近年來(lái)，隨著激光快速制造技術(shù)的發(fā)展，激光同軸送粉逐層熔敷的方法直接制造金屬實(shí)體零件技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。它利用計(jì)算機(jī)生成的CAD模型，無(wú)需特定模具而在短時(shí)間內(nèi)制造出復(fù)雜形狀的立體模型或?qū)嶓w。除此之外運(yùn)用這種技術(shù)還可進(jìn)行高精度修復(fù)工作，使其迅速恢復(fù)原有的精度和性能，節(jié)省了成本和時(shí)間。

　　激光同軸送粉是個(gè)復(fù)雜的高功率激光與金屬粉-載流氣體二相流相互作用的物理過(guò)程。存在著金屬粉末粒子對(duì)高功率激光的反射、散射、衍射、吸收和透過(guò)等現(xiàn)象，涉及到光子與微粒子間散射，Beer-Lambert透射，金屬粒子對(duì)激光的韌致輻射吸收，金屬粒子內(nèi)部傳熱、對(duì)流、傳質(zhì)等基礎(chǔ)理論問(wèn)題。要使激光束與粉末流形成良好空間耦合，涉及到激光光斑、幾何形狀、模式分布、粉嘴幾何設(shè)計(jì)，氣-粉流的空間濃度分布，氣-粉流的空間速度場(chǎng)等理論描述及檢測(cè)問(wèn)題。同步送粉激光熔敷工藝參數(shù)的優(yōu)化，涉及激光在粉末流吸收和透過(guò)的能量平衡，吸收后熱粉末溫度場(chǎng)的理論描述及檢測(cè)等問(wèn)題。激光同軸送粉中氣-粉兩相的濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)檢測(cè)是個(gè)難度大的課題。搞清它們不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，更有利于指導(dǎo)應(yīng)用。國(guó)際上已充分認(rèn)識(shí)到激光同軸送粉基礎(chǔ)研究的重要性，已有人開始初步研究，但研究?jī)?nèi)容和結(jié)果都是初步的，缺少先進(jìn)的手段和方法。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，常被用于流場(chǎng)測(cè)試的PIV(Particle Image Velocimetry)技術(shù)漸漸顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)。而另一種IR紅外測(cè)溫技術(shù)的出現(xiàn)也為我們進(jìn)行粉末流場(chǎng)提供了可能。

　　粉末流場(chǎng)的流動(dòng)過(guò)程和其中內(nèi)部的各種物理現(xiàn)象是復(fù)雜的。但通過(guò)我們的分析，可以把主要研究重點(diǎn)放在以下三個(gè)方面：

　?。?）粉末流速度場(chǎng)的研究

　　粉末流速度場(chǎng)的研究還是一個(gè)空白，特別對(duì)于載氣式送粉。從粉嘴噴出粉末粒子的速度分布影響著熔池的形狀。對(duì)粉末利用率，以及進(jìn)一步的理論分析都有著重要影響。在流體力學(xué)領(lǐng)域，由于工程上的需要常進(jìn)行一些流體測(cè)試。PIV 粒子圖像測(cè)速技術(shù)技術(shù)自二十世紀(jì)七十年代以來(lái)，已取得了長(zhǎng)足和令人鼓舞的進(jìn)展。目前PIV技術(shù)已應(yīng)用于各種流動(dòng)的流場(chǎng)觀測(cè)研究中，但將PIV技術(shù)應(yīng)用于激光快速制造中送粉器出口的三維氣固二相流場(chǎng)研究，這在國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)資料中還未見報(bào)道。

　　通過(guò)測(cè)量送粉嘴出口粉末粒子流橫向和縱向的速度場(chǎng)分布，得到測(cè)試截面內(nèi)的二維或三維速度向量場(chǎng)分布、等速度場(chǎng)、等渦量場(chǎng)和二維截面流線分布。

　　在二氧化碳激光束中，由于單臺(tái)脈沖激光器不能提供高能且脈沖間隔極短的激光，因此使用雙脈沖YAG激光器輸出的532nm激光束合束后經(jīng)過(guò)導(dǎo)光臂以及片光源圓柱透鏡組形成的片光源照明金屬粉末流場(chǎng)，給拍攝提供照明光源。這樣經(jīng)同步器調(diào)節(jié)后可以和數(shù)碼相機(jī)形成很好的同步配合。檢測(cè)中采用8比特CCD跨幀相機(jī)鏡頭附加532nm濾光片對(duì)流場(chǎng)的流動(dòng)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。相機(jī)的雙曝光模式可以在瞬間曝光兩次，通過(guò)同步器的控制和脈沖照明光源同步，極短時(shí)間（粒子下落幾個(gè)像素）內(nèi)捕捉兩幅圖像。再通過(guò)數(shù)字圖像處理的方法得到所需要的速度場(chǎng)信息。

