1、101科学技术Science and technology金属增材制造的在线监测研究进展吴义志，刘伟伟摘要：金属增材制造工艺是近年来在金属行业中结合了3D打印技术的一种先进制造工艺，其无需借助任何其他技术辅助即可实现复杂金属零部件的快速成形制造，未来将在航空航天、生物医疗、汽车电子制造等工程领域获得广泛的应用。但金属增材制造成型工艺中存在产品可切削重复性差、产品稳定性不足、质量低等缺点，使该技术在其他工业行业中的应用受到很大限制。在线实时监测技术可以通过在线实时监控,发现制造缺陷,可最大程度避免制造方面的应用受到限制。本文以在线实时监测数据的获取原理为理论出发点,对比视觉成像、温度场、光谱、声
2、学、电信号、元素成分等六种不同的数据采集方法,分析了实时在线图像监测技术近年来在国内外新型金属增材制造技术与设备的发展现状,总结了其存在的不足、解决方向和未来展望。关键词：金属增材制造及其设备；在线质量监测分析；行业发展和趋势金属在线实时监测技术可快速实现对金属增材制造过程全生命周期的实时记录,优点众多：首先,可第一时间发现缺陷产生的确切位置、类型特征等信息,快速判断生产工作是否需要立即停止,尽可能地减少损失；其次,可通过人工修改缺陷工艺路径、工艺参数等方式实现对缺陷点的在线快速修复以显著提高产品合格率；最后,通过在线实时监测,可优化工艺机理和工艺参数,为解决企业的实际生产问题奠定理论基础。本
3、文将主要以实时红外遥感监测技术的应用与原理为出发点,对红外光学影像、温度场、光谱、声学、电信号和元素成分等各种信号的实时采集、应用原理等进行综合分析,分别从实时监测工具、基于实时成像的在线监测技术、基于红外温度场的在线监测技术、基于光谱分析的在线监测技术、基于声学原理的在线监测技术、基于电信号的在线监测技术、基于元素成分的在线监测技术、各种监测技术的分析比较等方面进行了深入分析，总结在线监测技术的不足及未来发展方向。1 监测工具金属增材制造在线流动状态自动闭环检测系统一般需要依靠人工方法对流动金属熔池温度、尺寸、元素成分、冷却与凝固反应速率、时间等一些关键参数定期在线进行连续动态跟踪测量,测量
4、方法在目前也主要可被归纳为半接触式测量技术和全周期非接触式测量技术。下面详细介绍几种常见的、操作简单的高精度和非接触式金属增材制造在线测量工具。1.1高温计高温计是专用测量液态金属熔池温度变化特性的两种主要工具之一。高温熔池会发出大量热辐射,高温计采用普朗克黑体辐射定律和斯特藩-玻尔兹曼辐射定律,可测量出热辐射的信号强度,而热辐射产生的信号强度正好与温度值成正比,因此能够测得金属熔池内部的实际温度值。高温计目前主要可被分为单色、双色、多元色这三类,其中又只有双色和单色高温计所测得的实际温度加真实直观。双色高温计由两个单色高温计组成，使用两个探测器，在两种不同的波长下工作，但两个探测器探测同一个
5、高温目标。基本上，只要干扰因素对两个波长的影响程度相同，双色高温计就能正常工作。但遗憾的是，在测量熔融金属时，物体的辐射率在两种波长下的值不相同。当使用双色高温计测量熔融金属的温度时，信号比将出现错误，温度读数也将出现错误。为解决上述问题，所有双色高温计都有一个被称为E-Slope的调节功能。在对熔融金属进行测量时，使用该调节功能，直到仪器读取正确的金属温度。这种调节功能仅仅通过一个常数对比率进行校正，在目标的光谱辐射率不相同时，这个常数便可校正仪器的读数。1.2光电二极管光电二极管是用于直接将仪器所探测到的样品发出的红外热辐射信号经放大后转换为信号电流，再输出为电压信号。由于样品红外热辐射输
