湖南大學智能激光制造中心

激光3D增材制造是近年來研究的熱門技術，該新技術甚至被著名的《經濟學人》雜志認為將推動第三次工業革命。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，且從工藝技術發展的角度而言，激光制造總的發展趨勢是：從簡單零件低效成形到復雜零件高效制造；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、醫療領域的高端應用到機械、汽車領域的大眾應用。智能制造與復合制造作為傳統激光制造的補充，很好地適應了這一發展趨勢，其特點是可以實現大型復雜金屬零件的高效高精低成本制造。

激光制造過程中，因激光功率密度高，光致等離子體是伴隨小孔同時存在的不可避免的重要物理現象。激光加工過程中，會伴隨著聲、光、電等信號的產生，如在線質量監控激光焊接聲、光、電等信號如圖1所示。激光制造產生光致等離子體對加工過程中激光能量的傳遞與耦合、材料對激光能量的吸收以及小孔等特征的形成產生重要的影響。光致等離子體與激光束的相互作用主要有：等離子體對激光能量的吸收、等離子體的反沖力效應、等離子體的熱效應、等離子體對激光的反射和散射。檢測并分析加工過程中產生于激光與材料相互作用區的各種信號一直是在線監測激光制造過程的重要手段。如采用監測等離子體的聲、光及電場信號來判定激光制造過程中的加工質量，再通過控制系統自動調節補償有加工缺陷的區域，對加工過程進行閉環控制，從而實現智能激光制造是一種切實可行的方法。

實時在線檢測采用的傳感器有超聲波傳感器、溫度場傳感器、電弧傳感器及視覺傳感器等，其中視覺傳感器所獲得的信息量大，結合計算機視覺和圖像處理的最新技術成果，大大增強了智能設備的外部適應能力，其研究和發展最引人注目。激光制造過程的非穩定性帶來的零件缺陷問題，通過對加工零件質量進行在線檢測和智能控制成為智能制造應用領域中重要的研究方向。圖2是湖南大學開發的基于輔助光源的激光焊接在線視覺監控系統。利用該視覺檢測系統可實現激光制造過程中的焊縫、小孔、熔池等實時圖像特征信息提取，實現熔寬、熔透、焊縫跟蹤的同步在線控制。同時輔以湖南大學開發的溫度、等離子體等特征監控系統則可實現材料成分、顯微組織、制造缺陷的在線監控，從而完成復雜零件低缺陷的智能激光增材制造。