張國濱， 彭銳茜

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 哈爾濱 150001)

0 前言

增材制造 (Additive manufacturing)是現(xiàn)階段制造業(yè)、工程界[1-2]熱門話題。相比于傳統(tǒng)減材制造過程，增材制造的設(shè)計自由度更高，能設(shè)計并制造出更復(fù)雜形狀的工件；增材制造的經(jīng)濟性和工作效率大幅度提高，可以減少裝配工序以及材料損耗。目前，憑借其高效率、高數(shù)字化等優(yōu)勢，增材制造技術(shù)已應(yīng)用于船舶、醫(yī)療、航空航天[3-8]等領(lǐng)域中。根據(jù)原材料形態(tài)的不同，增材制造分為熔粉增材制造與熔絲增材制造技術(shù)[9-10]。相比于熔粉增材制造，熔絲增材制造具有沉積效率高、加工成本低、成形件尺寸大等優(yōu)點。熔絲增材制造的能量源包括電弧、電子束與激光。電弧熔絲增材的加工效率高、成本低，但是成形件結(jié)構(gòu)簡單且尺寸精度低[11]。電子束熔絲增材具有較高的加工效率以及成形件尺寸精度，但是加工成本高[12]。激光熔絲增材(Laser metal wire deposition，LMWD)可以兼顧成形質(zhì)量、加工效率以及加工成本[13-14]，同時國內(nèi)外對激光熔絲增材制造的研究相對較少，具有巨大的研究價值與發(fā)展?jié)摿Α?/p>

金屬增材制造過程中，由于熱條件不斷變化以及沉積過程中送絲的變化，每一層沉積都會產(chǎn)生幾何偏差并逐層累積[15]。因此，對沉積層厚度和高度、熔池尺寸、工件溫度等工藝參數(shù)的實時監(jiān)測與控制是一個關(guān)鍵性問題，因為它們影響到工件尺寸精度、成形穩(wěn)定性和整體質(zhì)量[16]。目前，CMOS與CCD攝像機[16-18]、紅外測溫儀[19-20]等精密光學(xué)傳感器已廣泛應(yīng)用于金屬增材制造過程實時監(jiān)測。激光、超聲[21-23]等掃描監(jiān)測方式在定向能量沉積技術(shù)(Directed energy deposition)中得到應(yīng)用。當收集足夠的信息后，監(jiān)測系統(tǒng)便將信號反饋至控制系統(tǒng)，進入工藝過程的調(diào)控階段。目前，基于開環(huán)控制的定向能量沉積技術(shù)研究較為成熟，但在開環(huán)增材制造工藝后，根據(jù)預(yù)先建立的幾何模型，測量工件是否被接受。然而，復(fù)雜的熱效應(yīng)影響沉積過程，可能導(dǎo)致工件成形失敗[24]。相比于開環(huán)控制，閉環(huán)控制[16]可以實時、更準確地對增材制造過程進行調(diào)控。作為增材制造系統(tǒng)的組成部分，實時監(jiān)測-反饋控制雙系統(tǒng)的設(shè)置，可以大幅度提升工藝的成形穩(wěn)定性與工件的綜合力學(xué)性能[21,25-26]。現(xiàn)階段，國內(nèi)外對激光熔絲增材制造過程監(jiān)測與控制系統(tǒng)的研究，趨向于由單傳感器單物理場監(jiān)測向多傳感器多物理場監(jiān)測發(fā)展，同時許多高效率高精密閉環(huán)控制系統(tǒng)涌現(xiàn)。目前，國內(nèi)外對激光熔絲增材制造過程監(jiān)測與控制系統(tǒng)的研究較少，是具有巨大技術(shù)潛力的研究領(lǐng)域。

文中基于激光熔絲增材制造技術(shù)，根據(jù)監(jiān)測與控制對象的不同，對國內(nèi)外多種實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行歸納綜述。

