激光熔覆熔池檢測(cè)控制技術(shù)的研究進(jìn)展

陳殿炳，鄧琦林

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

激光熔覆熔池檢測(cè)控制技術(shù)的研究進(jìn)展

陳殿炳，鄧琦林

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

激光熔覆是近年來(lái)蓬勃發(fā)展的新型制造技術(shù)，很多研究試圖從激光熔池的檢測(cè)入手來(lái)提高激光熔覆工藝的自動(dòng)化程度，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。針對(duì)同步送粉激光熔覆工藝中熔池檢測(cè)控制技術(shù)近年來(lái)的研究狀況進(jìn)行了綜述。首先介紹了各種類型的檢測(cè)設(shè)備及其安裝方法；其次介紹了熔覆工藝參數(shù)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響及熔池檢測(cè)信號(hào)同熔覆質(zhì)量之間的關(guān)系；然后介紹了基于熔池檢測(cè)技術(shù)的激光熔覆閉環(huán)控制系統(tǒng)；最后認(rèn)為目前的熔池檢測(cè)控制研究中，熔池中的有效信息還可進(jìn)一步挖掘，以提高熔覆質(zhì)量、自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率。

激光熔覆；熔池檢測(cè)；閉環(huán)控制

激光熔覆技術(shù)是利用高能激光將涂層材料與基體表面薄層輻照熔化，凝固后，使基體表面和粉末材料達(dá)到冶金結(jié)合的一種特種加工技術(shù)。激光熔覆主要用于涂層加工、堆積成形、零件修復(fù)，廣泛應(yīng)用于汽車、航天、國(guó)防等工業(yè)領(lǐng)域。

目前，保證熔覆質(zhì)量主要還是靠先期的工藝試驗(yàn)和工人經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)加工要求設(shè)計(jì)工藝試驗(yàn)來(lái)獲得較優(yōu)的工藝參數(shù)，然后利用該參數(shù)對(duì)零件進(jìn)行加工。但由于工藝試驗(yàn)時(shí)所采用的試樣與實(shí)際加工時(shí)的零件形狀、尺寸、材料等屬性不可能完全一致，試驗(yàn)時(shí)獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)很難保證就是零件實(shí)際加工時(shí)的最優(yōu)工藝參數(shù)。且激光熔覆對(duì)環(huán)境因素變化較敏感，需要工人全程監(jiān)控、根據(jù)情況及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)以保證加工質(zhì)量。激光熔池是熔帶形成的基礎(chǔ)。在實(shí)際生產(chǎn)中，有經(jīng)驗(yàn)的工人主要通過(guò)觀察熔池的大小、形狀、顏色、亮度及流動(dòng)狀態(tài)來(lái)調(diào)整熔覆時(shí)的工藝參數(shù)。熔覆時(shí)形成的熔池確實(shí)包含了大量可預(yù)測(cè)熔覆帶質(zhì)量的信息，如激光熔池的寬度直接形成了熔覆帶的寬度，高度則形成了熔覆層的厚度，熔池的溫度場(chǎng)也是熔覆質(zhì)量的一個(gè)重要參考。因此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)激光熔覆熔池檢測(cè)控制技術(shù)做了大量的研究，希望通過(guò)熔池檢測(cè)來(lái)進(jìn)一步提高熔覆質(zhì)量和自動(dòng)化程度。

1 激光熔覆熔池檢測(cè)方式

1.1 檢測(cè)裝置的安裝方式

熔池檢測(cè)傳感器的安裝方式主要有同軸和側(cè)軸兩種。其主要區(qū)別是：同軸信號(hào)采集裝置在激光光路中增加安裝一個(gè)半反射鏡，可使幾乎所有的激光通過(guò)、而將大部分熔池發(fā)出的光線反射出來(lái)，或反之使幾乎所有的激光反射、而將大部分熔池發(fā)出的光線透射出來(lái)；側(cè)軸安裝則是將傳感器與激光光路中心軸呈一定角度安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不影響原有激光光路，但其視野和檢測(cè)精度不如同軸安裝。同軸安裝的傳感器獲得的信號(hào)誤差小，且檢測(cè)過(guò)程不受光斑掃描方向的影響，故在條件允許的情況下，盡量采用同軸安裝方式。圖1所示的光電二極管屬于側(cè)軸安裝；圖2所示的高溫計(jì)屬于同軸安裝，激光光路中安裝了半反射鏡。

