激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高度、熔池状态;常见的控制系统为以闭环控制策略为主的在线反馈送丝速率控制系统、在线反馈激光功率控制系统等,在线监测系统与控制系统协同作用,能够显著优化增材制造工艺、提高成形质量。介绍了包括三维超声波扫描技术、电磁振动监测技术在内的新兴激光熔丝增材制造监测技术。结合激光熔丝增材制造技术的工艺难题对下一代监测与控制系统进行展望。国内外对沉积层高度和宽度、熔池尺寸和温度等监测对象已有较为充分的研究和试验验证,但在沉积过程中,由于激光的高能量密度会造成高温度梯度,因此对沉积过程在线高精度、高质量监测与控制技术的研究变得至关重要。 创新点： 激光熔丝增材制造成形精度要求高,同时国内外对该技术的相关工艺、成形原位控制的研究处于起步阶段,对沉积层、熔池偏差的实时监测与控制进行深入研究具有重要意义。     

激光选区熔化工艺过程数值模拟的国内外研究现状

激光选区熔化工艺(SLM)是采用高功率激光逐层熔化粉末的方式成形金属零件,相比于传统加工技术,它可以快速成形任意精细复杂结构的零件。激光选区熔化增材制造工艺涉及多尺度、多影响因素、多学科等复杂的物理化学冶金过程,采用实验手段很难直接观察到微观物理现象,且材料工艺试验开发周期长且成本高,迫切需要跨尺度的数值模拟手段揭示其工艺过程的相关机理,降低试验开发周期及成本。本文从宏观温度场、熔池动力学、熔池凝固行为以和残余应力及变形四个方面,综述了国内外金属SLM工艺过程的数值模拟研究现状。     

选区激光熔化Al-Mg-Sc-Zr合金成形性及力学性能研究

通过选区激光熔化(SLM)技术制备Al-Mg-Sc-Zr铝合金，系统研究了不同工艺参数对铝合金粉末成形性以及不同时效处理条件对SLM成形样品组织和力学性能的影响。结果表明，在高激光功率和低激光扫描速度下，SLM成形样品的致密度较高。沿样品沉积方向可观察到熔池层层堆叠的显微组织，熔池边界和熔池内部均存在细小纳米颗粒。经不同温度时效处理后，样品的硬度和压缩屈服强度先增加后降低。SLM成形样品经400℃时效处理3 h后屈服强度达到最大值469±4 MPa。     

SLM成形Cu6AlNiSnInCe仿金合金的工艺优化及其组织与性能

采用激光选区熔化(SLM)工艺成形Cu6AlNiSnInCe仿金合金,研究不同SLM工艺参数组合对试样成形质量及其组织和性能的影响。结果表明,根据SLM成形试样的形貌特征可将激光功率和扫描速度的影响直观地划分为六个区域,分别是过熔区、完全熔化区、球化区、部分熔化区、严重球化区和未成形区。在完全熔化区时,激光能量密度达到156 J/mm3,仿金粉末在该参数区域完全熔化且熔池保持稳定的状态,试样密度较高、表面质量较好,表面粗糙度为9.2μm;SLM试样由基体α-Cu(Al Ni)相和弥散分布在基体中的析出δ-Cu41Sn11相组成;SLM试样的抗变形能力、显微硬度和耐腐蚀性能均优于铸造试样。     

SLM成形金属薄壁件表面缺陷形成机理研究

选区激光熔化技术（SLM）被认为是最具潜力的金属增材制造技术之一。对SLM成形316L不锈钢薄壁件侧壁表面形成机理与优化策略进行了研究。实验结果发现：随着体能量密度的逐渐提升,SLM成形金属薄壁件侧壁粘粉、凹陷（孔隙）等表面缺陷及壁厚精度均呈现分段性变化,即熔池烧结存在固相烧结、稳态传导和非稳定匙孔三种模式。不同体能量密度条件下的熔池热、动力学行为耦合作用改变,使得各种表面缺陷的分布、形貌乃至形成过程均不同。重点分析了叠层褶皱、道内震荡褶皱及飞溅沉积褶皱三类表面褶皱形貌的形成机理。上述研究为提高SLM成形复杂薄壁结构表面质量提供了实验与理论借鉴。     

激光选区熔化成形铝合金的缺陷及控制方法研究进展

激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术能够实现高精度复杂铝合金零件的制造.本文介绍了SLM成形技术的原理,阐述了国内外SLM成形铝合金缺陷的研究进展,分析了SLM成形铝合金过程中可能出现的球化、孔隙、残余应力及裂纹、氧化夹杂和合金元素烧损五种缺陷的形成原因和控制方法,并简要预测了未来...     

