胡國慶，管迎春，3*

1. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191 2. 北京航空航天大學(xué)合肥創(chuàng)新研究院，安徽 合肥 230012 3.大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100191

引 言

自1960年激光器誕生以來[1]，激光由于優(yōu)異的單色性、 方向性、 相干性和高功率密度特性而廣受關(guān)注。而隨著啁啾脈沖放大[2]和相干合束[3]等技術(shù)的發(fā)展，激光器功率密度、 種類和成本都得以極大優(yōu)化和提升，為激光加工等激光應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。尤其是自20世紀(jì)90年代以來，各類激光加工技術(shù)逐步應(yīng)用于航空航天、 醫(yī)療、 汽車和電子等領(lǐng)域，包括激光焊接[4-5]、 激光切割和鉆孔[6-7]、 激光打磨[8-9]、 激光清洗[10]、 微納結(jié)構(gòu)制備[11-12]和激光增材制造[13]等。然而，近年來，制造技術(shù)面臨產(chǎn)品精度和性能要求高、 產(chǎn)品迭代快和個(gè)性化程度高等挑戰(zhàn)，因而，激光加工的精度和效率提升以及智能化控制成為迫切需求[14]，相應(yīng)地激光加工在線監(jiān)測(cè)成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)。通過在線監(jiān)測(cè)加工過程和目標(biāo)特性，實(shí)時(shí)調(diào)控和優(yōu)化激光加工參數(shù)和加工過程，抑制和消除材料損傷和缺陷，提升激光加工效率和精度[15]。充分利用激光加工過程包含的物理本質(zhì)及其產(chǎn)生的信息是研究的關(guān)鍵。激光與物質(zhì)相互作用時(shí)可產(chǎn)生與加工參數(shù)、 加工過程和目標(biāo)特性直接相關(guān)的光、 聲和溫度等多種信號(hào)[16]，比如，與化學(xué)成分對(duì)應(yīng)的等離子體信號(hào)[17]、 激光與高非線性材料作用時(shí)產(chǎn)生的無損傷諧波信號(hào)[18]與激光輻照特定材料激發(fā)的熒光和拉曼信號(hào)[19-20]等光信號(hào)，以及表面粗糙度、 化學(xué)成分和材料損傷等引起的反射光信號(hào)[19, 21-24]，光照射時(shí)區(qū)域結(jié)構(gòu)和體積變化引起的聲波信號(hào)[25-27]以及熱效應(yīng)對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)[28]等。上述信號(hào)產(chǎn)生和變化及其與加工過程和目標(biāo)特性的映射關(guān)系為在線監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)際上，激光加工技術(shù)推廣應(yīng)用同時(shí)，在線監(jiān)測(cè)幾乎同步被提出。1995年，Akira等提出利用激光散斑圖像測(cè)量的方法監(jiān)測(cè)激光加工過程中的材料損傷[29]。Lu等從聲信號(hào)監(jiān)測(cè)[30]，Schanwald等從熱輻射信號(hào)監(jiān)測(cè)[31]等角度提出了激光加工在線監(jiān)測(cè)方法。相較而言，光譜測(cè)量具有信息豐富等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，基于等離子體、 反射光和非線性光信號(hào)等的光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)廣受關(guān)注。1998年，Cabalín等給出了等離子體產(chǎn)生閾值，為激光加工等離子體監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)[32]。隨后，Connolly等開始將等離子體光譜監(jiān)測(cè)應(yīng)用于激光焊接[33]。2002年，Hong等進(jìn)一步研究了不同腔壓下的等離子體長(zhǎng)度，明確了不同激光功率密度下的等離子體產(chǎn)生閾值和強(qiáng)度變化，提出了包括等離子光譜成分分析在內(nèi)的激光加工在線監(jiān)測(cè)方法[34]。在成分分析之外，2006年，Deng等提出元素特征譜線功率密度以及等離子體溫度和形狀等與激光加工熱效應(yīng)相關(guān)物理過程直接相關(guān)，可用于熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)[35]。2013年，Diego等提出基于發(fā)射等離子體光譜特征譜線功率密度來進(jìn)行聚焦調(diào)節(jié)的方法[36]。以上述研究為基礎(chǔ)，等離子體光譜監(jiān)測(cè)開始廣泛應(yīng)用。同時(shí)，反射光光譜監(jiān)測(cè)同樣是一種常見在線監(jiān)測(cè)手段。1997年，Dietz等首先提出p型偏振反射光光譜測(cè)量的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[37]，2000年，Lee等實(shí)現(xiàn)了基于光譜特征變化的紙、 大理石和金屬激光清洗程度、 色度和基體損傷監(jiān)測(cè)方法[22-23]。2008年，Semmar等則進(jìn)一步提出時(shí)間分辨反射光光譜測(cè)量的方法來監(jiān)測(cè)物相狀態(tài)變化[38]。2019年，Moretti等利用反射型傅里葉變換紅外光譜監(jiān)測(cè)分子性質(zhì)和表面化學(xué)成分[19]。2017年，Allen等提出了拉曼光信號(hào)光譜監(jiān)測(cè)的方法，給出一種基于非線性光信號(hào)光譜測(cè)量的新在線監(jiān)測(cè)方法，并逐步引起關(guān)注[20]。