6、出波形和温度信号输出波形成相似,因此可用于快速准确测量金属熔池温度。光电二极管能够更快地被大规模集成并用于控制各种复杂的AM过程，又有一个相对较短的系统响应时间,因此光电二极管在许多复杂的闭环控制系统中都具有很重要的作用。PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样，在诸如光敏电阻、感光耦合元件（CCD）以及光电倍增管等设备中有着广泛应用。它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电信号或者在数字电路的不同状态间切换。光电二极管在烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。光电二极管还可以被用于测量光，常常被用在照相机的测光器、路灯亮度自动调节等。所有类型的光传感器都可以用来检测突发
7、的光照，或探测同一电路系统内部的发光。光电二极管常常和发光器件被合并在一起组成一个光电耦合元件，通过该元件接收到的光照情况来分析外部机械元件的运动情况。光电二极管的另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介，这样两段电路就可以通过光信号耦合起来，可以提高电路的安全性。1.3光谱仪光谱仪是通过光纤收集在金属AM过程中辐射发出的金属102科学技术Science and technology光源信号，并利用光纤进行信号的直接传输，其装置内有相应的金属电子探测器，可以将金属光信号直接转化为各种金属电信号，然后发送至光谱仪的电脑端来进行存储。光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或
8、衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而可测知物体中含有的元素成分。光谱仪应用很广，在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域应用广泛。1.4相机相机可以被视为一
9、种大型光电二极管阵列，每个光电二极管代表一个像素，通常情况下，相机捕捉到的视觉信号比光电二极管测到的信号更为直观。因此，相机也逐渐开始被应用于在线监测系统。CMOS和CCD相机常与光电二极管结合使用，进而生成热图像。除了测量熔池的温度和尺寸，相机还能够结合图像识别技术探测零件的缺陷。图像识别技术背后的原理并不难，只是它需要处理的信息比较繁琐。电脑处理技术并非凭空产生，而是由学者们在生活实践中受到启发，用程序模拟来实现。电脑图像识别技术与人的图像识别在原理上没有本质的区别，只是缺乏人在感觉和视差方面的作用而已。人的图像识别也不仅仅是凭记忆将整个图像存储在大脑中来进行识别，识别图像都是依靠图像所具
10、有的自身特征，首先把这些图像分成了类，然后再根据分类所具有的特征来识别，只是很多时候并没有意识到。事实上，“看见”与“感知”之间经历了一个快速识别的过程，这种识别的过程与搜寻有些相似。在此过程中，大脑将根据存储记忆中已分类的种类进行识别，看是否有与图像具有相同或相似特征的存储记忆，从而确定是否看到了该图像。计算机图像识别技术也是如此，它通过分类和提取重要特征以排除多余的信息来识别图像。这些从机器中提取出来的特征有时非常明显，这对机器识别的速度有很大的影响。2 基于视觉成像的在线监测技术2.1金属增材制造生产过程质量在线跟踪监测平台的集成应用研究金属增材制件生产及制造企业的质量管理在线实时监测系
11、统基本都沿用了目前传统的焊接产品质量数据在线可视化技术的方法思路和原理,主要任务也是实时针对产品表面的三维几何形貌尺寸等参数进行远程可视化监测。就汽车工业来说，基于视觉成像研究方法开发的汽车在线内部缺陷监测研究的相关研究文献与报道均较少,这极可能会成为我国在未来从事车辆内部缺陷在线监测研究的主要热点。2.2基于视觉成像的在线监测技术分析基于三维视觉成像分析的在线可视化智能过程监测新技术研究在世界上开展得最早,研究成果也最多，技术体系也是最全面、成熟的，值得一提的是该新技术体系对于焊接生产工艺过程中涉及的实时监测已被应用于实际生产中。3 基于温度场的在线监测技术在线温度场监测的主要技术手段除了对
