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在激光熔覆或金屬3D打印成型過程中，由于基材形狀、溫度、材料和導(dǎo)熱條件的動態(tài)變化，以及熔覆過程中工藝參數(shù)的波動，可能會導(dǎo)致熔覆界面受熱不均勻，熔池形狀、尺寸、溫度等波動較大出現(xiàn)不穩(wěn)定，在這些問題的綜合作用下，可能會造成的堆積材料高度和寬度失控，乃至無法成型；此外，在熔覆路徑的起始兩端，由于存在數(shù)控運(yùn)動機(jī)械的加速或者減速運(yùn)行過程，也可能會導(dǎo)致熔池深度和寬度的變化，使材料成型失控。

為了降低激光熔覆或金屬3D打印過程中的不穩(wěn)因素，提高金屬成形精度，可以通過光學(xué)等監(jiān)測手段對激光熔覆工藝的主要參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，實(shí)現(xiàn)對熔池大小、形狀、溫度的實(shí)時監(jiān)控和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄分析，然后對工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時反饋調(diào)整或PID控制，從而達(dá)到提高工藝穩(wěn)定性能和成形精度的效果。

圖1 激光熔覆成形缺陷案例

圖2  控制系統(tǒng)方法圖

例如：

控制的變量：熔池寬度、熔池高度、熔池溫度

直接控制的參數(shù)：激光功率、掃描速度、光斑大小

閉環(huán)反饋控制軟硬件

南京輝銳光電科技有限公司開發(fā)的輝銳激光修復(fù)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)包括擁有發(fā)明專利（專利號：ZL 2013 1 0654910.7）和軟件著作權(quán)的實(shí)時監(jiān)控與數(shù)據(jù)反饋（登記號：2016SR152148）。擁有對熔池大小進(jìn)行監(jiān)控并對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的軟件界面，通過相應(yīng)參數(shù)設(shè)置來調(diào)節(jié)熔池寬度和形貌，用以改善激光熔覆工藝穩(wěn)定性和成形精度。

圖3  帶同軸成像模塊的激光熔覆頭

圖4  激光頭成像模塊

圖5  軟件操作界面

閉環(huán)控制應(yīng)用典型案例

01典型案例1 – 單墻激光直接成型

成型條件 – 熔池監(jiān)控，無閉環(huán)控制

圖6 單墻激光掃描路徑  激光熔覆過程圖

圖7 開環(huán)熔池寬度實(shí)時測量顯示

圖8 單墻開環(huán)熔覆圖

1.同層成型寬度不穩(wěn)定

2.墻體寬度逐層膨脹

3.兩端堆積成型過厚

成型條件– 熔池監(jiān)控+實(shí)時閉環(huán)控制

圖9 激光功率實(shí)時顯示

圖10  閉環(huán)熔池寬度實(shí)時測量顯示

圖11  單墻閉環(huán)熔覆圖

圖12 開環(huán)、閉環(huán) 單墻熔覆橫截面對比

圖13 開環(huán)、閉環(huán) 單墻熔覆水平面對比

圖14  開環(huán)、閉環(huán)熔覆對比

閉環(huán)軟件使用成效

1.同層成型寬度穩(wěn)定；

2.墻體寬度在高度方向一致；

3.兩端無過厚問題；

4.初始熔覆寬度可保持恒定，確保單墻厚度一致；

02典型案例2–傾斜墻面的成形

樣件激光掃描路徑

圖15  成型條件-無閉環(huán)控制

●  無法形成穩(wěn)定平整的熔覆層

圖16  熔池監(jiān)控＋閉環(huán)反饋

● 可形成穩(wěn)定平整的30°斜面成形

03典型案例3–葉片修復(fù)應(yīng)用

視頻1 閉環(huán)反饋軟件操作視頻