金属粉末选区激光熔化球化现象研究

球化现象是选区激光熔化(SLM)成形中的常见缺陷,是影响零件致密度及力学性能的关键因素之一。目前,国内外对SLM成形方面还处于初步阶段,对SLM成形中球化的成形理论、成形过程及控制方法研究还不够深入。本文从金属液与固体表面的润湿性问题和SLM成形中液滴飞溅两个方面阐述了球化的成形理论;从激光熔化金属粉末是否穿透粉层的角度分析了球化的成形过程;从氧含量和金属粉末熔化量等方面提出了球化的控制方法。     

GH536高温合金选区激光熔化温度场和残余应力的有限元模拟

计算了GH536高温合金选区激光熔化(SLM)过程中熔池区域的温度场变化和凝固后残余应力分布。计算采用复合Gauss热源研究激光光学穿透深度的影响规律,通过研究材料属性随温度的变化关系实现粉层、熔池及固态金属的转化。实验结果表明,Gauss热源模型能够较好地模拟SLM过程中的温度场分布以及凝固后的残余应力。模拟结果显示,随着激光功率的增大,熔池宽度、深度和长度均相应增大,凝固速率减小;随着扫描速率增大,熔池宽度和深度减小,长度不变,凝固速率增大。计算结果表明,单层选区激光熔化的零件表面存在较大的拉应力,随着深度增大,拉应力迅速减小转为压应力。     

选区激光熔化316L粉末过程数值模拟研究

采用光滑粒子流体动力学方法建立了单道次选区激光熔化(SLM)的三维数学模型,耦合了流动场、温度场、表面张力以及润湿作用对选区激光熔化316L不锈钢粉末过程进行数值模拟研究。分析了不同激光功率对熔池长度和宽度的影响以及表面张力对SLM过程的影响,并与有限元模拟软件的模拟结果以及试验结果进行对比。结果表明,熔池的长度与宽度随着激光功率的增大而增大,同时也验证了马兰戈尼力是SLM过程的主要驱动力。     

Al-Mg-Li合金选区激光熔化成形及热处理工艺

设计并制备了多种不同成分的铝锂合金粉末，对其进行了选区激光熔化(SLM)成形，选取高致密、无裂纹的自研铝镁锂合金成形零件进行了热处理工艺研究。结果表明，第三代Al-Li-Cu系铝锂合金在选区激光熔化成形快速凝固过程中极易产生微裂纹，第二代Al-Li-Mg系合金较为适合选区激光熔化成形，能够得到高致密、无裂纹的成形样件；选区激光熔化成形铝镁锂合金在200℃进行时效热处理，强化相主要为δ′相，时效48 h达到峰时效状态，继续延长时效时间，其力学性能有所下降。     

In situ monitoring methods for selective laser melting additive manufacturing process based on images — A review

Selective laser melting (SLM) has been widely used in the fields of aviation, aerospace and die manufacturing due to its ability to produce metal components with arbitrarily complex shapes. However, the instability of SLM process often leads to quality fluctuation of the formed component, which hinders the further development and application of SLM. In situ quality control during SLM process is an effective solution to the quality fluctuation of formed components. However, the basic premise of feedback control during SLM process is the rapid and accurate diagnosis of the quality. Therefore, an in situ monitoring method of SLM process, which provides quality diagnosis information for feedback control, became one of the research hotspots in this field in recent years. In this paper, the research progress of in situ monitoring during SLM process based on images is reviewed. Firstly, the significance of in situ monitoring during SLM process is analyzed. Then, the image information source of SLM process, the image acquisition systems for different detection objects (the molten pool region, the scanned layer and the powder spread layer) and the methods of the image information analysis, detection and recognition are reviewed and analyzed. Through review and analysis, it is found that the existing image analysis and detection methods during SLM process are mainly based on traditional image processing methods combined with traditional machine learning models. Finally, the main development direction of in situ monitoring during SLM process is proposed by combining with the frontier technology of image-based computer vision.     

