激光再制造熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)研究
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激光加工的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，使溫度場(chǎng)模型在熱傳導(dǎo)定律下保持一致，但由于各自不同的“歷史”條件和“環(huán)境”條件，使模擬結(jié)果有很大差異。研究者們對(duì)于激光加工溫度場(chǎng)各影響因素的處理方式不盡相同，各種研究結(jié)果都有其合理的一面，每一種特定條件下的溫度場(chǎng)都應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。在復(fù)雜的定解條件下，很難求出激光加熱溫度場(chǎng)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(shù)值積分法等數(shù)值解法求解溫度場(chǎng)的數(shù)值解。
數(shù)值解法以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，其理論基礎(chǔ)雖不如解析解法那樣嚴(yán)密，但對(duì)實(shí)際問(wèn)題有很大的適應(yīng)性。一般稍復(fù)雜的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，幾乎都能通過(guò)數(shù)值解法求解。常用的數(shù)值解法有有限差分法和有限元法。
早在20多年前有關(guān)人員就用有限差分方法研究了運(yùn)動(dòng)的高斯激光熱源三維熱傳導(dǎo)模型。利用數(shù)值方法建立二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)激光熔覆熔池流動(dòng)及傳熱過(guò)程的數(shù)值模型的建立[6]，對(duì)激光熔覆自由表面形狀的模擬，對(duì)溫度場(chǎng)、相變組織分布、材料性能的數(shù)值模擬。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的廣泛應(yīng)用，溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬也得到了進(jìn)一步的研究。如三維流場(chǎng)溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)計(jì)算模擬，建立了與激光快速成形過(guò)程一致的三維瞬態(tài)薄壁零件溫度場(chǎng)計(jì)算模型。此外還有用其它方法研究溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型的數(shù)值解如小波變換法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。
4、溫度場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)
溫度測(cè)量與長(zhǎng)度、質(zhì)量、壓力等參數(shù)的測(cè)量有所不同，它是利用某些物質(zhì)的物理性能如線膨脹率、電阻率、電勢(shì)率、熱噪聲、熱（光）輻射等與溫度的關(guān)系，做成各式各樣的感溫器件棗溫度傳感器的，并通過(guò)它們隨溫度的變化量間接獲得溫度值。溫度是按照熱力學(xué)第零定律測(cè)量的，與處于平衡態(tài)系統(tǒng)中的傳感器具有相同的溫度被認(rèn)為是被測(cè)系統(tǒng)的溫度。但由于熱平衡態(tài)的建立十分難得，有的情況下并不可能，因此溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度通常難以保證或者說(shuō)不能夠要求太高，要測(cè)量瞬態(tài)溫度更是困難。
常用測(cè)溫一般分為接觸式測(cè)量法和非接觸測(cè)量法兩大類[7]。接觸測(cè)溫大多數(shù)等待熱平衡時(shí)才能正確測(cè)定溫度，測(cè)量過(guò)程會(huì)受被測(cè)對(duì)象特性及傳熱方式的影響，使所測(cè)定溫度與真實(shí)溫度不可能一致。當(dāng)介質(zhì)具有腐蝕性，在高溫條件下測(cè)量元件的使用期限相對(duì)縮短，測(cè)量準(zhǔn)確度也會(huì)相應(yīng)降低。接觸測(cè)溫儀表主要有膨脹式溫度計(jì)、電阻溫度計(jì)、熱電溫度計(jì)，其它接觸溫度計(jì)，如聲學(xué)溫度計(jì)、熱噪聲溫度計(jì)、晶體溫度計(jì)、光纖溫度計(jì)等，這些應(yīng)用較少。非接觸測(cè)溫大多是根據(jù)被測(cè)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(cè)物體的溫度。主要有亮度溫度計(jì)、輻射溫度計(jì)、比色溫度計(jì)。
在激光再制造過(guò)程中，激光熔池的熱過(guò)程貫穿整個(gè)加工過(guò)程，一切物理化學(xué)過(guò)程都是在熱過(guò)程發(fā)生和發(fā)展，由于激光的高能密度和聚焦的尺度小等特點(diǎn)，這一過(guò)程都是在極短的時(shí)間內(nèi)完成，使得激光再制造的熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)變得比較困難，激光溫度場(chǎng)檢測(cè)屬于高溫測(cè)量，目前的研究主要建立在對(duì)熔池溫度場(chǎng)的數(shù)值分析上。如：選用具有高抗干擾性能的紅外比值測(cè)溫方法，采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并配備自動(dòng)測(cè)溫控制開關(guān)及傳感器的保護(hù)冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)了熔體溫度的在線檢測(cè)；在線紅外三色輻射測(cè)溫新技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)的研究；紅外比色測(cè)溫儀的研制[8]。以上都是基于數(shù)值分析的理論研究，后來(lái)又加入了CCD攝像機(jī)將測(cè)溫方法進(jìn)一步改進(jìn)，可以得到溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)拍攝圖片，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)理論檢測(cè)研究做進(jìn)一步的驗(yàn)證。
5、結(jié)論
再制造作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)逐漸提升或取代傳統(tǒng)的修復(fù)維修手段，激光再制造技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，熔池溫度場(chǎng)檢測(cè)的在激光再制造技術(shù)中是一個(gè)極其重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它為工藝設(shè)計(jì)及精度控制奠定了基礎(chǔ)。本文對(duì)溫度場(chǎng)的分析方法及檢測(cè)技術(shù)都做了詳細(xì)的闡述。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是圖像處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用,激光熔池溫度場(chǎng)的檢測(cè)技術(shù)將向可視化、智能化方向發(fā)展。
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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(60478004)和天津市科委重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目(033188011).資助項(xiàng)目。 (end)
評(píng)論