圖1 熔池溫度檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 熔池溫度檢測(cè)及控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 熔池溫度信號(hào)檢測(cè)

20 世紀(jì)80年代末，研究人員針對(duì)側(cè)向送粉激光熔覆的熔池進(jìn)行了檢測(cè)，采用側(cè)向安裝的單個(gè)光電二極管將整個(gè)熔池的輻射光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)熔池[1]；為避免周圍環(huán)境的影響，采用遮光罩使二極管朝向熔池（圖1）。也有國(guó)內(nèi)學(xué)者采用側(cè)裝的雙色波長(zhǎng)紅外測(cè)溫計(jì)，對(duì)側(cè)向送粉整個(gè)熔池的溫度進(jìn)行了檢測(cè)[2]。Salehi等建立了一套側(cè)向送粉熔池溫度采集系統(tǒng)（圖2），采用一個(gè)同軸安裝的、測(cè)量范圍為800～2500℃的高溫計(jì)對(duì)熔池中心部位直徑為2 mm的區(qū)域進(jìn)行采樣測(cè)溫[3]。Tang等利用側(cè)裝的溫度傳感器對(duì)熔池的溫度進(jìn)行了檢測(cè)，采集范圍是在熔池中心附近直徑約3 mm的區(qū)域[4]。

1.3 熔池圖像或溫度場(chǎng)檢測(cè)

雷劍波研究開發(fā)了側(cè)裝CCD熔池測(cè)溫系統(tǒng)（圖3），利用CCD獲得同軸送粉熔池的熱輻射圖像，根據(jù)黑體輻射定律比色溫法，采用單個(gè)彩色攝像機(jī)，利用綠、藍(lán)（分別為535、470 nm）兩個(gè)波長(zhǎng)通道的熱輻射強(qiáng)度信號(hào)計(jì)算得到熔池溫度場(chǎng)的分布[5]。王宇寧采用兩臺(tái)攝像機(jī)擇優(yōu)選取了850、940 nm的兩種波長(zhǎng)，采用比色測(cè)溫法檢測(cè)熔池的溫度場(chǎng)[6]。肖軍艷、楊柳杉等利用側(cè)向安裝的CCD攝像機(jī)拍攝熔池，以獲得熔池的長(zhǎng)度、寬度和面積等幾何尺寸[7-8]。Hu Dongming等用同軸安裝的紅外攝像機(jī)對(duì)同軸送粉的熔池進(jìn)行拍攝（圖4），獲得了熔池的面積[9-10]。Doubenskaia等在TiAl6V4零件修復(fù)過(guò)程中，利用黑體標(biāo)定過(guò)的紅外攝像機(jī)將熔池的輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為亮溫，對(duì)熔池溫度場(chǎng)進(jìn)行了檢測(cè)，采集的熔池圖像見圖5[11]。

圖3 激光熔覆溫度場(chǎng)檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 熔池面積檢測(cè)及控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 熔池紅外圖像

1.4 多個(gè)傳感器結(jié)合對(duì)熔池進(jìn)行檢測(cè)

