雍耀維，趙瑞恒，王 軍，張 帥

（ 寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川 750021 ）

《中國制造2025》提倡全面推行綠色制造，大力發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)，為我國建設(shè)制造強國指明了發(fā)展方向[1]。 再制造是一種綠色環(huán)保的循環(huán)經(jīng)濟形式，基于零件維修和材料表面工程技術(shù)， 采用等離子、激光、電鍍、沉積等先進技術(shù)對廢舊品功能修復改造甚至提升價值[2]。 激光熔覆技術(shù)是一種類屬表面增材制造的新型特種加工技術(shù)，利用高能激光束同時輻射加熱熔覆材料和基體使二者形成良好的冶金結(jié)合界面，能有效改善材料的抗蝕、耐磨、抗高溫氧化性能，甚至改變材料的光電磁等物理特性，具有結(jié)合強度高、稀釋度低、熱變形小、涂層均勻致密等特點[3]。 激光熔覆技術(shù)也是一種高經(jīng)濟效益的表面改性技術(shù)，不僅可減少生產(chǎn)成本、縮短制造周期，還可提高零部件的使用壽命，兼有高精度、高柔性化、綠色環(huán)保等獨特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具、生物醫(yī)藥等行業(yè)[4]。

由于激光熔池尺寸小、壽命短、工況復雜，且實際加工和生產(chǎn)中缺乏有效的熔池檢測手段，熔覆層存在氣孔裂紋等缺陷，成形精度低，可重復性差，加工質(zhì)量不穩(wěn)定[5-6]。 此外，表面強化技術(shù)的日益豐富和極端苛刻環(huán)境制造需求的不斷增加，向激光熔覆的成形質(zhì)量和制造精度發(fā)起了新挑戰(zhàn)，因而提高激光熔覆過程的自動化水平并逐步走向智能化是大勢所趨[7]。 本文總結(jié)了目前國內(nèi)外關(guān)于激光熔覆的熔池檢測最新成果， 并提出了進一步發(fā)展的趨勢，為提升激光熔覆技術(shù)的自動化和智能化質(zhì)量控制打下基礎(chǔ)。

1 激光熔覆技術(shù)簡介

激光熔覆技術(shù)是一種涉及制造學、光學、材料學、電子學等學科的綜合性技術(shù)，熔覆過程是一個伴隨聲光電多參數(shù)相互作用耦合的復雜物理化學冶金過程[8]。 在整個熔覆過程中，高能激光束、熔覆材料、基體三者存在著相互作用，形成高溫高壓的液態(tài)流動熔池，發(fā)生復雜的物理化學現(xiàn)象，包括材料和基體的加熱、熔化、汽化、等離子體以及冷卻凝固等。 這些現(xiàn)象主要以熱輻射、聲發(fā)射、光反射、電磁輻射的形式顯現(xiàn)[9]，通過檢測這些信號來判斷熔池的情況，對于激光加工的工藝優(yōu)化及反饋控制有重要意義。

根據(jù)材料熔化的程度充分與否，可將激光熔池劃分為圖1 所示的三個部分：液相區(qū)為中心的液態(tài)流動區(qū)域，糊狀區(qū)為液相區(qū)外與熔池邊界之間的固液混合區(qū)域，固相區(qū)為熔池邊界外側(cè)還未熔化的固態(tài)基體部分[10]。當激光能量較小時，熔池均為糊狀區(qū)（圖1a）；增大激光能量輸入后，液相區(qū)初現(xiàn)，但范圍較?。▓D1b）；進一步增大激光能量，液相區(qū)范圍增加（圖1c）。

圖1 激光熔覆熔池形貌[10]

熔池內(nèi)既有動力學問題又有運動學問題，即熔池內(nèi)同時存在傳熱、對流和傳質(zhì)的過程，也存在表面張力波和重力波[11]。 熔池作為激光熔覆過程中最小的加工單元，是增材制造的重要基礎(chǔ)，加工工藝的變動或環(huán)境因素的干擾都會引起熔池形態(tài)波動起伏，改變?nèi)鄢氐拇笮?、形狀、能量分布等，最終影響熔覆帶的稀釋率、成形缺陷、表面粗糙度以及熔覆層界面結(jié)合情況、微觀組織結(jié)構(gòu)、熱影響區(qū)大小等質(zhì)量表征，而提高熔覆過程中熔池的尺寸精度和穩(wěn)定性是改善加工成形精度和質(zhì)量的重要保障[12]。因此，需對熔池進行實時精準檢測，將熔池信號反饋到控制系統(tǒng)調(diào)整相應(yīng)的加工工藝，維持熔池狀態(tài)良好以改善成形質(zhì)量。