铝合金爬坡TIG焊熔池失稳状态的视觉检测

对焊接过程中的熔池状态进行视觉检测是实现焊缝质量在线监测的重要手段. 针对中厚板铝合金爬坡钨极氦弧焊过程易出现的熔池失稳和成形缺陷问题,提出了一种基于熔池图像特征的钨极惰性气体保护焊(TIG)焊接状态监测方法. 基于构建的被动视觉传感系统,实现强弧光干扰条件下清晰熔池图像的获取. 提出了一种基于Otsu’s阈值分割和视觉显著性特征(VSF)的氦弧焊熔池图像处理算法,用于提取熔池图像的形态特征,并分析了所提取视觉特征与铝合金爬坡TIG焊过程稳定性的关系. 最后建立了支持向量机(SVM)模型实现熔池稳定性状态的在线识别. 结果表明,相对于熔池轮廓几何特征,熔池尾端熔融金属的形态特征能够更有效地反映出铝合金爬坡TIG焊过程中出现的熔池不稳定状态. 所建立的焊接状态分类模型在单一特征输入条件下,最高准确率达到95.94%. 所提出的实时检测方法为大型铝合金构件TIG焊缝成形缺陷的在线智能诊断与工艺优化提供了基础.     

Sensing, modeling and control for laser-based additive manufacturing

Laser-Based Additive Manufacturing (LBAM) is a promising manufacturing technology that can be widely applied to part preparation, surface modification, and Solid Freeform Fabrication (SFF). A large number of parameters govern the LBAM process. These parameters are sensitive to the environmental variations, and they also influence each other. This paper introduces the research work in RCAM on improving the performance of the LBAM process. Metal powder delivery real-time sensing and control is studied to achieve a controllable powder delivery for fabrication of functionally graded material. A closed-loop control system based on infrared image sensing is built for control of the heat input and size of the molten pool in the LBAM process. The closed-loop control results show a great improvement in the geometrical accuracy of the built features. A three-dimensional finite element model is also established to explore the thermal behavior of the molten pool in the closed-loop controlled LBAM process.     

激光熔覆熔池检测控制技术的研究进展

激光熔覆是近年来蓬勃发展的新型制造技术,很多研究试图从激光熔池的检测入手来提高激光熔覆工艺的自动化程度,进而提高生产效率。针对同步送粉激光熔覆工艺中熔池检测控制技术近年来的研究状况进行了综述。首先介绍了各种类型的检测设备及其安装方法;其次介绍了熔覆工艺参数对检测信号的影响及熔池检测信号同熔覆质量之间的关系;然后介绍了基于熔池检测技术的激光熔覆闭环控制系统;最后认为目前的熔池检测控制研究中,熔池中的有效信息还可进一步挖掘,以提高熔覆质量、自动化程度及生产效率。     

激光功率与扫描速度对选区激光熔化钴铬合金组织性能的影响

目的 明确选区激光熔化钴铬合金中激光线能量密度、激光功率和激光扫描速度对成形件组织、性能的影响,探究优化工艺参数的方法。方法 基于ANSYS有限元软件模拟选区激光熔化过程中熔池尺寸的基础上,通过金相显微镜分析了熔池尺寸和显微组织,电子背散射衍射分析了晶粒尺寸,使用力学试验机和洛氏硬度计研究了试样的力学性能。结果 随着线能量密度降低,成形件的熔池尺寸、晶粒大小、冷却速度和力学性能降低。但在激光线线能量密度为0.242 J/mm的条件下,扫描速度为1 200 mm/s时成形试样的致密度为98.7%,抗拉强度为867 MPa,延伸率为6.5%,其力学性能均高于扫描速度为950 mm/s时成形的试样,与线能量密度更高的0.263 J/mm成形条件下250 W+950 mm/s的成形试样力学性能相近。结论 激光线能量密度是影响选区激光熔化钴铬合金熔池尺寸和组织性能的关键因素,但熔池尺寸与激光线能量密度没有线性关系。相同的线能量密度下,增加激光扫描速度,有利于获得大的熔池尺寸和冷却速度,提高成形件的致密度和降低晶粒尺寸,最终使成形件力学性能提高。     