綜上所述，圍繞激光加工的應(yīng)用需求，基于加工時(shí)的光信號(hào)產(chǎn)生和變化以及光譜測(cè)量原理和技術(shù)進(jìn)行激光加工在線監(jiān)測(cè)廣受關(guān)注。本文從激光加工過程中光信號(hào)產(chǎn)生和變化的機(jī)理出發(fā)，詳細(xì)闡述了等離子體、 反射光和非線性光等光信號(hào)光譜測(cè)量在激光加工在線監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用原理和進(jìn)展，總結(jié)了不同光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析未來的發(fā)展趨勢(shì)，就多種光信號(hào)光譜的協(xié)同監(jiān)測(cè)，光、 聲、 溫度及圖像等多種信號(hào)測(cè)量的復(fù)合監(jiān)測(cè)以及結(jié)合人工智能在線監(jiān)測(cè)的智能激光加工等進(jìn)行了展望。

1 基于光譜測(cè)量的激光加工在線監(jiān)測(cè)

激光輻照物質(zhì)表面時(shí)可引起等離子體、 反射光和非線性光等各類光信號(hào)的產(chǎn)生和變化，且光信號(hào)特征與激光加工過程和目標(biāo)特性相對(duì)應(yīng)。通過采用與加工光路共軸的光路或者側(cè)向耦合光路收集光信號(hào)，并利用光譜學(xué)測(cè)量裝置和系統(tǒng)進(jìn)行光譜測(cè)量和分析，可實(shí)現(xiàn)各類激光加工工藝的加工過程和目標(biāo)特性監(jiān)測(cè)，構(gòu)建閉環(huán)反饋控制回路，實(shí)時(shí)優(yōu)化激光加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效高精激光加工。

1.1 基于等離子體光譜測(cè)量的激光加工在線監(jiān)測(cè)

激光能量密度一旦大于材料的燒蝕閾值，被激光輻照的表面物質(zhì)會(huì)逐步剝離并伴隨大量等離子體產(chǎn)生，如圖1(a)和(b)所示，納秒和飛秒激光燒蝕時(shí)可產(chǎn)生可見光波段等離子體光信號(hào)，且發(fā)射時(shí)間尺度在ns量級(jí)以上； 具有相似激光功率密度的納秒和飛秒激光輻照材料表面的誘發(fā)等離子體羽輝截面分別呈圓形和橢圓空間分布[39]。通過測(cè)量和分析等離子體光譜，可實(shí)現(xiàn)化學(xué)成分[40]、 焦距[17, 36]、 熱效應(yīng)相關(guān)物理過程[35, 41]等的在線監(jiān)測(cè)。

圖1 (a)納秒和飛秒激光燒蝕時(shí)可見光波段等離子體的大致發(fā)射時(shí)間尺度，(b)具有相似功率密度的納秒和飛秒激光輻照表面時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生等離子體羽輝圖像[39]

由于組成原子、 離子和分子激發(fā)光譜譜線位置和強(qiáng)度與元素種類和含量相關(guān)，通過譜線位置、 強(qiáng)度和強(qiáng)度比測(cè)量可準(zhǔn)確測(cè)定元素種類和含量[42-43]，因而，如圖2所示，結(jié)合坐標(biāo)位置和掃描加工方式可實(shí)現(xiàn)加工樣品元素種類和成分的縱向和橫向分布測(cè)量以及三維成像等[40]。Vadillo等結(jié)合掃描加工和位置與等離子體光譜測(cè)得鎂和鍶元素的表面分布[44]，Margetic等結(jié)合位置標(biāo)定和等離子體光譜精確測(cè)量了多層材料深度方向的成分分布[45]，Romero等進(jìn)一步結(jié)合橫向和縱向分布測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋁元素三維成分分布測(cè)量[46]。自90年代激光加工逐步普及以來，等離子體光譜監(jiān)測(cè)成為激光加工過程中化學(xué)成分監(jiān)測(cè)最常用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)之一[16, 32]。

