溫度測量與激光功率控制系統(tǒng)在激光金屬沉積中的應用研究

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)定性與沉積質量在很大程度上依賴于熔池的熱場控制。本文圍繞智能噴嘴的關鍵子系統(tǒng)之一——溫度測量與激光功率控制系統(tǒng)，詳細介紹其設計原理、硬件配置、控制策略及工藝優(yōu)勢，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技術在航空、模具、重工等行業(yè)具有廣泛應用，其關鍵挑戰(zhàn)之一在于實時控制熔池溫度以保證涂層或堆積層的質量。為解決這一問題，智能噴嘴系統(tǒng)集成了溫度測量裝置與反饋控制機制，實現(xiàn)了對激光能量的動態(tài)調節(jié)。

2. 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 溫度測量系統(tǒng)：雙波長紅外測溫儀

為確保在高溫熔池環(huán)境中實現(xiàn)可靠測量，系統(tǒng)采用了IMPAC IGAR 12-LO型雙波長紅外測溫儀。其核心特點包括：

• 測溫范圍廣：550°C 至 2500°C，適配鋼、鎳、鈦等合金材料；

• 抗干擾能力強：通過對兩個相鄰紅外波段（1.52 μm 和 1.64 μm）的比值計算溫度，克服了發(fā)射率波動和粉塵干擾問題；

• 同軸配置：測溫儀與激光束通過**分色鏡（dichroic lens）**實現(xiàn)光路整合，確保測溫點始終位于熔池中心，無論路徑如何變化。

2.2 激光功率閉環(huán)控制：PID 控制策略

系統(tǒng)通過測得的溫度信號與目標值的偏差，利用PID控制算法調節(jié)激光功率，實現(xiàn)實時閉環(huán)控制。

• 比例（P）項負責響應當前誤差；

• 積分（I）項消除累計偏差；

• 微分（D）項預測誤差變化趨勢，增強穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)有效控制，采用了Ziegler-Nichols第二整定法確定控制參數。首先通過實驗獲取系統(tǒng)臨界增益 $K_{cr}$ 和振蕩周期 $P_{cr}$，再計算對應的 $K_p$、$T_i$、$T_d$ 值，實現(xiàn)最優(yōu)控制響應。

3. 系統(tǒng)優(yōu)勢與應用效果

3.1 熱場穩(wěn)定性提升

實時反饋調節(jié)使得系統(tǒng)對路徑變化、工件幾何差異等擾動具有較強適應能力，有效防止熔池過熱或冷卻不足的問題，保證了熔深與熔寬的一致性。

3.2 提升制件質量與一致性

控制精度的提升帶來了更為一致的層間結合與組織性能，尤其適用于制造高質量薄壁結構、葉片等對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)與沉積高度檢測系統(tǒng)提供了可靠的先驗基礎，使得整個智能噴嘴系統(tǒng)協(xié)同工作更加高效。

4. 結論

溫度測量與激光功率控制系統(tǒng)是智能LMD噴嘴中的關鍵模塊。通過高精度的雙波長紅外測溫、同軸測量結構以及PID閉環(huán)調節(jié)策略，該系統(tǒng)有效解決了LMD過程中的熱不穩(wěn)定問題，為提升制件質量、增強過程魯棒性提供了有力保障。未來，該系統(tǒng)將在多軸聯(lián)動、復雜路徑自適應等智能制造場景中發(fā)揮更大作用。