1 激光熔絲增材制造監(jiān)測與控制系統(tǒng)原理

激光熔絲增材制造系統(tǒng)包括沉積裝置、監(jiān)測與控制系統(tǒng)。沉積原理為：采用激光為能量源來熔化金屬絲材，逐層制備工件。激光熔絲增材制造的監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、攝像機、光學(xué)(或聲學(xué))掃描儀與圖像數(shù)字化界面組成。

1.1 攝像機可視化與激光掃描儀

如圖1所示[27]，該激光熔絲增材制造工藝的監(jiān)測系統(tǒng)中，包括工藝攝像機與激光掃描儀。攝像機利于操作者在沉積過程中監(jiān)視絲材尖端與熔池之間的相互作用，視覺反饋是為了幫助操作者對控制器進行評估，并監(jiān)視控制器未處理的任何干擾。激光掃描儀的作用是測量工件表面幾何形貌以及三維高度輪廓，根據(jù)光學(xué)三角測量的原理，一條激光束被投射到目標表面，反射光被二維傳感器捕獲，由此計算出單線高度輪廓，再通過掃描儀和機器人產(chǎn)生的x方向相對運動，獲得三維高度剖面。

1.2 紅外測溫技術(shù)

作為非接觸式測溫方法，相比于接觸式測溫方法，紅外測溫技術(shù)具有使用安全、響應(yīng)時間快等優(yōu)點。

紅外測溫計利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡以及光機掃描系統(tǒng)接受工件的紅外輻射能量分布圖形反應(yīng)至紅外探測器的光敏元上，光機掃描系統(tǒng)對被測物體紅外熱像進行掃描，聚焦在探測器上，再由探測器將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過放大處理，轉(zhuǎn)換為數(shù)字化紅外熱像圖。此外，需要注意的是，現(xiàn)階段先進的焦平面技術(shù)可以取代光機掃描系統(tǒng)。

1.3 反饋控制系統(tǒng)

以高度在線監(jiān)測-送絲速度反饋控制系統(tǒng)為例，解釋激光熔絲增材制造控制系統(tǒng)的原理。如圖2所示[28]，控制策略形成一個以高度測量數(shù)據(jù)為源信號閉環(huán)控制系統(tǒng)，反饋控制送絲機送絲速度，以達到調(diào)控沉積層高度的目的。此外，基于激光熔絲增材制造的控制系統(tǒng)還可以調(diào)控工件溫度、幾何形貌等。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 沉積層寬度、高度與形貌實時監(jiān)測與控制

如圖1所示，Heralic等人[27]建立了一個以CMOS攝像機與三維激光掃描儀為特色的激光熔絲增材制造Ti-6Al-4V合金監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)工藝過程和沉積層拓撲截面的在線視覺反饋。三維激光掃描儀的型號為Micro-Epsilon(scanControl 2810-25)。由內(nèi)部開發(fā)的測量軟件觸發(fā)掃描儀，再使用掃描儀以5 mm/s的速度掃描零件，50 ms提取一個新的輪廓，產(chǎn)生每一層三維圖像，可以深入了解沉積過程引起的諸多干擾，從而實現(xiàn)對沉積過程的控制。掃描儀的x，y，z三維空間分辨率分別達到250 dpi，140 dpi，10 dpi。監(jiān)測信息可以作為未來建模與模擬或離線編程工具開發(fā)的可用輸入，同時該監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)允許將所有測量數(shù)據(jù)同步至數(shù)據(jù)庫，從而簡化對試驗數(shù)據(jù)的提取和分析。該團隊根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，研發(fā)出了基于所開發(fā)的迭代學(xué)習(xí)算法的在線高度控制器，該控制器可以根據(jù)監(jiān)測信號根據(jù)工件的三維掃描數(shù)據(jù)調(diào)控送絲速率。所開發(fā)的迭代學(xué)習(xí)算法能夠在線學(xué)習(xí)特定工件軌跡，使得控制器能夠補償局部變化,并在整個沉積過程中保持平滑的表面。