2 熔覆熔池檢測模式

在激光熔覆過程中，熔池的狀態(tài)穩(wěn)定與否能直接反映整個熔覆過程的順利程度，而熔池的形狀尺寸直接決定著熔覆層的成形尺寸和內(nèi)在質(zhì)量，因而要達到高自動化、高質(zhì)量、高精度激光熔覆加工制造，對熔池信號進行精準檢測控制至關(guān)重要[13]。隨著傳感器、數(shù)字圖像處理、計算機等技術(shù)迅猛發(fā)展，目前國內(nèi)外最常用的是非接觸式熔池檢測技術(shù)，具有不受介質(zhì)的干擾、易于后續(xù)智能化閉環(huán)控制系統(tǒng)的開發(fā)、適用于長期監(jiān)測等優(yōu)勢[14]。

根據(jù)檢測的熔池信號不同，目前的熔池檢測方法主要有如下幾種：光譜信號檢測、溫度信號檢測和形貌信號檢測[15]。將采集到的熔池光譜信號、溫度信號和形貌信號進行處理， 反饋給系統(tǒng)作出判斷，通過調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)（如激光功率、掃描速度、送粉率等）矯正熔池形態(tài)，能有效提高熔覆層的成形質(zhì)量、尺寸精度和微觀組織，達到熔覆過程的質(zhì)量控制[16]。

2.1 光譜信號檢測

在光譜信號檢測中，檢測對象包括等離子體羽流濃度、元素組成、溫度分布等，常用傳感器有光電二極管和光譜儀[17]。 熔池的光譜信號可反映出熔池溫度、形貌尺寸、等離子體強度、材料組成等信息，比如采用光譜標定來獲得熔池溫度分布情況[18-19]。熔池光譜信號與熔覆層質(zhì)量息息相關(guān)，有部分學者已進行了熔池光譜方面的研究。

顧振杰等[20]建立了一套激光熔池光譜實時檢測系統(tǒng)，利用汞燈進行光譜標定并采用光柵光譜檢測技術(shù)進行光譜特征分析，研究了不同工藝參數(shù)下鎳硅硼合金粉末熔覆過程中的熔池光譜輻射強度分布，發(fā)現(xiàn)熔池光譜較為穩(wěn)定時得到熔覆層質(zhì)量較好且基體材料變形也較小，為激光熔覆質(zhì)量的過程控制提出了新方案。 Wei Ya 等[21]研究了一種將光譜分析與熔覆質(zhì)量相聯(lián)系的新方法，采用Nd：YAG 激光器在AISI 4140 鋼基板上用Metco 42C 粉末生產(chǎn)復合軌道，光譜信號的采集通過連接在激光頭上的光譜儀進行（圖2），隨后分析收集到的光譜信號，結(jié)果表明光譜儀可檢測到金屬鍵合的開始和程度，即紅外信號的驟降表明金屬鍵合的開始，電子溫度信號與稀釋度有較好的關(guān)聯(lián)性。 Chen Bo 等[22]采用光纖光譜儀建立了光譜采集系統(tǒng)，研究了不同工藝參數(shù)下等離子體對激光能量傳輸效率和成形質(zhì)量的影響規(guī)律， 以及成形缺陷與等離子體強度波動的聯(lián)系，推動了等離子形成機理和影響因素方面的研究進展。

圖2 激光沉積過程的光譜發(fā)射裝置示意圖[21]

當前， 由于激光熔池光譜信號檢測手段較少、特征分析較淺，同時存在著煙霧、粉末顆粒干擾等問題，故而研究進展較為緩慢。 激光熔池的光熱輻射中包含大量反映熔池特性的信息，關(guān)于光譜信號與熔覆層的微觀組織的聯(lián)系尚在不斷探索中，發(fā)展光熱輻射檢測裝置和深入研究光熱輻射規(guī)律，對于揭示其內(nèi)在規(guī)律及物理機制有重要的科學價值，對激光制造產(chǎn)業(yè)的推廣具有實際指導意義。

2.2 溫度信號檢測

熔池的溫度信號是影響熔覆成形質(zhì)量的一個很重要因素， 它可以反映出熔覆過程中的熱流傳質(zhì)、能量分布等情況，直接決定著熔覆層的尺寸形貌、稀釋率、熱影響區(qū)寬度和顯微組織，影響熔覆層的綜合性能和表面質(zhì)量[23]。 在激光熔池溫度的檢測方面，最常用的是非接觸輻射測溫，包括單色測溫法、比色測溫法和CCD 圖像信號采集測溫等[24]。

