溫度測(cè)量與激光功率控制系統(tǒng)在激光金屬沉積中的應(yīng)用研究

摘要

激光金屬沉積（Laser Metal Deposition, LMD）是一種典型的激光增材制造工藝，其穩(wěn)定性與沉積質(zhì)量在很大程度上依賴于熔池的熱場(chǎng)控制。本文圍繞智能噴嘴的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一——溫度測(cè)量與激光功率控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹其設(shè)計(jì)原理、硬件配置、控制策略及工藝優(yōu)勢(shì)，闡明其在提升LMD穩(wěn)定性與制件一致性方面的重要作用。

1. 引言

在工業(yè)4.0背景下，激光增材制造日益朝著智能化、閉環(huán)控制方向發(fā)展。LMD技術(shù)在航空、模具、重工等行業(yè)具有廣泛應(yīng)用，其關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一在于實(shí)時(shí)控制熔池溫度以保證涂層或堆積層的質(zhì)量。為解決這一問題，智能噴嘴系統(tǒng)集成了溫度測(cè)量裝置與反饋控制機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光能量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

2. 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 溫度測(cè)量系統(tǒng)：雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀

為確保在高溫熔池環(huán)境中實(shí)現(xiàn)可靠測(cè)量，系統(tǒng)采用了IMPAC IGAR 12-LO型雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫儀。其核心特點(diǎn)包括：

• 測(cè)溫范圍廣：550°C 至 2500°C，適配鋼、鎳、鈦等合金材料；

• 抗干擾能力強(qiáng)：通過(guò)對(duì)兩個(gè)相鄰紅外波段（1.52 μm 和 1.64 μm）的比值計(jì)算溫度，克服了發(fā)射率波動(dòng)和粉塵干擾問題；

• 同軸配置：測(cè)溫儀與激光束通過(guò)**分色鏡（dichroic lens）**實(shí)現(xiàn)光路整合，確保測(cè)溫點(diǎn)始終位于熔池中心，無(wú)論路徑如何變化。

2.2 激光功率閉環(huán)控制：PID 控制策略

系統(tǒng)通過(guò)測(cè)得的溫度信號(hào)與目標(biāo)值的偏差，利用PID控制算法調(diào)節(jié)激光功率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。

• 比例（P）項(xiàng)負(fù)責(zé)響應(yīng)當(dāng)前誤差；

• 積分（I）項(xiàng)消除累計(jì)偏差；

• 微分（D）項(xiàng)預(yù)測(cè)誤差變化趨勢(shì)，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)有效控制，采用了Ziegler-Nichols第二整定法確定控制參數(shù)。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取系統(tǒng)臨界增益 $K_{cr}$ 和振蕩周期 $P_{cr}$，再計(jì)算對(duì)應(yīng)的 $K_p$、$T_i$、$T_d$ 值，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制響應(yīng)。

3. 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用效果

3.1 熱場(chǎng)穩(wěn)定性提升

實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)使得系統(tǒng)對(duì)路徑變化、工件幾何差異等擾動(dòng)具有較強(qiáng)適應(yīng)能力，有效防止熔池過(guò)熱或冷卻不足的問題，保證了熔深與熔寬的一致性。

3.2 提升制件質(zhì)量與一致性

控制精度的提升帶來(lái)了更為一致的層間結(jié)合與組織性能，尤其適用于制造高質(zhì)量薄壁結(jié)構(gòu)、葉片等對(duì)幾何一致性要求較高的工件。

3.3 支撐后續(xù)系統(tǒng)集成

穩(wěn)定的溫度控制為粉末流量控制系統(tǒng)與沉積高度檢測(cè)系統(tǒng)提供了可靠的先驗(yàn)基礎(chǔ)，使得整個(gè)智能噴嘴系統(tǒng)協(xié)同工作更加高效。

4. 結(jié)論

溫度測(cè)量與激光功率控制系統(tǒng)是智能LMD噴嘴中的關(guān)鍵模塊。通過(guò)高精度的雙波長(zhǎng)紅外測(cè)溫、同軸測(cè)量結(jié)構(gòu)以及PID閉環(huán)調(diào)節(jié)策略，該系統(tǒng)有效解決了LMD過(guò)程中的熱不穩(wěn)定問題，為提升制件質(zhì)量、增強(qiáng)過(guò)程魯棒性提供了有力保障。未來(lái)，該系統(tǒng)將在多軸聯(lián)動(dòng)、復(fù)雜路徑自適應(yīng)等智能制造場(chǎng)景中發(fā)揮更大作用。