(guò)圖像的灰度分析及標(biāo)定，得到與溫度分布相對(duì)應(yīng)的灰度分布，并用有限元法建立了熔池?zé)嵝袨槟Ｐ?，通過(guò)控制激光器的輸出功率和掃描速度實(shí)現(xiàn)對(duì)熔池的閉環(huán)控制，從而獲得了高度和寬度均勻一致的成形構(gòu)件。沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所利用雙波長(zhǎng)輻射圖像的比色法進(jìn)行溫度的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了熔池溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并研究了熔池溫度激光功率、掃描速度以及送粉量之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)熔池溫度場(chǎng)的檢測(cè)與控制。

2.4 粉末傳輸穩(wěn)定性的閉環(huán)控制

      粉末傳輸穩(wěn)定性是影響成形構(gòu)件尺寸精度和表面粗糙度的重要參量。目前，粉末傳輸穩(wěn)定性控制主要是將二極管激光器發(fā)出的激光束橫向穿過(guò)粉末流，然后被光電二極管接收。當(dāng)送粉流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，由于粉末對(duì)激光的漫射、吸收和反射的改變，從而導(dǎo)致光電二極管所接受的激光能量發(fā)生變化，其輸出電壓也隨之改變。利用輸出電壓和送粉率之間的定量關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)送粉率的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。圖2為送粉率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置示意圖。
 

圖2 送粉率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置示意圖

2.5 沉積材料成分的閉環(huán)控制

      激光快速成形過(guò)程中合金成分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制是獲得所設(shè)計(jì)組織和性能的先決條件，也是當(dāng)前激光快速成形領(lǐng)域所面臨的一項(xiàng)重要技術(shù)挑戰(zhàn)。激光快速成形過(guò)程中包含著復(fù)雜的相互作用，其中典型物理現(xiàn)象是激光與沉積材料相互作用所產(chǎn)生的等離子體。等離子體在時(shí)間和空間上的演化可分成等離子體形成、自由電子與離子重新復(fù)合和原子馳豫三個(gè)瞬態(tài)階段。高能激光束作用于沉積材料，首先通過(guò)“多光子吸收”電離出少量的“誘發(fā)”電子，電子在激光電場(chǎng)的加速作用下與其他原子碰撞，發(fā)生雪崩電離，最終形成高溫高壓等離子體。等離子體形成初期，韌致輻射和復(fù)合輻射占主體，表現(xiàn)為強(qiáng)連續(xù)背景譜。而后各種元素的原子和離子開始輻射出相應(yīng)的特征譜線，這些譜線疊加在連續(xù)背景輻射上。隨著等離子體逐漸膨脹和冷卻，連續(xù)背景輻射迅速衰減，各種元素的原子譜線和離子譜線變得越來(lái)越窄，越來(lái)越弱，但信號(hào)與背景的強(qiáng)度比值逐漸得到改善。最后原子光譜和離子光譜緩慢衰減，來(lái)自單分子的元素譜線開始出現(xiàn)。由于譜線信號(hào)強(qiáng)度與元素的含量具有一定的量化關(guān)系，因此通過(guò)分析譜線的強(qiáng)度即可實(shí)現(xiàn)元素定量分析。
 
      激光快速成形獨(dú)特的工藝過(guò)程使其光譜分析有著自身的特點(diǎn)，這主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是激光快速成形多采用連續(xù)波激光束，其能量密度相對(duì)較低，等離子體連續(xù)輻射背景較弱，譜線的輪廓清晰，空間分辨率高，無(wú)需帶門控探測(cè)器進(jìn)行延遲測(cè)量；二是激光快速成形過(guò)程中始終伴隨著等離子體的產(chǎn)生，因此，通過(guò)光學(xué)采集系統(tǒng)和光譜儀對(duì)等離子體發(fā)射譜線的連續(xù)采集和時(shí)空分辨，處理器對(duì)元素譜線強(qiáng)度與定標(biāo)曲線的實(shí)時(shí)對(duì)比，并通過(guò)反饋信號(hào)控制各料筒的送粉量，以此可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)激光快速成形過(guò)程中合金成分的定量分析與控制。圖3為激光快速成形過(guò)程中等離子體光譜測(cè)量示意圖。圖4所示為激光快速成形Ti-Fe合金等離子體發(fā)射譜線強(qiáng)度與成分之間關(guān)系曲線。

圖3 激光快速成形過(guò)程中等離子體光譜測(cè)量示意圖

圖4 鈦鐵等離子發(fā)射譜線強(qiáng)度比-鈦鐵重量比關(guān)系曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

      激光快速成形技術(shù)要進(jìn)入大規(guī)模工程應(yīng)用，必須對(duì)成形過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并根據(jù)反饋結(jié)果對(duì)工藝參數(shù)不斷加以修正，形成激光快速成形的閉環(huán)控制，以確保成形過(guò)程的穩(wěn)定性與結(jié)果的可靠性，從而實(shí)現(xiàn)激光快速精密成形及成形過(guò)程的智能化。為此，今后激光快速成形閉環(huán)控制系統(tǒng)研究的工作重點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

      1) 激光快速成形過(guò)程受很多因素的影響，且諸因素間存在著復(fù)雜的耦合相互作用。因此，系統(tǒng)研究諸因素對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律，深入探討因素間耦合作用內(nèi)在機(jī)制，對(duì)激光快速成形過(guò)程中閉環(huán)控制具有重要的理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)作用；

      2) 將材料成分設(shè)計(jì)和CAD設(shè)計(jì)相融合，利用激光快速成形過(guò)程中發(fā)生的典型物理現(xiàn)象發(fā)展新的檢測(cè)技術(shù)，并通過(guò)過(guò)程參量信號(hào)反饋控制特定工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)成形構(gòu)件微觀組織閉環(huán)控制；

      3) 采用先進(jìn)的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)激光快速成形過(guò)程中多因素的實(shí)時(shí)控制，以提高成形過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性。

王存山 大連理工大學(xué)三束材料改性實(shí)驗(yàn)室

轉(zhuǎn)自《光電產(chǎn)品與咨詢》(http://www.opticsjournal.net/) 和《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》