湖南大學(xué)智能激光制造中心

激光3D增材制造是近年來(lái)研究的熱門技術(shù)，該新技術(shù)甚至被著名的《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為將推動(dòng)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(shì)是：從簡(jiǎn)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(jī)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(bǔ)充，很好地適應(yīng)了這一發(fā)展趨勢(shì)，其特點(diǎn)是可以實(shí)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(guò)程中，因激光功率密度高，光致等離子體是伴隨小孔同時(shí)存在的不可避免的重要物理現(xiàn)象。激光加工過(guò)程中，會(huì)伴隨著聲、光、電等信號(hào)的產(chǎn)生，如在線質(zhì)量監(jiān)控激光焊接聲、光、電等信號(hào)如圖1所示。激光制造產(chǎn)生光致等離子體對(duì)加工過(guò)程中激光能量的傳遞與耦合、材料對(duì)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(duì)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(duì)激光的反射和散射。檢測(cè)并分析加工過(guò)程中產(chǎn)生于激光與材料相互作用區(qū)的各種信號(hào)一直是在線監(jiān)測(cè)激光制造過(guò)程的重要手段。如采用監(jiān)測(cè)等離子體的聲、光及電場(chǎng)信號(hào)來(lái)判定激光制造過(guò)程中的加工質(zhì)量，再通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償有加工缺陷的區(qū)域，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)智能激光制造是一種切實(shí)可行的方法。

實(shí)時(shí)在線檢測(cè)采用的傳感器有超聲波傳感器、溫度場(chǎng)傳感器、電弧傳感器及視覺(jué)傳感器等，其中視覺(jué)傳感器所獲得的信息量大，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理的最新技術(shù)成果，大大增強(qiáng)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(guò)程的非穩(wěn)定性帶來(lái)的零件缺陷問(wèn)題，通過(guò)對(duì)加工零件質(zhì)量進(jìn)行在線檢測(cè)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(kāi)發(fā)的基于輔助光源的激光焊接在線視覺(jué)監(jiān)控系統(tǒng)。利用該視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)激光制造過(guò)程中的焊縫、小孔、熔池等實(shí)時(shí)圖像特征信息提取，實(shí)現(xiàn)熔寬、熔透、焊縫跟蹤的同步在線控制。同時(shí)輔以湖南大學(xué)開(kāi)發(fā)的溫度、等離子體等特征監(jiān)控系統(tǒng)則可實(shí)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。