湖南大学智能激光制造中心

激光3D增材制造是近年来研究的热门技术，该新技术甚至被著名的《经济学人》杂志认为将推动第三次工业革命。目前，激光制造材料已涵盖不锈钢、工具钢、钛合金、镍基高温合金等常用金属材料，且从工艺技术发展的角度而言，激光制造总的发展趋势是：从简单零件低效成形到复杂零件高效制造；从快速原型到直接零件制造；从近净成形到高精制造；从航空、医疗领域的高端应用到机械、汽车领域的大众应用。智能制造与复合制造作为传统激光制造的补充，很好地适应了这一发展趋势，其特点是可以实现大型复杂金属零件的高效高精低成本制造。

激光制造过程中，因激光功率密度高，光致等离子体是伴随小孔同时存在的不可避免的重要物理现象。激光加工过程中，会伴随着声、光、电等信号的产生，如在线质量监控激光焊接声、光、电等信号如图1所示。激光制造产生光致等离子体对加工过程中激光能量的传递与耦合、材料对激光能量的吸收以及小孔等特征的形成产生重要的影响。光致等离子体与激光束的相互作用主要有：等离子体对激光能量的吸收、等离子体的反冲力效应、等离子体的热效应、等离子体对激光的反射和散射。检测并分析加工过程中产生于激光与材料相互作用区的各种信号一直是在线监测激光制造过程的重要手段。如采用监测等离子体的声、光及电场信号来判定激光制造过程中的加工质量，再通过控制系统自动调节补偿有加工缺陷的区域，对加工过程进行闭环控制，从而实现智能激光制造是一种切实可行的方法。

实时在线检测采用的传感器有超声波传感器、温度场传感器、电弧传感器及视觉传感器等，其中视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理的最新技术成果，大大增强了智能设备的外部适应能力，其研究和发展最引人注目。激光制造过程的非稳定性带来的零件缺陷问题，通过对加工零件质量进行在线检测和智能控制成为智能制造应用领域中重要的研究方向。图2是湖南大学开发的基于辅助光源的激光焊接在线视觉监控系统。利用该视觉检测系统可实现激光制造过程中的焊缝、小孔、熔池等实时图像特征信息提取，实现熔宽、熔透、焊缝跟踪的同步在线控制。同时辅以湖南大学开发的温度、等离子体等特征监控系统则可实现材料成分、显微组织、制造缺陷的在线监控，从而完成复杂零件低缺陷的智能激光增材制造。