圖2 基于空間坐標(biāo)和激光誘導(dǎo)等離子體光譜的多維度化學(xué)成分信息測(cè)量示意圖[40]

2006年，Deng等提出基于等離子體溫度和電子密度等評(píng)估飛秒激光加工熱效應(yīng)的方法[35]。2012年，Kong等利用等離子體溫度評(píng)估高強(qiáng)度鋼搭焊過程中的熱效應(yīng)，包括熱影響區(qū)和裂紋等，進(jìn)而優(yōu)化焊接工藝[41]。在定性評(píng)估基礎(chǔ)上，2012年，Sibillano等進(jìn)一步將電子溫度和激光搭焊穿透深度聯(lián)系起來，構(gòu)建如圖3(a)所示的光譜測(cè)量裝置，將測(cè)得的同

圖3 (a)基于等離子體光譜測(cè)量的激光焊接在線監(jiān)測(cè)和加工裝置圖，(b)焊接速度為50 mm·s-1時(shí)，穿透深度與Fe(Ⅰ)電子溫度的映射關(guān)系圖，(c)以電子溫度為輸入信號(hào)的閉環(huán)反饋控制示意圖[47]； (d)激光焊接的等離子體光譜監(jiān)測(cè)裝置圖，(e)無量綱熔融區(qū)微硬度與無量綱能量密度和(f)無量綱譜線能量密度與無量綱能量密度的映射關(guān)系[48]

一元素兩個(gè)特征譜線代入式(1)，計(jì)算搭焊過程中的電子溫度，揭示了如圖3(b)所示的焊接速度為50 mm·s-1時(shí)，穿透深度與Fe(Ⅰ)電子溫度的近似線性映射關(guān)系，進(jìn)而以電子溫度為輸入信號(hào)，構(gòu)建了如圖3(c)所示的閉環(huán)反饋控制回路，實(shí)時(shí)優(yōu)化加工參數(shù)[47]。2020年，Wang等構(gòu)建了如圖3(d)所示的等離子體光譜測(cè)量裝置，同樣基于特征譜線計(jì)算，揭示了無量綱熔融區(qū)微硬度和無量綱能量密度以及無量綱譜線能量密度和無量綱能量密度的線性映射關(guān)系，如圖3(e)和(f)所示[48]。

Te=(E1-E2)/kln(I1λ1A2g2/I2λ2A1g1)

(1)

其中，Ii，λi，gi，Ai和Ei分別代表同一元素兩個(gè)特征譜線的強(qiáng)度、 波長(zhǎng)、 統(tǒng)計(jì)權(quán)重、 傳輸概率和激發(fā)態(tài)能量。Te為電子溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)。

除了上述化學(xué)成分和熱效應(yīng)監(jiān)測(cè)外，已有基于等離子體屏蔽效應(yīng)等對(duì)光譜特征譜線信號(hào)的作用規(guī)律實(shí)現(xiàn)激光加工實(shí)時(shí)調(diào)焦的報(bào)道[17, 36]。2013年，Diego-Vallejo等構(gòu)建了如圖4(a)所示的加工與測(cè)量光路共軸的激光加工和監(jiān)測(cè)裝置，基于等離子體強(qiáng)度變化規(guī)律，首次提出基于特征譜線強(qiáng)度來進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)焦的方法。如圖4(b)所示，在嚴(yán)格聚焦時(shí)，受等離子體屏蔽和噴射物影響，材料表面吸收激光能量和燒蝕效率會(huì)略有下降，出現(xiàn)局部最小值。繼續(xù)偏離聚焦位置時(shí)，等離子體屏蔽減弱，特征譜線強(qiáng)度上升。如圖4(c)所示，該方法

圖4 (a)基于單脈沖激光誘導(dǎo)等離子體光譜監(jiān)測(cè)的激光加工裝置及(b)基于發(fā)射強(qiáng)度檢測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)焦的原理示意圖，(c)在AlN、 鋼鐵、 鈉鈣玻璃和1737玻璃上激光劃線時(shí)，不同透鏡和樣品間距下的等離子體特征譜線強(qiáng)度變化[36]； (d)基于多脈沖激光誘導(dǎo)等離子體光譜監(jiān)測(cè)的激光加工裝置，(e)單脈沖和多脈沖激光加工時(shí)激發(fā)的等離子體信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比[17]