Muvvala 等[25]采用單點單色高溫計對AISI 304奧氏體鋼熔覆Inconel 718 鎳基高溫合金的熱循環(huán)過程進行在線監(jiān)測（圖3），研究發(fā)現(xiàn)較緩慢的熱循環(huán)會導致嚴重的元素分離，并且降低熔覆層的力學性能， 易在表面生成等軸晶， 不利于單晶生長。Shahri 等[26]建立了一種預(yù)測試樣在激光加工過程中溫度場分布和熱影響區(qū)寬度的綜合模型，該模型由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）與遺傳算法（GA）耦合而成，通過紅外攝像儀采集溫度信號，采用全因素法進行實驗并測試模型，圖4 是一試樣的顯微圖像及其紅外溫度分布圖，結(jié)果表明該組合模型較之人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更準確有效。Wirth 等[27]為了研究吹塑粉末三維打印熱循環(huán)過程中的熔池動力學行為，采用高速攝像機觀察熔池表面形態(tài)及游動顆粒行為，研究發(fā)現(xiàn)熔池表面的顆粒游動方向具有明顯的隨機性，并非是層流現(xiàn)象，但可能存在某種流動趨勢，這種趨勢是一種表面張力現(xiàn)象且隨工藝參數(shù)的大小而變化。

圖3 實驗裝置示意圖[25]

圖4 試樣的顯微和紅外溫度分布[26]

孫華杰等[28]搭建了彩色CCD 熔池溫度在線檢測控制閉環(huán)系統(tǒng)，如圖5 所示，結(jié)合了比色測溫和PID 控制進行正交試驗， 并推導設(shè)計了熔池溫度的計算公式和溫度控制器算法，最終實現(xiàn)熔池溫度的穩(wěn)定控制并獲得良好的成形質(zhì)量，該控制方案具有精度高、成形質(zhì)量高、實時性好、成本較低和便于集成應(yīng)用等優(yōu)點。 Forien 等[29]提出了一種原位過程監(jiān)測的方案，如圖6 所示，采用高速紅外二極管測溫技術(shù)和高速光學成像技術(shù)，監(jiān)測了446 不銹鋼316L單軌激光打印過程，通過分析高溫計信號發(fā)現(xiàn)了從導體到鎖孔模式轉(zhuǎn)變的明顯特征，并進行金相學驗證，由非原位X 射線照相所表征的孔隙缺陷產(chǎn)生與原位熱監(jiān)測信號相關(guān)聯(lián)， 從而得出缺陷產(chǎn)生的概率，研究結(jié)果表明：從理論上而言，通過對激光熔池進行現(xiàn)場高速高溫監(jiān)測，可實現(xiàn)孔隙形成的概率預(yù)測，表征局部材料行為和預(yù)測預(yù)期的部件性能。 袁景光等[30]研究了熔池溫度的在線檢測與閉環(huán)控制，結(jié)合比色測溫原理和光電檢測技術(shù)，成功測量了熔池溫度和光譜輻射特性。

圖5 激光熔覆成形系統(tǒng)示意圖[28]

圖6 LPBF 實驗示意圖[29]

接觸式熱電偶測量，不能對熔池溫度進行直接測量，其測量結(jié)果不能直接用于系統(tǒng)反饋[31]；紅外攝像設(shè)備通常都比較昂貴且采樣率低、精度差，難以進行動態(tài)準確的定量分析；CCD 結(jié)合圖像處理測溫技術(shù)，雖然成本低廉、簡便易用、響應(yīng)快速，但由于干擾噪聲復雜、誤差累計較大、數(shù)據(jù)冗雜，目前并未大量應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中[32]；比色溫法能降低噪聲，誤差也偏小，同時結(jié)合其他測溫手段更具優(yōu)勢。 熔池溫度的測控系統(tǒng)，一般都采用傳感器檢測后反饋到系統(tǒng)并調(diào)整相應(yīng)加工參數(shù)，但對熔池內(nèi)部的溫度分布和實際熱流情況卻所知甚少。 因此，激光熔覆熔池內(nèi)部溫度場的理論、模型及實際情況會是未來研究的一大熱點。