Bi等同時(shí)采用Ge光電二極管同軸安裝、TCS溫度計(jì)側(cè)裝、CCD相機(jī)同軸安裝3種傳感器相互結(jié)合的方式來(lái)檢測(cè)熔池溫度和面積（圖6），并對(duì)不同傳感器檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行了比較，以提高檢測(cè)精度[12]。Pavlov等采用與激光熔覆熔池以一定角度安裝的多波長(zhǎng)溫度計(jì)和紅外攝像頭，分別檢測(cè)了熔池中心處和熔池兩條互相垂直的中心線上的溫度分布情況[13]。Smurov等在此基礎(chǔ)上又增加了二維單色測(cè)溫計(jì)，進(jìn)一步提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性[14]。Asselin等用3個(gè)互成120°的攝像機(jī)對(duì)熔池進(jìn)行拍攝，實(shí)現(xiàn)了熔覆帶高度、寬度和凝固速率的實(shí)時(shí)檢測(cè)[15]。Fox等利用兩組光電二極管對(duì)同軸送粉熔池的溫度進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)激光束焦點(diǎn)高度實(shí)施了檢測(cè)控制（圖7）[16]。

圖6 熔池溫度及面積檢測(cè)裝置圖

圖7 熔池溫度和激光焦點(diǎn)位置檢測(cè)控制示意圖

2 工藝參數(shù)對(duì)熔池檢測(cè)信號(hào)和熔覆質(zhì)量的影響

2.1 激光功率對(duì)熔池檢測(cè)信號(hào)和熔覆質(zhì)量的影響

雷劍波在側(cè)向送粉試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率逐漸增加，熔池面積隨之增大；當(dāng)功率達(dá)到一定程度時(shí)，熔池圖像更明亮，但熔池面積不再增加[5]。同時(shí)，隨著功率增大，熔覆質(zhì)量逐漸變好，粉末利用率較高；當(dāng)功率增大到一定程度時(shí)，熔覆帶寬度越來(lái)越大，高度逐漸降低，稀釋率增大，熔池出現(xiàn)了飛濺現(xiàn)象，粉末發(fā)生燒損。楊柳杉在球墨鑄鐵上熔覆單道鐵基粉末時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的增加，熔池面積、寬度、長(zhǎng)度都隨之增大[8]；但其試驗(yàn)過(guò)程中并未出現(xiàn)當(dāng)功率超過(guò)一定值后熔池面積穩(wěn)定的狀況，究其原因可能是未達(dá)到足夠的激光功率。Bi等的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率增加時(shí)，熔池的溫度和亮度都是逐漸增大的，溫度上升的速率隨著激光功率的增加而減小[12]，熔覆帶的寬度和熱影響區(qū)、熔池的直徑隨激光功率的變化情況都非常類似于溫度信號(hào)變化趨勢(shì)（圖8）。在激光功率很大的情況下，進(jìn)一步增加功率，測(cè)溫信號(hào)的增加并不顯著，主要是由于當(dāng)稀釋率增加到一定程度時(shí)，熔覆過(guò)程就變成了合金化，大量的熱經(jīng)基體傳出了熔池。

圖8 熔池溫度和面積信號(hào)及熔覆帶幾何形狀隨激光功率的變化情況

2.2 掃描速度對(duì)熔池檢測(cè)信號(hào)和熔覆質(zhì)量的影響

雷劍波在同軸送粉變掃描速度試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，掃描速度越快，熔池的熱輻射圖像面積越小[5]；掃描速度增加到一定程度后，造成了激光能量的不足，金屬粉末熔化不充分，熔覆帶出現(xiàn)了顆粒狀，熔覆質(zhì)量較差；而低速掃描的熔覆帶表面平整，質(zhì)量較好；但掃描速度對(duì)熔覆帶寬度的影響不是很明顯。楊柳杉的試驗(yàn)結(jié)果表明，熔池面積隨著掃描速度的增加而減小，這與雷劍波得到的結(jié)果相同[8]。Bi等在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，保持送粉率和掃描速度比不變的情況下，當(dāng)掃描速度逐漸增加時(shí)，熔池溫度有緩慢的降低趨勢(shì)，熔覆帶寬度和熔池直徑也逐漸減小，而熔覆高度則幾乎無(wú)變化[12]。Smurov等的試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著掃描速度的增大，熔池溫度逐漸降低（圖9）[14]。