12、光学影像数据的自动获取、检测、研究外，对熔池的温度数据也可以实现快速采集、智能分析。主要功能如下：一是针对单一温度数据变化的动态实时监测；二是直接利用红外成像原理，采用热红外摄像机在线跟踪监测熔池周围的大气温度数据，然后快速反馈出熔池内部的形貌。基于红外温度场测量的在线自动监测技术,如其目的仅限于测量熔池区域内部的温度，方法较容易，但其获得的数据并不能全面反应出熔池区域的状态，而且由于红外激光成像测量设备投入的运行成本相对较高,而且需要获得被测物体发出的准确实时的发射率参数，这也就使该项测量技术的商业推广应用受到极大限制。4 基于光谱分析的在线监测技术采用光谱分析技术的基本工作原理进行实时在线
13、动态监测的新研究成果目前多见于分析技术文献。研究发现，在利用光谱分析技术监测激光焊接缺陷时，紫外光谱信号和红外可见光谱信号在同时经傅里叶变换分析与神经网络模式的识别处理后,紫外光谱的检测结果的准确性和灵敏性都显然较高。红外光谱技术具有高分辨率、高灵敏度、抗干扰性强、非介入性干扰小等一系列重要优点。另外，光谱分析技术除直接用来监测产品表面缺陷外,还能被广泛应用于各种粉末冶金制件表面及其内部缺陷的在线监测，具有良好的应用前景。5 基于声学原理的在线监测技术在金属电弧增材制造生产过程中,电弧使得金属材料发生熔融，金属部件发生部分甚至整体爆裂后均会产生各种较为尖锐复杂的声音信号,这些信号可被用于快速反
14、馈在整个电弧焊接作业过程中的产品质量。一名操作较为熟练的专业电弧焊接技师可很熟练地通过电弧燃烧声波准确判断出电弧在焊接前火焰的温度稳定性、熔剂滴落的形式以及电弧火花飞溅面积的大小,进而再据此分析出实际所焊工件的质量。采用超声立体扫描成像技术可以实现全方位对增材制造过程的实时监控，可自动式探测增材制造工件的工艺缺陷,但此系统设备昂贵，同样面临着投入巨大成本等诸多问题。6 基于电信号的在线监测技术从原理上讲，电弧增材制造成型方式与传统焊接制造工艺最为简单最为接近。在企业实际生产管理过程中，基于电信号传103科学技术Science and technology感器网络的焊缝质量在线远程动态监测分析系
15、统已能检测焊接产品的质量，逐步得到了广泛的应用，通过该系统对活性气体短路保护钎焊过程和热熔胶液滴短路保护焊接等过渡焊工艺过程参数进行检测，对多种数据进行系统地分析及研究。俞建荣等建立了多种短路保护焊接技术监测分析模型体系,研究了短路保护焊接的可靠性及短路保护焊接工艺的总体稳定性。利用焊接参数质量分析仪，某科学团队通过研究分析和具体实验，获得了在熔化极气体保护的焊流滴中产生的瞬时焊接电流值和瞬时焊接电压值,并通过进一步实验将瞬时电流电压峰值转化后得出瞬时焊接质量参数波形特征曲线，发现该焊接曲线波形特征很可能还与焊流滴的变化有关。同时，采用美国英诺威质量分析仪，我国相关研究人员杨林提出了焊流滴过渡
16、形式下的电流电压概率及其间的函数关系，目前其研究结果已可以直接用作焊接、成型样件质量优劣程度的评价依据。据相关文献数据显示，有研究设计小组人员曾利用人工神经网络等智能建模与控制方法,建立了增材制造的送丝速度、焊接速度、焊接电压、焊接电流等一系列的焊接工艺参数模型、焊接与熔覆层宽度关系方程和焊接与熔覆层高度相关曲线的关联设计参数模型,从而首次有效地实现了焊接设计对焊接熔覆层尺寸参数的智能化控制。电信号数据采集加工装置构造较为简易,价格比较低廉,数据的获取方式也很简单，且工作稳定不受其他信号干扰,但是由于金属电信号本身所包含的金属动态信息普遍较少,无法真实全面地反映出金属的熔化工艺，以及在沉积成形与塑性成形两种工艺过程中较为恶劣工况下的各种数据的动态变化情况。7 基于元素成分在线监测技术在金属AM制造过程中，由于送粉器电机的抖动、载气量的波动以及送粉管路的堵塞造成熔覆头送粉量的波动，送入熔池内的元素含量会产生偏差，与此同时，由于不同金属元素具有不同的熔点和沸点，所以熔池内不同元素的挥发量也存在差异，导致元素成分以金属蒸汽、等离子体以及液滴的形式离开熔池，最终改变熔池内的元素含量。熔池内元素