已對(duì)AlN、 鋼鐵、 鈉鈣玻璃和1737玻璃進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[36]。2018年，Christoph等提出了雙脈沖等離子體光譜測(cè)量方法，提高等離子體溫度和調(diào)控等離子體產(chǎn)生和演變同時(shí)，提升監(jiān)測(cè)信號(hào)信噪比、 準(zhǔn)確度、 強(qiáng)度和檢測(cè)限[49]。2019年，Skruibis等更進(jìn)一步提出基于多個(gè)脈沖組成脈沖串的激光加工和在線監(jiān)測(cè)方式，基于如圖4(d)所示的光學(xué)延遲裝置，調(diào)整和優(yōu)化脈沖時(shí)延，顯著提升激發(fā)信號(hào)強(qiáng)度，如圖4(e)所示。進(jìn)而，以Na Ⅰ 589 nm特征譜線強(qiáng)度最強(qiáng)為聚焦判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了干燥和水環(huán)境下鈉鈣玻璃加工的實(shí)時(shí)調(diào)焦驗(yàn)證[17]。

因而，通過等離子體光信號(hào)光譜測(cè)量和分析，計(jì)算包括特征譜線波長(zhǎng)和功率以及特征譜線間的強(qiáng)度比例等參數(shù)，可獲得激光加工過程中的化學(xué)成分、 焦距和熱效應(yīng)等定性和定量信息，展現(xiàn)了廣泛的適應(yīng)性和較高的測(cè)量精度，成為應(yīng)用最廣泛的光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)之一。然而，等離子體光譜測(cè)量的系統(tǒng)搭建和調(diào)試較為復(fù)雜、 工作距離短、 使用和維護(hù)成本較高，故盡管在科學(xué)研究和激光加工實(shí)驗(yàn)中已有驗(yàn)證，包括激光增材制造[50-51]、 激光切割[52]、 激光清洗[53]、 激光鉆孔[54]、 激光劃線[55]、 激光微結(jié)構(gòu)加工[17]和激光焊接[33, 56]等，但在大規(guī)模和大范圍的工業(yè)應(yīng)用上仍亟需進(jìn)行光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在工作距離、 調(diào)試維護(hù)和反饋控制等方面需進(jìn)一步優(yōu)化和匹配，滿足生產(chǎn)線上高效率、 高精度和大范圍的應(yīng)用需求。

1.2 基于反射光信號(hào)測(cè)量的激光加工在線監(jiān)測(cè)

反射光譜測(cè)量主要是基于表面反射光的光譜特征與表面清洗程度，基體損傷以及表面色度等的映射關(guān)系，具有快速、 簡(jiǎn)單、 不受環(huán)境干擾和工作距離相對(duì)較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為激光加工光譜監(jiān)測(cè)的最基本測(cè)量手段之一[19, 21-24]。2000年，Lee等提出基于光譜特征測(cè)量的紙、 大理石和金屬激光清洗監(jiān)測(cè)方法[22-23]。如圖5(a)所示，以鹵鎢燈為多色光源，并采用探測(cè)器陣列測(cè)量反射光色度響應(yīng)。如圖5(b)所示，色度隨脈沖數(shù)增加而變化，并在主波長(zhǎng)-激發(fā)純度圓坐標(biāo)平面體系中呈現(xiàn)如圖5(c)所示的顯著變化，污染表面、 清潔表面和損傷表面具有如圖5(d)和(e)所示的特征值，所述清潔表面和損傷表面如圖5(f)所示。

圖5 (a)用于激光清洗表面監(jiān)測(cè)和過程診斷的反射光光譜監(jiān)測(cè)裝置示意圖，(b)色度(x，y和z)隨輻照激光脈沖數(shù)變化的變化，在主要波長(zhǎng)-激發(fā)純度圓坐標(biāo)平面體系中，(c)輻照不同脈沖數(shù)下的特征值和(d)污染表面、 清潔表面和損傷表面的特征值，(e)在主要波長(zhǎng)和能級(jí)的X-Y平面坐標(biāo)系中的污染表面、 清潔表面和損傷表面的特征值，(f)清潔表面和損傷表面的顯微照片[23]

為簡(jiǎn)化光譜測(cè)量，2008年，Whitehead等則直接采用635 nm連續(xù)激光作為探測(cè)光源，以如圖6(a)所示的反射光功率測(cè)量裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用光電二極管直接測(cè)量激光清洗鈦合金過程中的反射光光譜積分功率變化來進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，同時(shí)，結(jié)合如圖6(b)所示的等離子體發(fā)射光譜測(cè)量，獲得如圖6(c)所示的不同功率密度和脈沖數(shù)情況下Ti64, Ti6246和IMI834的反射光功率變化曲線，并給出了氧化閾值和工藝窗口[57]。隨后，Marimuthu等以如圖6(e)所示的裝置進(jìn)行653 nm激光反射功率在線監(jiān)測(cè)，明確了如圖6(f)所示的在不同激光功率密度和脈沖數(shù)下反射功率變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了碳化鎢微工件上TiN涂層的精確去除[24]。