圖9 掃描速度對(duì)熔池溫度的影響

2.3 送粉率對(duì)熔池檢測(cè)信號(hào)和熔覆質(zhì)量的影響

楊柳杉的研究表明，熔池面積隨著送粉率的增加而增大（圖10）[8]。Bi也研究了送粉率逐漸增加時(shí)的情況：①開始時(shí)，溫度計(jì)測(cè)溫值逐漸增加，然后基本保持穩(wěn)定，之后就逐漸降低[12]；光電管測(cè)溫值則是先逐漸增加，之后基本保持穩(wěn)定；②熔覆帶高度在送粉率較小時(shí)，隨著送粉率的增加而迅速增大，寬度則緩慢增大；然后，雖然送粉率繼續(xù)增加，但高度和寬度基本保持不變，熔池直徑也基本不變。Tan的研究結(jié)果為熔池溫度隨著送粉率的增大而降低[2]。

圖10 熔池面積隨送粉率的變化情況

3 基于熔池檢測(cè)的熔覆質(zhì)量控制

隨著熔覆過(guò)程的進(jìn)行，熱量會(huì)逐漸積累，基體的溫度會(huì)越來(lái)越高?；w溫度的變化會(huì)影響熔覆帶的熱影響區(qū)、稀釋率等。同時(shí)，熔覆質(zhì)量對(duì)工藝參數(shù)、環(huán)境因素較敏感。為了獲得穩(wěn)定的熔覆質(zhì)量，很多學(xué)者在基于熔池檢測(cè)的熔覆過(guò)程控制方面做了大量研究。

3.1 基于溫度檢測(cè)信號(hào)的控制

Salehi通過(guò)控制整個(gè)熔池的溫度來(lái)控制熔覆質(zhì)量。首先利用比色溫度計(jì)對(duì)熔池表面進(jìn)行測(cè)溫，然后利用該溫度信號(hào)控制激光的功率[3]。同一掃描速度和送粉率情況下，有無(wú)溫度控制的對(duì)比效果見圖11、圖12。無(wú)溫度控制時(shí)（圖11），測(cè)量的溫度曲線波動(dòng)較大，隨著熔池溫度的逐漸增加，熱影響區(qū)逐漸增大，稀釋率也隨之增大。而引入溫度控制后（圖12），熔池溫度信號(hào)變得平穩(wěn)，熔覆帶熱影響區(qū)和稀釋率也都得到了合理控制。

圖11 無(wú)溫度控制時(shí)的熔池溫度信號(hào)及熔覆層形貌

圖12 有溫度控制時(shí)的熔池溫度信號(hào)及熔覆層形貌

3.2 基于熔池面積的控制

Hu等利用紅外圖像采集系統(tǒng)獲得了熔池的圖像，并通過(guò)計(jì)算熔池的面積來(lái)控制激光功率[9-10]。試驗(yàn)采用在低碳鋼基體上、以來(lái)回多層堆疊的方式熔覆H13工具鋼粉末，通過(guò)開環(huán)、閉環(huán)兩種方式進(jìn)行熔覆對(duì)比。開環(huán)熔覆系統(tǒng)的熔池面積受熱傳導(dǎo)損失的熱量影響較大，進(jìn)而影響到了熔覆帶的幾何形狀。熔覆墻的根部比上部窄，且兩端突起（圖13）。引入控制后，隨著熔覆過(guò)程的進(jìn)行，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整激光功率，熔覆帶的幾何形狀保持了一致（圖14）。

