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張屹宋立軍

湖南大學(xué)智能激光制造中心

激光3D增材制造是近年來研究的熱門技術(shù)，該新技術(shù)甚至被著名的《經(jīng)濟學(xué)人》雜志認(rèn)為將推動第三次工業(yè)革命。目前，激光制造材料已涵蓋不銹鋼、工具鋼、鈦合金、鎳基高溫合金等常用金屬材料，且從工藝技術(shù)發(fā)展的角度而言，激光制造總的發(fā)展趨勢是：從簡單零件低效成形到復(fù)雜零件高效制造；從快速原型到直接零件制造；從近凈成形到高精制造；從航空、醫(yī)療領(lǐng)域的高端應(yīng)用到機械、汽車領(lǐng)域的大眾應(yīng)用。智能制造與復(fù)合制造作為傳統(tǒng)激光制造的補充，很好地適應(yīng)了這一發(fā)展趨勢，其特點是可以實現(xiàn)大型復(fù)雜金屬零件的高效高精低成本制造。

激光制造過程中，因激光功率密度高，光致等離子體是伴隨小孔同時存在的不可避免的重要物理現(xiàn)象。激光加工過程中，會伴隨著聲、光、電等信號的產(chǎn)生，如在線質(zhì)量監(jiān)控激光焊接聲、光、電等信號如圖1所示。激光制造產(chǎn)生光致等離子體對加工過程中激光能量的傳遞與耦合、材料對激光能量的吸收以及小孔等特征的形成產(chǎn)生重要的影響。光致等離子體與激光束的相互作用主要有：等離子體對激光能量的吸收、等離子體的反沖力效應(yīng)、等離子體的熱效應(yīng)、等離子體對激光的反射和散射。檢測并分析加工過程中產(chǎn)生于激光與材料相互作用區(qū)的各種信號一直是在線監(jiān)測激光制造過程的重要手段。如采用監(jiān)測等離子體的聲、光及電場信號來判定激光制造過程中的加工質(zhì)量，再通過控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)補償有加工缺陷的區(qū)域，對加工過程進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)智能激光制造是一種切實可行的方法。

實時在線檢測采用的傳感器有超聲波傳感器、溫度場傳感器、電弧傳感器及視覺傳感器等，其中視覺傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計算機視覺和圖像處理的最新技術(shù)成果，大大增強了智能設(shè)備的外部適應(yīng)能力，其研究和發(fā)展最引人注目。激光制造過程的非穩(wěn)定性帶來的零件缺陷問題，通過對加工零件質(zhì)量進行在線檢測和智能控制成為智能制造應(yīng)用領(lǐng)域中重要的研究方向。圖2是湖南大學(xué)開發(fā)的基于輔助光源的激光焊接在線視覺監(jiān)控系統(tǒng)。利用該視覺檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)激光制造過程中的焊縫、小孔、熔池等實時圖像特征信息提取，實現(xiàn)熔寬、熔透、焊縫跟蹤的同步在線控制。同時輔以湖南大學(xué)開發(fā)的溫度、等離子體等特征監(jiān)控系統(tǒng)則可實現(xiàn)材料成分、顯微組織、制造缺陷的在線監(jiān)控，從而完成復(fù)雜零件低缺陷的智能激光增材制造。