2.3 形貌信號檢測

熔池幾何形貌包括熔池尺寸（寬度、長度）和面積[33]。 熔池的大小和形狀可反映出加工過程中的熱能分布、粉末吸收量和冷凝快慢，進而決定熔覆層表面形貌、顯微結(jié)構(gòu)和機械性能[34-35]。 與溫度信號檢測相比，熔池幾何形貌檢測具有簡單直接、穩(wěn)定性強、精度高、靈敏度高和反響快等優(yōu)點[36]。近年來，形貌信號檢測已日趨成熟并成為熔池檢測的主流方法， 越來越多的學者采用計算機對CCD 或CMOS傳感器采集到的熔池圖像作進一步數(shù)字圖像處理，可實時獲得較為準確的熔池形貌特征信息，目前已取得了一定成果[37]。

Thompson 和Vandone 等[38-39]開發(fā)了一種基于光束同軸成像的視覺監(jiān)測系統(tǒng)來研究激光沉積過程中的可見輻射異常，如圖7 所示，該系統(tǒng)集成了光學攝像頭、 窄帶濾波器以采集并提高圖像質(zhì)量，利用圖像處理技術(shù)檢測到V-track 沉積運動中的圖像信號強度與功率密度的局部增大密不可分，并反饋給機器控制調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)，最終形成一個具有使用監(jiān)測數(shù)據(jù)作為離線模型識別數(shù)據(jù)和在線反饋信號功能的閉環(huán)過程控制系統(tǒng)。

圖7 帶有熱監(jiān)測的爆炸粉末直接激光沉積（DLD）[39]

Li 等[40]研究了基體傾斜情況下激光工藝參數(shù)對熔覆層形貌幾何參數(shù)（寬度、高度等）的影響規(guī)律，采用正交試驗法采集數(shù)據(jù)樣本，建立數(shù)學模型并預(yù)測熔覆層幾何尺寸，最終驗證了模型預(yù)測與實際結(jié)果的相似性，優(yōu)化了工藝參數(shù)并拓展了激光熔覆的應(yīng)用范圍。 Mazzoleni 等[41]采用CMOS 攝像機建立了一套激光熔池實時連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)，研究了調(diào)制或連續(xù)激光發(fā)射下熔池的物理動力學行為，包括發(fā)射形狀、飛濺物噴射、周期性現(xiàn)象及熔池尺寸變化等，為后續(xù)的熔池反饋控制提出了新方案。

國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究雖然起步較晚，但有很大進展。 劉旭陽等[42]為了研究激光熔覆過程中熔池的形狀和尺寸信息， 采用與激光頭同軸集成的CMOS 相機對熔池進行拍攝， 借助Lab-VIEW 視覺模塊的圖像采集和圖像處理功能，自主開發(fā)了一套激光熔覆熔池圖像實時處理系統(tǒng)， 如圖8 所示，熔池監(jiān)測結(jié)果可作為激光熔覆閉環(huán)控制的輸出。 雷凱云等[43]建立了CCD 視覺監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計工藝參數(shù)與熔池特征參數(shù)之間的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型， 通過全因素試驗法采集數(shù)據(jù)樣本， 運用遺傳算法對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初值優(yōu)化，然后進行訓練測試，研究發(fā)現(xiàn)了工藝參數(shù)與熔池特征參數(shù)的變化規(guī)律，該模型具有較高的預(yù)測精度，對激光熔覆過程監(jiān)測具有重要意義。 孟慶棟等[44]建立了一套熔池幾何形貌閉環(huán)控制系統(tǒng)， 利用遺傳算法和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了熔覆層形貌預(yù)測特征模型，通過輸入工藝參數(shù)能預(yù)測熔覆層高度和寬度，最后根據(jù)提取到的熔池圖像特征利用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對熔覆層形貌高度進行預(yù)測，實驗驗證了該模型具有一定的準確性， 且誤差較小。 宋煒等[45]設(shè)計了彩色CCD 熔池在線檢測系統(tǒng)，利用LabView 平臺處理實時熔池圖像獲取形貌尺寸信息，發(fā)現(xiàn)熱積累效應(yīng)下愈加明顯的熔池拖尾現(xiàn)象會降低熔池面積的實測準確性，認為熔池寬度較穩(wěn)定是熔池特征的優(yōu)先判斷指標。

圖8 同軸熔池圖像采集設(shè)備示意圖[42]

形貌信號檢測根據(jù)在線采集到的熔池幾何特征、 亮度變化及動態(tài)波動情況判斷熔池的穩(wěn)定性，進一步評估熔覆帶形貌和表面質(zhì)量，但無法獲取熔池內(nèi)部的實時狀態(tài)，且干擾因素較多易引起系統(tǒng)誤差。 熔池加工環(huán)境特殊，但結(jié)合擁有非接觸、精度高、靈敏度高、適應(yīng)能力強、智能控制等優(yōu)勢的機器視覺技術(shù)，使得熔池的形貌信號檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)逐漸成為熔池檢測的主流趨勢。

