激光再制造熔池溫度場檢測研究
加入技術交流群
激光加工的復雜性和影響因素的多樣性，使溫度場模型在熱傳導定律下保持一致，但由于各自不同的“歷史”條件和“環境”條件，使模擬結果有很大差異。研究者們對于激光加工溫度場各影響因素的處理方式不盡相同，各種研究結果都有其合理的一面，每一種特定條件下的溫度場都應具體問題具體分析。在復雜的定解條件下，很難求出激光加熱溫度場的解析解，所以研究人員又尋求另一種常用的分析方法，用有限元法、有限差分法和數值積分法等數值解法求解溫度場的數值解。
數值解法以離散數學為基礎，以計算機為工具，其理論基礎雖不如解析解法那樣嚴密，但對實際問題有很大的適應性。一般稍復雜的熱傳導問題，幾乎都能通過數值解法求解。常用的數值解法有有限差分法和有限元法。
早在20多年前有關人員就用有限差分方法研究了運動的高斯激光熱源三維熱傳導模型。利用數值方法建立二維準穩態激光熔覆熔池流動及傳熱過程的數值模型的建立[6]，對激光熔覆自由表面形狀的模擬，對溫度場、相變組織分布、材料性能的數值模擬。隨著計算機軟件技術的廣泛應用，溫度場的數值模擬也得到了進一步的研究。如三維流場溫度場的計算機計算模擬，建立了與激光快速成形過程一致的三維瞬態薄壁零件溫度場計算模型。此外還有用其它方法研究溫度場數學模型的數值解如小波變換法神經網絡法等。
4、溫度場檢測技術
溫度測量與長度、質量、壓力等參數的測量有所不同，它是利用某些物質的物理性能如線膨脹率、電阻率、電勢率、熱噪聲、熱（光）輻射等與溫度的關系，做成各式各樣的感溫器件棗溫度傳感器的，并通過它們隨溫度的變化量間接獲得溫度值。溫度是按照熱力學第零定律測量的，與處于平衡態系統中的傳感器具有相同的溫度被認為是被測系統的溫度。但由于熱平衡態的建立十分難得，有的情況下并不可能，因此溫度測量的準確度通常難以保證或者說不能夠要求太高，要測量瞬態溫度更是困難。
常用測溫一般分為接觸式測量法和非接觸測量法兩大類[7]。接觸測溫大多數等待熱平衡時才能正確測定溫度，測量過程會受被測對象特性及傳熱方式的影響，使所測定溫度與真實溫度不可能一致。當介質具有腐蝕性，在高溫條件下測量元件的使用期限相對縮短，測量準確度也會相應降低。接觸測溫儀表主要有膨脹式溫度計、電阻溫度計、熱電溫度計，其它接觸溫度計，如聲學溫度計、熱噪聲溫度計、晶體溫度計、光纖溫度計等，這些應用較少。非接觸測溫大多是根據被測物體的熱輻射，按照其亮度或輻射能量的大小，間接推算被測物體的溫度。主要有亮度溫度計、輻射溫度計、比色溫度計。
在激光再制造過程中，激光熔池的熱過程貫穿整個加工過程，一切物理化學過程都是在熱過程發生和發展，由于激光的高能密度和聚焦的尺度小等特點，這一過程都是在極短的時間內完成，使得激光再制造的熔池溫度場檢測變得比較困難，激光溫度場檢測屬于高溫測量，目前的研究主要建立在對熔池溫度場的數值分析上。如：選用具有高抗干擾性能的紅外比值測溫方法，采用單片機進行數據處理，并配備自動測溫控制開關及傳感器的保護冷卻裝置，實現了熔體溫度的在線檢測；在線紅外三色輻射測溫新技術及應用技術的研究；紅外比色測溫儀的研制[8]。以上都是基于數值分析的理論研究，后來又加入了CCD攝像機將測溫方法進一步改進，可以得到溫度場的實時拍攝圖片，利用計算機圖像處理技術對理論檢測研究做進一步的驗證。
5、結論
再制造作為一種先進的制造技術逐漸提升或取代傳統的修復維修手段，激光再制造技術也得到了廣泛的應用，熔池溫度場檢測的在激光再制造技術中是一個極其重要的技術環節，它為工藝設計及精度控制奠定了基礎。本文對溫度場的分析方法及檢測技術都做了詳細的闡述。隨著計算機技術的不斷發展，特別是圖像處理技術的廣泛應用,激光熔池溫度場的檢測技術將向可視化、智能化方向發展。
參考文獻：
[1] Y. Li, et al. Laser Direct Forming of Metal Components: technical characterizations[C]. Proceeding of SPIE, 2002, Vol.4915: 395-402.
[2] C. Atwood et al. Laser Engineered Net Shaping: A tool for direct fabrication of metal parts[C]. ICALEO?998, Section E 1-9, 1998.
[3] 李會山，楊洗陳等。激光再制造過程熔池溫度場的數值模擬[J]。天津工業大學學報，2003.22(5): 9-12。
[4] 莊其仁。激光焊接溫度場解析計算[J]。華僑大學學報：自然科學版，2001，22(3): 247-252。
[5] 湯彬，郭元強等。金屬間化合物Ni3Al激光表面快凝處理溫度場的研究[J]。金屬熱處理學報，1996，17(1): 33-38。
[6] Picasso M, Hoadley A F A. Int J Meth Heat Fluid Flow[M], 1994, 4: 6.
[7] 朱麟章。高溫測量原理與應用[M]。北京：科學出版社，1991.11。
[8] 王一丁。倍波長法測溫技術的研究[J]。光電子·激光，2002，13(3): 267-269。
基金項目：國家自然科學基金(60478004)和天津市科委重點攻關項目(033188011).資助項目。 (end)
評論