Heralic等人[29]開發(fā)了基于雙攝像機反饋方式與投影激光束結(jié)合的監(jiān)測系統(tǒng)、熔池寬度閉環(huán)PI-在線控制器與層高前饋補償器組合的控制系統(tǒng)?？刂菩盘柌捎眉す夤β屎退徒z速率，該控制器通過控制激光功率和送絲速率來實現(xiàn)沉積過程中的沉積層恒寬度和恒高度。此外，通過控制高度，最大限度地降低了產(chǎn)生粗糙焊道或絲材與熔池直接接觸的風險，確保了工藝的穩(wěn)定性。由于沉積層高度的閉環(huán)控制要求在熔池后方測量新焊縫高度，這受限于熔池金屬的高亮度，如圖3和表1所示[29]，該團隊所研制的前饋補償器能夠在熔池前方測量前一層的高度信息，利用高度信號控制送絲速率，以補償前一層的不規(guī)則形貌。

1.2.1 對照組 給予孕期常規(guī)健康教育宣教包括飲食、運動量、用藥及產(chǎn)前檢查等，每次孕期檢查結(jié)果在《孕產(chǎn)婦保健手冊》詳細記錄，對癥治療，并告知下次復(fù)診時間。產(chǎn)后母乳喂養(yǎng)指導(dǎo)、產(chǎn)婦康復(fù)運動以及42 d門診復(fù)查。

表1 相關(guān)物理符號釋義

當送絲速率與沉積層高度之間不匹配時，將會形成缺陷型焊道。如圖4所示[28]，當送絲速率過小時，會導(dǎo)致絲材與沉積層之間距離過大，從而導(dǎo)致焊道過于粗糙；當送絲速率過大時，會導(dǎo)致絲材與沉積層之間距離過小甚至與熔池直接接觸，這時會形成不規(guī)則缺陷型焊道；而當參數(shù)選擇合適時，會形成如圖4b所示的平滑規(guī)則焊道，成形質(zhì)量好。

Garmendia等人[30]利用可視化攝像機(Genie Nano C1940 CMOS)與結(jié)構(gòu)光掃描儀(Phoxi 3D)對激光熔絲增材制造316LSi不銹鋼工件進行監(jiān)測，對工件缺陷進行校正，在此基礎(chǔ)上提出了一種新穎的工藝過程在線高度控制方法。一方面，根據(jù)工件的掃描高度輪廓及其參數(shù)，對沉積層的平均高度進行修正；另一方面，根據(jù)機器人掃描速度的變化來控制局部偏差。為了驗證高度控制策略的有效性，該團隊通過引入缺陷來模擬工件不同區(qū)域的不規(guī)則沉積，通過試驗分析了在一定層數(shù)沉積之后如何重新建立平面層，證明了該方法對于修正局部層內(nèi)缺陷是適用的。該團隊還對工件內(nèi)部完整性與無缺陷性進行了驗證，以進一步驗證基于掃描速度變化的工藝控制方法。

Takushima等人[28]提出了一種線切割法沉積層高度在線監(jiān)測系統(tǒng)與高質(zhì)量激光熔絲送絲速率反饋控制系統(tǒng)。所開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)包括集成在激光處理頭中的成像系統(tǒng)和投射光束的斜照明系統(tǒng)，設(shè)計了線束投影角，實現(xiàn)了沉積層高度的高精度測量，與高精度高度測量儀測量的真實值進行對比。該團隊采用了改進的基于沉積層高度的送絲速率控制系統(tǒng)，將送絲頭與送進絲材的間隙控制在0.1 mm精度范圍內(nèi)，使得送絲速率達到最佳。此外，該團隊在成像系統(tǒng)中插入線束波長的帶通濾波器，并優(yōu)化其線激光功率,減小熔池產(chǎn)生的強烈熱輻射的影響，進而實現(xiàn)熔池前4 mm的高度測量，大大提高了系統(tǒng)的實用性。根據(jù)實測沉積層高度控制送絲速率，證明了無論是z向節(jié)距還是圓筒形工件直徑，都可以實現(xiàn)高質(zhì)量沉積。