2.4 其他方式

激光熔覆過程中不僅包括光熱輻射現(xiàn)象，同時還伴隨聲信號發(fā)射。 弗朗和夫研究所聯(lián)合MTU 公司[46-47]在激光熔覆過程中采用超聲波探頭采集聲信號并進行頻譜分析，能在線探測出聲信號的波動變化及熔覆層厚度；還能檢測到內(nèi)部孔洞和結(jié)合不良等缺陷，并采用金相學和X 射線斷層掃描證實了聲譜分析結(jié)果；另外采用掃描法和FRF 法測量了熔池的共振頻率，通過ANSYS 建模，為熔池深度測量提供了新思路。 邱浩哲等[48]設(shè)計了一套聲發(fā)射檢測裝置，研究了聲信號小波降噪、時頻特征優(yōu)化，提出了一種基于NPSO 算法參數(shù)優(yōu)化的LSSVM 激光熔覆狀態(tài)識別方法和改進果蠅算法多點定位聲源，具有較好的精度和穩(wěn)定性。 Shevchik 等[49]進行了聲發(fā)射傳感器在增材制造質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域的研究，采用光纖布拉格光柵傳感器記錄聲信號，并結(jié)合機器學習技術(shù)進行訓練，可根據(jù)聲學特征判斷加工質(zhì)量。 還有一些研究人員通過粉末流檢測的方式研究熔池特征，Ding 等[50]安裝了光電傳感器檢測粉末流量，采用PID 閉環(huán)控制器維持熔池形態(tài)穩(wěn)定， 能有效提升熔覆層的幾何精度和成形質(zhì)量。

由于激光熔覆過程復雜且加熱冷卻較快，通過實驗方法測出熔覆層的溫度場和應(yīng)力場非常困難且成本較高，有學者利用數(shù)值模擬方法分析激光熔覆過程中溫度變化規(guī)律和應(yīng)力分布情況，預(yù)測熔覆層的開裂和裂紋等缺陷， 能夠簡化工藝驗證過程，揭示熔覆成形機理， 對熔覆層微觀組織演變規(guī)律、缺陷形成及工藝優(yōu)化方面的理論研究具有重大意義[51-52]。

3 前景展望

激光熔覆技術(shù)是現(xiàn)代表面工程技術(shù)極具發(fā)展的技術(shù)之一，具有重要的經(jīng)濟環(huán)保價值。 目前的熔池檢測手段多種多樣，研究方法層出不窮，諸如理論分析、數(shù)值模擬和試驗研究等，也能結(jié)合傳感器、機器視覺等高新技術(shù)， 同時測量多種熔池信號，相互印證并探索不同信號之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。 目前，在熔池檢測方面仍可進行以下幾個方面的研究：

（1）熔池理論。 通過仿真技術(shù)加大對激光熔覆的熔池動力學行為理論、熔池內(nèi)部溫度場、應(yīng)力場及流場的演變規(guī)律等研究，深入了解熔覆層組織性能與熔池信號之間的本質(zhì)聯(lián)系，豐富熔覆質(zhì)量改善理論體系。

（2）工藝參數(shù)。 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、機器視覺、人工智能和大數(shù)據(jù)等智能控制技術(shù)，采集大量數(shù)據(jù)樣本，建立工藝數(shù)據(jù)庫；采用先進算法優(yōu)化加工參數(shù)，改善成形質(zhì)量，提高激光熔覆自動化智能化水平，是未來發(fā)展的重大趨勢。

（3）熔池溫度控制機制。 目前熔覆質(zhì)量的控制主要是經(jīng)驗總結(jié)和數(shù)值模擬且處在較淺的研究階段，需要進一步通過開發(fā)激光加工的恒溫閉環(huán)控制設(shè)備，實現(xiàn)熔池溫度的定量控制，從而有效改善過冷脆斷現(xiàn)象。

（4）輔助手段。 當工藝參數(shù)的控制能力有限時，可考慮輔助手段來增強質(zhì)量調(diào)控范圍，比如添加稀土元素、超聲振動、電磁攪拌、高頻微鍛造、感應(yīng)加熱和織構(gòu)化處理等，通過輔助措施的組合實施來改變物理場，從而改善熔覆層開裂問題。