圖13 開環(huán)多層熔覆帶幾何形狀

圖14 閉環(huán)多層熔覆帶幾何形狀

3.3 基于多種信號(hào)的檢測(cè)控制

Tang等利用溫度及位移傳感器對(duì)熔池溫度進(jìn)行檢測(cè)，并作為反饋信號(hào)來(lái)控制激光功率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫度控制[4，17]。試驗(yàn)研究了系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)的跟蹤情況，結(jié)果表明：熔覆試驗(yàn)時(shí)，熔池溫度對(duì)目標(biāo)溫度的跟蹤還是較理想的，但熔覆出來(lái)的熔覆帶幾何形狀在一些情況下卻很差。保持熔池溫度一致并不一定能保證穩(wěn)定的熔覆帶形貌。為了使熔覆在保證溫度的同時(shí)，獲得穩(wěn)定的熔覆帶形貌，又加入了熔覆帶高度控制。同時(shí)，利用高度和溫度信號(hào)來(lái)調(diào)整熔覆工藝參數(shù)。熔覆試驗(yàn)結(jié)果顯示，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)既保證了溫度的穩(wěn)定性，同時(shí)也獲得了穩(wěn)定的熔覆帶形貌。

Fox等采用溫度控制模塊和比色溫法檢測(cè)出了熔池溫度，然后將檢測(cè)的溫度信號(hào)反饋給激光器來(lái)調(diào)整激光束的功率；并利用高度控制模塊，通過(guò)檢測(cè)光束焦點(diǎn)的位置變化來(lái)控制激光斑的大小[16]。為檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的效果，在有意設(shè)置干擾的情況下，進(jìn)行無(wú)高度控制和有高度控制、無(wú)溫度控制和有溫度控制的試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果見圖15和圖16。加入控制后的熔覆成形墻的幾何形狀精度得到了明顯提升。

圖15 有、無(wú)焦點(diǎn)高度控制的熔覆效果對(duì)比圖

圖16 有、無(wú)溫度控制的熔覆效果對(duì)比圖

4 結(jié)論

（1）激光熔覆熔池檢測(cè)主要采用光電二極管、溫度計(jì)等點(diǎn)傳感器和攝像機(jī)，或二維溫度測(cè)溫計(jì)等面?zhèn)鞲衅鱽?lái)檢測(cè)整個(gè)熔池的平均溫度、熔池的溫度場(chǎng)及熔池的幾何形狀大小等信號(hào)。隨著技術(shù)的發(fā)展，攝像機(jī)逐漸成為研究熔池形貌的主要方法。

（2）稀釋率、表面粗糙度、幾何尺寸、熔覆層與基體的結(jié)合情況等熔覆質(zhì)量隨工藝參數(shù)的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律；溫度、面積、亮度等熔池檢測(cè)信號(hào)隨工藝參數(shù)的變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。這些規(guī)律可用于提高激光熔覆的自動(dòng)化程度。

（3）綜合利用熔池面積、溫度、激光焦點(diǎn)高度等熔池檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制熔覆加工過(guò)程，可顯著提高熔覆層的質(zhì)量。

（4）目前的熔池檢測(cè)研究中，熔池中的有效信息（如熔池內(nèi)部波動(dòng)情況、熔池深度等）還未得到充分挖掘，有待進(jìn)一步研究。利用這些信息可進(jìn)一步提高熔覆質(zhì)量和自動(dòng)化程度，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

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Research Progress of Molten Pool Measurement and Control Technology in Laser Cladding

Chen Dianbing，Deng Qilin
（Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Laser cladding is a new manufacturing technology booming in recent years.Many research have attempted to increase its level of automation and productivity by measuring the molten pool formed in the laser cladding with synchronous powder feeding.The research progress of the molten pool measurement and control technology in recent years is reviewed.Firstly，various types of measuring equipment and installation methods are introduced.Then the influences of the processing parameters on the molten pool measurement signals and the relationships between the quality of cladding layers and molten pool measurement signals are presented.And then several closed loop control systems based on molten pool measurement technology are discussed.Finally，based on the current molten pool measurement status，more useful information can still be further obtained to increase the degree of automation and improve productivity in laser cladding.

laser cladding；molten pool measurement；closed loop control

TG66

A

1009－279X（2014）05－0045-05

2014-05-25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275303）

陳殿炳，男，1989年生，碩士研究生。