激光熔絲增材制造中，激光軸前高度位移控制參數(shù)化的激光加工控制技術(shù)是實現(xiàn)高精度加工必不可少的。Takushima等人[31]提出了一種采用如圖5所示的交叉直線光束的光截面法對激光熔絲增材制造工藝過程進行實時監(jiān)測與控制，該方法可以用于測量沉積方向改變時激光光斑前方的高度位移。在激光頭側(cè)面投射出兩個交叉光束，在傳統(tǒng)的光截面法中增加一塊線板，根據(jù)測量方向改變交叉光束的縱向位置，可以計算出交叉光束的高度位移。試驗中采用“L”形沉積路徑，改變沉積方向，根據(jù)位移測量結(jié)果，在加減速的情況下，在沉積方向改變的位置實現(xiàn)了高精度連續(xù)沉積。

2.2 熔池狀態(tài)實時監(jiān)測與控制

2.2.1熔池、熔滴過渡動力學(xué)實時監(jiān)測與控制

熔池、熔滴過渡模式顯著地影響沉積層的成形質(zhì)量與成形穩(wěn)定性，當對熔池、熔滴過渡模式控制不到位時，便會形成諸多缺陷，如氣孔、焊接飛濺等。因此，對熔池、熔滴過渡模式動力學(xué)的監(jiān)測與控制變得尤為重要。

Mortello等人[32]對光纖激光熔絲增材制造6 mm厚Ti-6Al-4V板材工藝過程進行實時監(jiān)測與控制試驗。使用四點夾持方式將鈦合金板固定在工作臺上，采用兩臺工藝過程攝像機對增材沉積過程進行實時監(jiān)控，其中一臺離軸攝像機用于監(jiān)控熔池以及熔滴過渡過程，另一臺攝像機與光纖激光器光學(xué)系統(tǒng)同軸，監(jiān)測激光束路徑與進給方向的對準情況，同時利用排煙器提取工藝過程中的排放氣體。對表面張力模式下獲得的15層沉積層工件的幾何性能和顯微組織進行了分析與評述。試驗表明，表面張力的傳遞模式使得金屬沉積過程平滑、規(guī)則，同時，實時監(jiān)測熔池和熔滴過渡模式有助于進一步了解工藝過程動力學(xué)。Eimer等人[33]基于激光-電弧復(fù)合熔絲增材制造鋁合金技術(shù)，使用Redman焊接攝像機可視化技術(shù)監(jiān)測熔池形態(tài)及金屬流動狀況，同時，采用AMV5000系統(tǒng)實時記錄沉積過程中的電弧電壓與電流，以進一步評估加工過程的沉積穩(wěn)定性。

黃安國等人[35]提出利用如圖6所示的電磁振動在線監(jiān)測微細熔絲的過渡狀態(tài)方法，并建立數(shù)學(xué)模型研發(fā)原型裝置。根據(jù)設(shè)計組裝設(shè)備后續(xù)采用直碳鋼、不銹鋼、鈦合金焊絲進行實際監(jiān)測，結(jié)果表明，不同材質(zhì)的絲材均能接收到不同強度的信號，且不同參數(shù)接收的信號也有不同，可根據(jù)具體要求進行調(diào)整。使用該系統(tǒng)對激光熔絲增材制造進行監(jiān)測，通過對接收的振蕩信號分析可有效辨別焊絲的過渡狀態(tài)，為優(yōu)化工藝參數(shù)、提高加工質(zhì)量提供參考。劉博[36]對電磁振動監(jiān)測激光熔絲增材制造熔滴過渡的系統(tǒng)進行研究，該系統(tǒng)利用電磁振動信號激勵原理，通過在焊絲上產(chǎn)生振動信號，經(jīng)熔滴過渡狀態(tài)信號從端部傳到基板上，由基板接收的信號來分析焊接過程的熔滴過渡狀態(tài)。制定了原型監(jiān)測系統(tǒng)總框架，再根據(jù)框架設(shè)計并確定尺寸，考慮多方面因素，最后保證其高溫下工作狀態(tài)、信號的穩(wěn)定性以及實現(xiàn)同步采集的功能。當“大熔滴”過渡狀態(tài)時，信號無法傳遞到基板上，而整體上基本實現(xiàn)對“液橋”過渡的振動信號監(jiān)測，驗證其監(jiān)測分析熔滴過渡狀態(tài)的可行性。由于該系統(tǒng)的局限性，還需對其進行改良，并且還將繼續(xù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化以及適配軟件的開發(fā)。