Welding phenomena and in-process monitoring in high-power YAG laser welding of aluminium alloy

Laser welding of aluminium alloys is difficult because of their low laser coupling, easy formation of welding defects, etc. and thus the establishment of in process monitoring technique is expected in various industries to obtain highly reliable laser welds. In this study, therefore, both the reflected laser beam and radiation light from die molten pool were investigated as monitoring signals during YAG laser welding of A5052 and A5182 aluminium alloy to confirm validity and usefulness of these signals for monitoring. At the same time, laser-welding phenomena were observed through a high-speed video camera to better interpret the monitored signals. Two signals were detected by utilizing photo sensors and band pass or cut-off filters coaxially against a laser beam and from the above-back direction. In this paper, experimental setup, and monitoring and observation results were presented. The correlation between monitoring signals and welding phenomena was clarified when the welding defects such as underfilling and through holes were formed.     

管道全位置焊接熔池监测试验研究

在管道全位置自动焊接过程中,焊接熔池形态监测对焊接质量控制有重要意义。设计一套熔池监测试验装置,方便采集清晰的熔池图像。运用图像处理技术检测熔池边缘。用熔池长度、熔池宽度以及熔池头部轮廓二项式系数等特征参数重新定义熔池形态。应用正交试验法和极差分析法,研究在仰焊区段焊接电流、电弧电压以及焊枪摆速等因素组合变化时对熔池形态的影响程度。结果表明:采用优化的焊接工艺参数组合,可以获得良好的焊缝成形质量。     

基于实时测量的等离子喷焊熔池温度对焊层组织性能的影响

等离子喷焊过程中熔池温度波动大,目前主要存在依赖人工干预、自动化程度低等问题,喷焊层质量受到很大影响。因此,喷焊过程熔池温度的实时控制是等离子喷焊技术发展的必然选择。为研究喷焊过程熔池温度变化对喷焊层组织性能的影响,开发实时监控技术打下基础,采用在线监测的方法,对喷焊过程熔池温度进行实时测量,分析了喷焊过程熔池温度对喷焊层宏观形貌、组织成分和显微硬度的影响。结果表明,等离子喷焊过程熔池温度控制在1400℃左右,喷焊层具有较好的组织与性能。喷焊过程熔池温度较低时,容易引起近熔合区形成氧化物夹杂;喷焊过程熔池温度过高时,容易造成喷焊层稀释率的增加。喷焊电流110 A时,前段喷焊层的显微硬度为(670±26) HV0.1,明显高于中段喷焊层的显微硬度(550±20) HV0.1;当喷焊电流为70、110和150 A时,喷焊层显微硬度呈由高到低的趋势。     

铝合金TIG焊接熔池状态多传感器数据协同感知算法

针对铝合金钨极惰性气体保护电弧焊(tungsten inert gas arc welding,TIG焊)过程中,焊接工艺参数的实时状态与焊缝熔池三维尺寸间的非线性对应关系,研究建立一种基于信息物理融合的多传感器TIG焊过程熔池状态协同感知计算方法. 首先,构建由红外温度传感器、电弧形态传感器、电弧能量传感器和焊接位置传感器组成的TIG焊过程熔池状态信息物理融合系统架构. 其次,考虑焊接过程中焊枪电弧的运动特性和测量噪声影响,设计基于温度、位置、能量传感器信息交互的熔池长宽深三维参数状态感知策略,并基于多传感器数据的异步和异构特性,提出了基于无迹卡尔曼滤波的焊接过程中熔池状态的多传感器数据协同感知算法. 针对7075超硬铝合金TIG焊过程进行熔池参数在线测量与辨识试验,结果表明,所提算法能够根据TIG焊过程多传感器数据实时计算熔池参数结果,焊缝宽度和焊缝高度计算结果误差基本上控制在10%以内,该算法响应时间基本控制在0.3 s内,能够较为准确地评估焊接过程中熔池的实时状态.