　　對(duì)于垂直于送粉器出口軸線截面的速度場(chǎng)測(cè)量，由于相機(jī)不能對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行正直拍攝，得到的流場(chǎng)圖像產(chǎn)生了變形，這就需要結(jié)合數(shù)字圖像處理中的圖像拉伸變形匹配技術(shù)進(jìn)行校正，然后再進(jìn)行速度場(chǎng)的計(jì)算。通過(guò)得到的速度場(chǎng)分布，可以進(jìn)一步通過(guò)環(huán)量計(jì)算公式得到相應(yīng)的渦量場(chǎng)，以及通過(guò)積分計(jì)算得到相應(yīng)的二維流線分布。

　　三維速度場(chǎng)是通過(guò)同樣兩套PIV系統(tǒng)同時(shí)拍攝，將兩套二維速度場(chǎng)結(jié)果，按照雙目視覺(jué)體視原理合成計(jì)算三維的速度場(chǎng)。

　?。?）粉末流濃度場(chǎng)分布和顆粒直徑分布的測(cè)量研究

　　快速制造所使用的粉嘴中，我們最希望它的環(huán)形咀送出的粉末是均勻的，具有軸對(duì)稱分布。這不僅有利于提高成型件表面質(zhì)量，而且便于優(yōu)化激光能量分布。在非載氣送粉中，由于粉末依靠自重下落，受到外界影響比較小，送出的粉末均勻性較好，但也并不能知道其具體情況。而載氣式送粉方法中，由于氣流的影響，粉末的流動(dòng)情況是復(fù)雜多變的，利用理論的方法得到的結(jié)論不盡如人意。

　　使用PIV技術(shù)中的數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合激光片光的照明技術(shù)，通過(guò)拍攝到的金屬粉末流場(chǎng)圖像灰度分布，可以分析得到送粉器出口流場(chǎng)的濃度場(chǎng)分布。同時(shí)根據(jù)粒子在圖像中所占據(jù)的像素個(gè)數(shù)還可以得到單個(gè)粒子直徑及大小，以便于對(duì)被測(cè)金屬微粒粒徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

　　激光片光源采用長(zhǎng)焦距片光匯聚鏡頭，產(chǎn)生接近平行光束的片光照明流場(chǎng)，同時(shí)為了抵消片光經(jīng)過(guò)金屬粉末后的衰減效應(yīng)，在片光入射方向?qū)ΨQ的光路上再增加一個(gè)反射鏡將入射光線沿原光路反射入金屬粉末流場(chǎng)，增加流場(chǎng)照明的均勻度，也保證了濃度場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

　　（3）粉末流束在與高功率激光作用下的溫度場(chǎng)研究

　　粉末流束在激光作用下的溫度場(chǎng)的研究一直是科研人員研究的重點(diǎn)。但是鑒于激光高溫加熱的特殊性，在溫度場(chǎng)方面的研究進(jìn)展并不大。有的學(xué)者通過(guò)理論計(jì)算得到單個(gè)粒子的溫度來(lái)判斷粉場(chǎng)情況，也由臺(tái)灣的學(xué)者提出這方面的初步試驗(yàn)構(gòu)想，但實(shí)際并不可行。還有些學(xué)者提出利用光纖傳感器或比色測(cè)溫儀，但都不可行。盡管也有商業(yè)化的熱像儀，但由于激光作用下的熱粉流場(chǎng)的特殊性，多數(shù)都不能滿足檢測(cè)要求，且價(jià)格過(guò)于昂貴。為此我們通過(guò)深入研究焊接溫度場(chǎng)的測(cè)溫系統(tǒng)，根據(jù)我們的實(shí)際，設(shè)計(jì)了一套用于粉末熱流場(chǎng)的檢測(cè)方法?！「鶕?jù)維恩位移定律，金屬鐵粉經(jīng)過(guò)激光束后最大光譜輻射度波長(zhǎng)響應(yīng)范圍（1970nm-5060nm），我們要去除可見光的影響，同時(shí)也要避開環(huán)境因素的影響，因此我們選用雙比色測(cè)溫濾光片參數(shù)分別為804.5nm和894.6nm。這兩個(gè)波長(zhǎng)均在近紅外區(qū)且在CCD相機(jī)響應(yīng)范圍內(nèi)。又因?yàn)橐ㄟ^(guò)圖像的灰度級(jí)差別來(lái)判斷溫度的高低，所以對(duì)溫度圖像的拍攝要求選用高比特?cái)?shù)的CCD相機(jī)。如柯達(dá)的Megaplus-ES/10就具有1024個(gè)灰度級(jí)，能夠滿足要求。由于粒子本身就在激光作用下，所以無(wú)需照明光源。比色測(cè)溫儀裝置如圖5所示布置，光路系統(tǒng)選用單臺(tái)相機(jī)，切換不同濾色片的單通道型圖像記錄方式。

　　濾光片及其控制保證兩個(gè)濾光片交替置于數(shù)字相機(jī)圖像記錄光路中，移動(dòng)響應(yīng)時(shí)間小于10ms，由計(jì)算機(jī)控制的高精度步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