2008年，Semmar等進(jìn)一步提出時(shí)間分辨反射光光譜的監(jiān)測(cè)方法，以圖6(g)所示的He-Ne激光器作為光源，測(cè)得金屬鈦在不同功率密度激光輻照下的反射光時(shí)間分辨光譜，如圖6(h)所示，監(jiān)測(cè)到功率密度小于1 J·cm-2時(shí)的氣態(tài)和固態(tài)轉(zhuǎn)變以及功率密度大于1 J·cm-2時(shí)顯著的液態(tài)狀態(tài)[38]。此外，由于傅里葉變換紅外光譜是測(cè)量分子性質(zhì)和表面化學(xué)成分的有效手段，2019年，Moretti等提出基于反射型傅里葉變換紅外光譜的油畫激光清洗狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，如圖6(i)所示清潔表面和未清潔表面以及原始漆層和基底的光譜特征譜線和強(qiáng)度發(fā)生了如圖6(j)所示的顯著變化，顯示了在線監(jiān)測(cè)的可行性[19]。

因而，以可見到紅外波段特定光源為反射光源，測(cè)量激光加工過程中的反射光信號(hào)變化，以光譜成分、 光譜積分功率和特征譜線位置和強(qiáng)度等目標(biāo)參數(shù)作為反饋信號(hào)，反饋控制激光加工過程，尤其適用于激光精準(zhǔn)清洗和去除等[19, 21-24]。反射光光譜監(jiān)測(cè)展現(xiàn)了簡(jiǎn)單、 快速、 不受環(huán)境干擾、 無損傷和工作距離較遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)，但其前提是表面具有顯著的光學(xué)特性變化，限制了其應(yīng)用場(chǎng)景，且加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)和物相判斷的精度有限。為監(jiān)測(cè)更多信息，常結(jié)合等離子體光譜[24, 57]、 光學(xué)相干成像和熒光光譜[19]等手段，獲得更全面的激光加工特性和過程信息。同時(shí)，由于反射光光譜測(cè)量要求特定光源，故特定情形下所需特種波段光源會(huì)從成本上和技術(shù)上對(duì)反射光光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)的實(shí)用化有所限制，成為實(shí)用化的一個(gè)重要考慮因素。

圖6 用于鈦合金激光清洗的(a)反射光信號(hào)功率測(cè)量裝置和(b)等離子體光信號(hào)測(cè)量裝置，(c)不同功率密度和脈沖數(shù)下的反射光功率變化曲線和(d) 0.7 J·cm-2功率密度和大氣環(huán)境下Ti64的發(fā)射光譜[57]； (e)用于涂層去除在線監(jiān)測(cè)的He-Ne激光反射光信號(hào)功率測(cè)量系統(tǒng)裝置示意圖，(f)不同功率密度和每點(diǎn)脈沖數(shù)下的反射光功率變化曲線[24]； (g)基于時(shí)間分辨反射光譜測(cè)量的激光輻照材料表面物相變化監(jiān)測(cè)裝置，(h)金屬鈦在接近1 J·cm-2的不同功率密度激光輻照下的反射光時(shí)間分辨光譜[38]； (i)油畫清潔表面和未清潔表面的光相干成像圖片，(j)油畫清潔和未清潔表面以及原始漆層和基底的傅里葉變換紅外光譜[19]

1.3 基于非線性光信號(hào)光譜測(cè)量的激光加工在線監(jiān)測(cè)

由于熒光、 拉曼和諧波等非線性光信號(hào)產(chǎn)生和測(cè)量需要滿足特定的材料、 激光參數(shù)和測(cè)量裝置條件，且存在工作距離較短等問題，限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。盡管如此，特定條件下的非線性光信號(hào)光譜測(cè)量可在常見等離子體和反射光光譜測(cè)量外，提供一種額外的無損傷光譜監(jiān)測(cè)方法，可有效監(jiān)測(cè)激光加工過程中的加工狀態(tài)和損傷等，比如特定材料的激光清洗[19]和燒蝕[20]過程以及激光骨加工焦距變化和損傷狀態(tài)[58]等，因而，基于非線性光信號(hào)光譜的在線監(jiān)測(cè)開始受到關(guān)注。與此同時(shí)，與反射光光譜[19]、 等離子體光譜[19, 58]和透射電鏡[20]等其他測(cè)量方法和裝置結(jié)合，也成為一種新的趨勢(shì)，可以共同進(jìn)行加工參數(shù)和目標(biāo)特性的在線測(cè)量，實(shí)現(xiàn)成分和激光參數(shù)等信息的更全面監(jiān)測(cè)。