2.2.2熔池溫度實時監(jiān)測與控制

熔池溫度是影響成形質(zhì)量與成形穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一，對熔池溫度的實時監(jiān)測與控制是保證沉積過程穩(wěn)定、工件缺陷少的有效方式。

朱進前等人[20]致力于對真空激光熔絲增材制造單道成形熱過程進行研究，利用紅外熱像儀對增材制造過程的溫度場熱過程時間以及空間分布進行實時監(jiān)測。研究以鋁合金為絲材、鈦合金為基板對其制造過程進行紅外熱像監(jiān)測，實現(xiàn)對熔覆道寬度的預(yù)測以及對缺陷位置定位，并發(fā)現(xiàn)在不同送絲速度的冷卻速度不同。在未來，可拓展更多形式的焊接過程進行紅外熱像監(jiān)測以及溫度場分析，以加深對增材制造中循環(huán)加熱的溫度場發(fā)布變化的認識和理解。

諾丁漢大學(xué)的Medrano等人[37]利用送絲技術(shù)成功研制出可用于監(jiān)測熔池與工件溫度的光纖激光熔絲增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用308L不銹鋼絲材在304不銹鋼基體上沉積工藝參數(shù)，獲得了良好的金屬沉積效果，借此介紹了參數(shù)研究結(jié)果與溫度監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)情況。在試驗設(shè)備激光頭上安裝有一個與激光束同軸的CCD攝像機，用于對準和實時監(jiān)測沉積過程。該系統(tǒng)對熔池采用雙色高溫計，對工件采用單色高溫計，數(shù)據(jù)采集采用數(shù)據(jù)采集卡和計算機試驗室視圖軟件。在對溫度監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)過程中，為了選擇正確的傳感器，該團隊在試驗中對6種不同的高溫計進行測試，分析了其對金屬激光沉積過程溫度監(jiān)測的適用性，目的是監(jiān)測熔池、工件溫度。6個高溫計的相關(guān)信息見表2[37]，結(jié)果表明，影響成形質(zhì)量的主要參數(shù)為激光功率、送絲速率與進給速率，這些參數(shù)通過影響熔池、工件溫度從而間接影響成形質(zhì)量與成形穩(wěn)定性。隨著激光功率增大，沉積層高度減小，沉積層寬度增大；隨著送絲速率增大，沉積層高度增大；隨著進給速率增大，沉積層高度減小。激光功率過低或者送絲速率過高均會導(dǎo)致熔體孔隙率過大或熔體未熔化。值得注意的是，該監(jiān)測系統(tǒng)是一個閉環(huán)熔池溫度控制系統(tǒng)的中間步驟，該溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)推動了閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)的發(fā)展。

表2 6個高溫計的相關(guān)信息

2.2.3熔池尺寸實時監(jiān)測與控制

熔池尺寸影響著工件幾何形狀、材料性能、殘余應(yīng)力以及變形，對熔池尺寸采用傳感實時監(jiān)測與閉環(huán)控制是激光熔絲增材制造工藝的一個關(guān)鍵領(lǐng)域。Akbari等人[38]實時監(jiān)測熔池尺寸，得到了熔池面積與冷卻速度之間的經(jīng)驗關(guān)系，驗證了可以通過實時控制熔池尺寸來控制最終凝固組織的尺寸。