　　軟件包括兩部分：一部分控制濾光片轉(zhuǎn)入記錄光路機(jī)械控制部分，另一部分進(jìn)行實(shí)時(shí)的同步圖像采集、處理。我們可以采用與被測(cè)物相同材料，將其加熱至指定溫度，利用圖像采集系統(tǒng)采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行去噪音、圖像過(guò)濾處理，令其灰度值作為標(biāo)定值。利用軟件技術(shù)將其已得到的熱粉流場(chǎng)圖像的灰度值換算成溫度值，并通過(guò)不同溫標(biāo)在顯示設(shè)備上實(shí)時(shí)顯示溫度值分布。并可以同時(shí)進(jìn)行二維等溫曲線云圖，以及三維溫度場(chǎng)等高圖的顯示。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　粉流場(chǎng)的速度、濃度分布和高能激光束作用下的熱粉流的溫度場(chǎng)研究是一個(gè)新的領(lǐng)域，所以在研究中，有些關(guān)鍵問(wèn)題仍需解決：

　　1.分析橫截面的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)需要將相機(jī)傾斜一定角度拍攝帶來(lái)圖像的非正直攝影變形問(wèn)題，需要進(jìn)行標(biāo)定和校正，標(biāo)定點(diǎn)的選取和校正的算法直接影響到后期的計(jì)算結(jié)果。

　　2.采用載氣式送粉，粉末粒子流的速度較快，因此使用雙脈沖激光器配合跨幀數(shù)字相機(jī)的雙曝光功能，必須要將各種電氣和光學(xué)信號(hào)需要嚴(yán)格同步控制。因此，同步控制器的研制也是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。為了將CCD數(shù)字相機(jī)的外觸發(fā)雙曝光功能與雙脈沖激光器的氙燈Q開關(guān)等控制信號(hào)同步工作，需要有一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)源來(lái)觸發(fā)它們。這就需要一個(gè)能夠周期的（15Hz）產(chǎn)生多通道觸發(fā)信號(hào)的信號(hào)同步器來(lái)控制整個(gè)圖像采集系統(tǒng)，而且在溫度場(chǎng)的比色測(cè)溫控制中也要將濾光片機(jī)械控制與CCD圖像采集同步控制。

　　3.比色測(cè)溫的溫度場(chǎng)是動(dòng)態(tài)不確定變化的，需要比色測(cè)溫的動(dòng)態(tài)響應(yīng)足夠快，這就需要高速的靈敏的數(shù)字相機(jī)。而且溫度的灰度相差比較小，這就需要高比特?cái)?shù)的相機(jī)，便于準(zhǔn)確表示溫度值。濾波片的切換速度快，也需要高精度的步進(jìn)電機(jī)。4.濾光片的透過(guò)波長(zhǎng)直接影響所捕捉的影像的質(zhì)量。既要求在CCD相機(jī)的有效響應(yīng)范圍之內(nèi)，又不能受可見光及周圍因素的影響。另一方面兩個(gè)濾光片的可通過(guò)光的波長(zhǎng)差值也十分重要，它影響著后面的比色計(jì)算，影響測(cè)量精度。因此恰當(dāng)選擇兩個(gè)濾光片是在測(cè)溫方案中要注意的重要因素之一。

　　5.光路設(shè)計(jì)需要考慮送粉器原有的二氧化碳激光束影響，532nm的照明片光要薄，定位要準(zhǔn)，而且濃度場(chǎng)測(cè)量中擴(kuò)束光經(jīng)過(guò)金屬粉流場(chǎng)能量要均勻，這都是在鏡片的選擇和設(shè)計(jì)中需要考慮的因素。

　　6.體視位移機(jī)構(gòu)的作用是將兩臺(tái)跨幀數(shù)字相機(jī)按照一定角度，類似于生物視覺(jué)原理拍攝流場(chǎng)圖像。這其中不僅包含固定相機(jī)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，還有數(shù)字相機(jī)鏡頭的移軸鏡頭機(jī)構(gòu)，用于滿足非正直拍攝的要求。在三維速度場(chǎng)的檢測(cè)中，這是十分重要的。

　　7.相應(yīng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)。粉末流場(chǎng)由于粒子不斷下落，整體是不停變化的，我們得到的一幅圖像只表示某瞬間的狀態(tài)。為了分析流場(chǎng)的變化規(guī)律及判斷其穩(wěn)定性，我們必須采用實(shí)時(shí)采集，實(shí)時(shí)計(jì)算顯示的技術(shù)。因此數(shù)字圖像處理的算法就尤為重要了。我們應(yīng)開發(fā)出能在盡可能短時(shí)間內(nèi)得到結(jié)果的算法，便于實(shí)時(shí)檢測(cè)。

　　總結(jié)：粉末流場(chǎng)的檢測(cè)是個(gè)比較新的研究領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域里深入研究對(duì)于我們建立準(zhǔn)確的理論模型，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的柔性粉咀具有重要意義。將其用于工程實(shí)際也有直接的指導(dǎo)意義。