圖7 (a)激光清洗油畫時(shí)的熒光光譜測(cè)量對(duì)比結(jié)果[19]； (b)基于等離子體和二次諧波光信號(hào)光譜測(cè)量的飛秒激光骨加工裝置圖，(c)不同透鏡和樣品間距下的光譜變化[58]； (d)透射電鏡和拉曼光譜原位監(jiān)測(cè)裝置示意圖，(e)激光燒蝕MoS2前后的拉曼光譜圖[20]

2 激光加工過程激發(fā)信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 多種光信號(hào)光譜協(xié)同監(jiān)測(cè)的激光加工在線監(jiān)測(cè)

單種光信號(hào)的光譜測(cè)量獲得信息有限，而多種光信號(hào)光譜的協(xié)同測(cè)量可提供更全面的激光加工信息，且光路與測(cè)量和信息處理裝置等可部分或全部共用。在激光加工過程中，材料去除同時(shí)伴隨產(chǎn)生等離子體光信號(hào)[39]，且表面光學(xué)特性變化時(shí)會(huì)引起反射光信號(hào)光譜變化[19, 21-24]，在特定條件下還可產(chǎn)生非線性光信號(hào)[19-20, 58]，故通過多種光信號(hào)光譜的協(xié)同監(jiān)測(cè)，可從不同信息源獲取信息。例如，如圖7(c)所示，Song等在飛秒激光骨加工中，基于等離子體光信號(hào)和二次諧波光信號(hào)的協(xié)同監(jiān)測(cè)，給出了二次諧波和等離子體光信號(hào)比例變化實(shí)時(shí)調(diào)焦和損傷判斷的方法[58]。如圖6(i)和(j)以及圖7(a)所示，Moretti等利用反射型傅里葉變換紅外光譜測(cè)量不同激光參數(shù)下激光清洗表面特性變化的同時(shí)，采用熒光光譜測(cè)量目標(biāo)材料表面的分子性質(zhì)和表面化學(xué)成分，給出了紅外反射光和熒光信號(hào)光譜的協(xié)同監(jiān)測(cè)方案，為油畫清洗等對(duì)損傷要求極其嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景提供了一種精準(zhǔn)的在線監(jiān)測(cè)手段[19]。

2.2 基于多種信號(hào)復(fù)合監(jiān)測(cè)的新型監(jiān)測(cè)方法和機(jī)理

激光加工過程中除涉及光信號(hào)外，還涉及其他多種類型的信號(hào)，包括激光照射材料時(shí)區(qū)域結(jié)構(gòu)和體積變化引起的聲波和超聲波信號(hào)[25-27]和熱效應(yīng)對(duì)應(yīng)的溫度信號(hào)[28]等。此外，可進(jìn)行圖像監(jiān)測(cè)直接觀察加工過程和效果[59]。每種信號(hào)測(cè)量都有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)，如聲信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間快，但易受環(huán)境噪聲干擾。溫度信號(hào)與熱效應(yīng)直接相關(guān)，可監(jiān)測(cè)溫度與溫度梯度和變化率等參數(shù)，尤其適用于和熱效應(yīng)密切相關(guān)的激光加工，但空間分辨率有限，測(cè)量溫度梯度和溫度變化率等需要紅外相機(jī)等，系統(tǒng)較為復(fù)雜。圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，精度高，但難以監(jiān)測(cè)高亮度情形，圖像采集和處理速度要求較高。因而，多種信號(hào)的復(fù)合監(jiān)測(cè)可取長(zhǎng)補(bǔ)短，受到廣泛關(guān)注。2002年，Hong等首先提出基于聲、 光和電信號(hào)的復(fù)合監(jiān)測(cè)來優(yōu)化激光燒蝕過程，如圖8(a)所示，采用麥克風(fēng)、 超快光電管、 金屬探針、 光譜儀和高速攝像頭同時(shí)測(cè)量聲、 光和電信號(hào)，并分別在激光燒蝕硅和W基底以及集成電路封裝表面去毛刺的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得如圖8(b)，(c)和(d)所示聲幅度、 電信號(hào)和光譜譜線強(qiáng)度的變化規(guī)律和映射關(guān)系[34]。Papanikolaou等提出MHz頻率范圍光聲和圖像信號(hào)的復(fù)合監(jiān)測(cè)方法，構(gòu)建了如圖8(e)所示的光和聲信號(hào)復(fù)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精準(zhǔn)燒蝕去除石制品硬殼，并給出如圖8(f)和(g)所示的前15個(gè)激光脈沖激光燒蝕后的聲信號(hào)和光學(xué)圖像變化[60]。Song等在實(shí)現(xiàn)基于如圖7(c)所示的光譜監(jiān)測(cè)同時(shí)，進(jìn)行如圖8(h)所示的熱成像監(jiān)測(cè)，明確激光骨加工過程中的溫度變化，通過溫度和光譜信號(hào)復(fù)合測(cè)量精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)骨加工損傷[58]。Wei等結(jié)合等離子體區(qū)域、 峰值頻率以及熔池長(zhǎng)度的復(fù)合監(jiān)測(cè)，建立激光搭焊過程中等離子體和熔池與縫隙的映射關(guān)系，監(jiān)測(cè)焊接縫隙缺陷[61]。