Gibson等人[39]通過激光功率調(diào)節(jié)實現(xiàn)Ti-6Al-4V合金熔池尺寸的多種實時閉環(huán)控制模式，從而實現(xiàn)焊縫幾何形狀的層間控制，開發(fā)并演示了一個按層實時調(diào)節(jié)沉積速率的控制器，使得單獨控制平均熔池尺寸或平均激光功率與實時熔池尺寸控制相互協(xié)調(diào)。該激光熔絲增材制造工藝采用的監(jiān)測系統(tǒng)包括：用于監(jiān)測絲材輸入位置與過程穩(wěn)定性的軸內(nèi)可視化攝像機、用于監(jiān)測相對于標準理想層高度的沉積層高度的激光掃描儀。3種閉環(huán)控制模式見表3，經(jīng)過試驗驗證，得到結(jié)論：模式1沉積成形，平均激光功率大約減少23%。由于工件內(nèi)部的熱積累，要達到所需的熔池尺寸就需要較小的激光功率，從生產(chǎn)效率的角度來看，模式1不是被期望的控制模式，更重要的是保持激光功率，在閉環(huán)控制下，當沉積速率自動提高，可以利用沉積過程中工件的熱積累來維持工藝過程穩(wěn)定性，同時保證工藝過程穩(wěn)定性。模式2保持了恒定激光功率，總工藝時間減少且工件整體幾何形狀改善，但是缺少層間熔池尺寸的實時控制。模式3結(jié)合了模式1與模式2的最優(yōu)屬性，結(jié)合層間熔池尺寸控制與沉積速率控制，總工藝時間減少，同時得到高質(zhì)量工件。該控制系統(tǒng)模式特點是它們對工件局部幾何、工件整體幾何的影響以及對能量密度層間影響等。

表3 3種熔池尺寸閉環(huán)控制模式

3 結(jié)束語

(1)激光熔絲增材制造的監(jiān)測與控制系統(tǒng)有諸多種類。目前，較為成熟的監(jiān)測技術(shù)包括：CMOS，CCD同軸/離軸攝像機可視化技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)，紅外測溫技術(shù)等；較為成熟的控制技術(shù)包括：在線反饋送絲速率控制技術(shù)、在線反饋激光功率控制技術(shù)等。新開發(fā)的激光熔絲增材監(jiān)測技術(shù)有：三維超聲波掃描技術(shù)、電磁振動監(jiān)測技術(shù)等。目前，國內(nèi)外已對沉積層高度與寬度、熔池尺寸與溫度等對象的監(jiān)測有較為充分的研究與試驗證明，但是沉積過程中，激光高能量密度會引起高溫度梯度，因此開裂、焊接飛濺、氣孔等缺陷的在線監(jiān)測技術(shù)的研究變得至關(guān)重要。由于激光熔絲沉積過程中熔池金屬高亮度、高溫度等不利因素，為監(jiān)測與控制系統(tǒng)的發(fā)展形成一道阻礙，但是通過改進控制系統(tǒng)算法、監(jiān)測系統(tǒng)傳感器位置等關(guān)鍵因素，完全能夠沖破技術(shù)瓶頸與環(huán)境不利條件，不斷創(chuàng)新發(fā)展并豐富改進激光熔絲增材制造監(jiān)測與控制系統(tǒng)。

(2)激光熔絲增材制造的監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計自由、種類繁多，但是要求高精度、高效率，這給激光熔絲增材監(jiān)測與控制系統(tǒng)的發(fā)展造成一定的局限性。現(xiàn)階段，盡管國內(nèi)外有一些研究者研制并開發(fā)出多種新型激光熔絲增材制造監(jiān)測與控制系統(tǒng)，但是相比于電弧熔絲增材制造或粉末增材制造，國內(nèi)外對激光熔絲增材制造監(jiān)測與控制系統(tǒng)的研究很少，研究缺少充足的論據(jù)，因此現(xiàn)有的理論成果的準確性、可行性、實用性等有待進一步驗證。

(3)未來，對于現(xiàn)有的激光熔絲增材制造監(jiān)測與控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，可以進行復(fù)合化、創(chuàng)新化，從單傳感器單物理場監(jiān)測與控制向多傳感器多物理場監(jiān)測與控制發(fā)展，在提升調(diào)控精度與質(zhì)量的同時，提高處理效率、降低設(shè)備成本，在推動激光熔絲增材制造工藝的同時，將實時監(jiān)測與控制系統(tǒng)發(fā)展推廣，將其廣泛應(yīng)用于工程界。