2.3 結(jié)合人工智能和在線監(jiān)測(cè)的智能激光加工

在線監(jiān)測(cè)本質(zhì)上是建立激光加工參數(shù)、 加工狀態(tài)、 監(jiān)測(cè)信號(hào)特征和加工效果之間的映射關(guān)系。建立映射關(guān)系需進(jìn)行大量試驗(yàn)，而包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[62]、 支持向量機(jī)[50]和深度置信網(wǎng)絡(luò)[63]等人工智能算法，能有效進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，去噪聲和特征提取，助力實(shí)現(xiàn)高速、 高分辨率和盡量少計(jì)算量的在線監(jiān)測(cè)，且在訓(xùn)練后實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、 自診斷和自優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)更加智能化的在線監(jiān)測(cè)和高精高效加工。Song等以如圖9(a)所示裝置測(cè)量等離子體光譜，采用如圖9(b)所示譜線強(qiáng)度比和積分強(qiáng)度來訓(xùn)練支持向量回歸模型，并從校準(zhǔn)絕對(duì)誤差、 預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差、 校準(zhǔn)平均相對(duì)誤差和預(yù)測(cè)相對(duì)誤差幾個(gè)指標(biāo)上評(píng)估實(shí)時(shí)成分預(yù)測(cè)效果，顯示了較好的精確度和穩(wěn)定性，并其歸因于高維空間中的線性可分點(diǎn)簇[50]。Ye等基于聲信號(hào)頻域積分功率密度與缺陷的映射關(guān)系，提出面向如圖9(c)所示激光選區(qū)熔化的深度置信網(wǎng)絡(luò)算法，如圖9(d)所示，經(jīng)預(yù)訓(xùn)練和精細(xì)調(diào)整后可實(shí)現(xiàn)如圖9(e)所示的選區(qū)熔化件球化、 微球化、 正常、 微過熱和過熱等缺陷的智能診斷[63]。Akbari等采用如圖9(f)所示溫度傳感器監(jiān)測(cè)焊接區(qū)域溫度，按如圖9(g)所示的兩層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò), 修正了激光焊接區(qū)域的溫度分布數(shù)值仿真模型，在初步試驗(yàn)后對(duì)焊接區(qū)域的形貌進(jìn)行分析, 進(jìn)一步對(duì)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修正，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了復(fù)雜加工參數(shù)下的熔池形貌, 平均絕對(duì)百分誤差達(dá)到0.962，且判定系數(shù)達(dá)到了0.999[64]。Luo等在激光焊接過程中, 首先訓(xùn)練穩(wěn)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 建立焊接參數(shù)與不可見的焊接小孔形貌之間的關(guān)聯(lián)； 同時(shí)，基于視覺傳感器的焊接同軸觀測(cè)系統(tǒng)獲得焊接小孔的實(shí)時(shí)圖像, 根據(jù)瞬態(tài)小孔形貌訓(xùn)練動(dòng)態(tài)觀測(cè)器, 獲得焊接小孔形貌隨時(shí)間變化規(guī)律的訓(xùn)練流程，預(yù)測(cè)了焊接參數(shù)突變時(shí)的瞬時(shí)焊接穿透深度和傾角[65]。

圖8 (a)激光燒蝕的聲、 光和電信號(hào)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置，(b)空氣中氟化氪準(zhǔn)分子激光燒蝕硅時(shí)聲波第一個(gè)幅度峰峰值和燒蝕速率與激光功率密度的映射關(guān)系，(c)激光功率為20.3 J·cm-2且探針距離為3 mm時(shí)，532 nm Nd∶YAG激光燒蝕W基底時(shí)檢測(cè)的電信號(hào)，其中，襯底偏置分別為-20，-5，0，+5和+20 V，(d)芯片封裝表面1 064 nm Nd∶YAG激光去毛刺時(shí)，SiO，SiⅠ，SiⅡ和SiⅢ譜線光功率與激光功率密度的關(guān)系[34]； (e)光聲和光混合測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，(f)前15個(gè)激光脈沖輻照互相關(guān)運(yùn)算得到的最大幅度，(g)前15個(gè)激光脈沖輻照后的光學(xué)照片[74]； (h)骨鉆孔過程中的溫度變化[72]

圖9 (a)激光誘導(dǎo)等離子體監(jiān)測(cè)裝置示意圖，(b)基于從支持向量回歸和光譜信號(hào)獲得工作參數(shù)的元素含量測(cè)量流程圖[50]； (c)金屬激光選區(qū)熔化加工技術(shù)裝置示意圖，(d)用于激光選區(qū)熔化加工五種狀態(tài)識(shí)別的具有堆疊受限波爾茲曼機(jī)的深度置信網(wǎng)絡(luò)示意圖，(e) 激光選區(qū)熔化的五種缺陷狀態(tài)： 球化，微球化，正常，微過熱和過熱[63]； (f)激光焊接和監(jiān)測(cè)裝置示意圖，(g)使用基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真數(shù)據(jù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的焊接幾何形貌和溫度分布[64]

3 結(jié) 論

激光加工技術(shù)由于環(huán)保、 易于自動(dòng)化集成和可加工幾乎任意材料等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于焊接、 清洗打磨、 鉆孔切割、 微納結(jié)構(gòu)制備和增材制造等工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，面向更加復(fù)雜的激光加工對(duì)象和環(huán)境，更高精度、 更高效率、 大范圍和大規(guī)模的激光加工需求，在線監(jiān)測(cè)激光加工過程和目標(biāo)特性，實(shí)時(shí)優(yōu)化激光加工參數(shù)和調(diào)控激光加工過程是激光加工應(yīng)用的重要研究?jī)?nèi)容之一。由于激光加工過程中可產(chǎn)生多種光信號(hào)，引起的材料表面光學(xué)特性變化與加工過程和目標(biāo)特性相關(guān)，故基于光譜學(xué)測(cè)量原理和技術(shù)手段來分析光信號(hào)光譜特征與加工參數(shù)、 過程和目標(biāo)特性的映射關(guān)系，提供了一種重要的在線監(jiān)測(cè)方法。實(shí)際上，光譜測(cè)量已廣泛應(yīng)用于激光焊接、 激光切割和鉆孔、 激光清洗打磨、 微納結(jié)構(gòu)制備和增材制造等幾乎所有激光加工工藝，具有信號(hào)分辨率高、 光譜信息豐富和適用性廣等特點(diǎn)。在焊接、 鉆孔切割和清洗打磨等工藝中，當(dāng)激光功率密度超過材料燒蝕閾值后，在去除材料同時(shí)常伴隨等離子體光信號(hào)產(chǎn)生，基于原子、 離子和分子激發(fā)的光譜特征譜線位置和強(qiáng)度與元素種類和含量的映射關(guān)系，在實(shí)現(xiàn)定性和定量化學(xué)成分測(cè)量外，還可根據(jù)特征譜線相對(duì)強(qiáng)度實(shí)時(shí)調(diào)焦，根據(jù)同一元素的兩個(gè)特征譜線相對(duì)強(qiáng)度估算等離子體溫度，進(jìn)而調(diào)控?zé)嵝?yīng)相關(guān)物理過程，比如監(jiān)測(cè)穿透深度和熔化區(qū)微硬度等； 測(cè)量可見光和紅外等波段反射光信號(hào)光譜成分和強(qiáng)度，特征譜線位置和強(qiáng)度等光譜特征則可監(jiān)測(cè)表面清潔度、 損傷、 色度和成分變化等； 盡管受限于較嚴(yán)苛的材料和激光參數(shù)，但特定條件下產(chǎn)生的非線性光信號(hào)提供了額外的監(jiān)測(cè)信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)成分、 焦距和損傷的在線監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)調(diào)控。然而，單種監(jiān)測(cè)方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了精確監(jiān)測(cè)激光加工，多種光信號(hào)光譜的協(xié)同監(jiān)測(cè)以及光與聲、 溫度和圖像信號(hào)之間的復(fù)合監(jiān)測(cè)成為未來的必然發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，人工智能技術(shù)的引入將有力推動(dòng)激光加工在線監(jiān)測(cè)的大數(shù)據(jù)處理，促進(jìn)自學(xué)習(xí)、 自診斷、 自優(yōu)化和自判斷等智能激光加工的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)高效高精度和智能化的激光加工技術(shù)發(fā)展。