激光再制造熔池溫度場檢測研究
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激光加工的復雜性和影響因素的多樣性，使溫度場模型在熱傳導定律下保持一致，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。研究者們對于激光加工溫度場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都應具體問題具體分析。在復雜的定解條件下，很難求出激光加熱溫度場的解析解，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)值解法求解溫度場的數(shù)值解。
數(shù)值解法以離散數(shù)學為基礎(chǔ)，以計算機為工具，其理論基礎(chǔ)雖不如解析解法那樣嚴密，但對實際問題有很大的適應性。一般稍復雜的熱傳導問題，幾乎都能通過數(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動的高斯激光熱源三維熱傳導模型。利用數(shù)值方法建立二維準穩(wěn)態(tài)激光熔覆熔池流動及傳熱過程的數(shù)值模型的建立[6]，對激光熔覆自由表面形狀的模擬，對溫度場、相變組織分布、材料性能的數(shù)值模擬。隨著計算機軟件技術(shù)的廣泛應用，溫度場的數(shù)值模擬也得到了進一步的研究。如三維流場溫度場的計算機計算模擬，建立了與激光快速成形過程一致的三維瞬態(tài)薄壁零件溫度場計算模型。此外還有用其它方法研究溫度場數(shù)學模型的數(shù)值解如小波變換法神經(jīng)網(wǎng)絡法等。
4、溫度場檢測技術(shù)
溫度測量與長度、質(zhì)量、壓力等參數(shù)的測量有所不同，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，并通過它們隨溫度的變化量間接獲得溫度值。溫度是按照熱力學第零定律測量的，與處于平衡態(tài)系統(tǒng)中的傳感器具有相同的溫度被認為是被測系統(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，因此溫度測量的準確度通常難以保證或者說不能夠要求太高，要測量瞬態(tài)溫度更是困難。
常用測溫一般分為接觸式測量法和非接觸測量法兩大類[7]。接觸測溫大多數(shù)等待熱平衡時才能正確測定溫度，測量過程會受被測對象特性及傳熱方式的影響，使所測定溫度與真實溫度不可能一致。當介質(zhì)具有腐蝕性，在高溫條件下測量元件的使用期限相對縮短，測量準確度也會相應降低。接觸測溫儀表主要有膨脹式溫度計、電阻溫度計、熱電溫度計，其它接觸溫度計，如聲學溫度計、熱噪聲溫度計、晶體溫度計、光纖溫度計等，這些應用較少。非接觸測溫大多是根據(jù)被測物體的熱輻射，按照其亮度或輻射能量的大小，間接推算被測物體的溫度。主要有亮度溫度計、輻射溫度計、比色溫度計。
在激光再制造過程中，激光熔池的熱過程貫穿整個加工過程，一切物理化學過程都是在熱過程發(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，這一過程都是在極短的時間內(nèi)完成，使得激光再制造的熔池溫度場檢測變得比較困難，激光溫度場檢測屬于高溫測量，目前的研究主要建立在對熔池溫度場的數(shù)值分析上。如：選用具有高抗干擾性能的紅外比值測溫方法，采用單片機進行數(shù)據(jù)處理，并配備自動測溫控制開關(guān)及傳感器的保護冷卻裝置，實現(xiàn)了熔體溫度的在線檢測；在線紅外三色輻射測溫新技術(shù)及應用技術(shù)的研究；紅外比色測溫儀的研制[8]。以上都是基于數(shù)值分析的理論研究，后來又加入了CCD攝像機將測溫方法進一步改進，可以得到溫度場的實時拍攝圖片，利用計算機圖像處理技術(shù)對理論檢測研究做進一步的驗證。
5、結(jié)論
再制造作為一種先進的制造技術(shù)逐漸提升或取代傳統(tǒng)的修復維修手段，激光再制造技術(shù)也得到了廣泛的應用，熔池溫度場檢測的在激光再制造技術(shù)中是一個極其重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它為工藝設計及精度控制奠定了基礎(chǔ)。本文對溫度場的分析方法及檢測技術(shù)都做了詳細的闡述。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是圖像處理技術(shù)的廣泛應用,激光熔池溫度場的檢測技術(shù)將向可視化、智能化方向發(fā)展。
參考文獻：
[1] Y. Li, et al. Laser Direct Forming of Metal Components: technical characterizations[C]. Proceeding of SPIE, 2002, Vol.4915: 395-402.
[2] C. Atwood et al. Laser Engineered Net Shaping: A tool for direct fabrication of metal parts[C]. ICALEO?998, Section E 1-9, 1998.
[3] 李會山，楊洗陳等。激光再制造過程熔池溫度場的數(shù)值模擬[J]。天津工業(yè)大學學報，2003.22(5): 9-12。
[4] 莊其仁。激光焊接溫度場解析計算[J]。華僑大學學報：自然科學版，2001，22(3): 247-252。
[5] 湯彬，郭元強等。金屬間化合物Ni3Al激光表面快凝處理溫度場的研究[J]。金屬熱處理學報，1996，17(1): 33-38。
[6] Picasso M, Hoadley A F A. Int J Meth Heat Fluid Flow[M], 1994, 4: 6.
[7] 朱麟章。高溫測量原理與應用[M]。北京：科學出版社，1991.11。
[8] 王一丁。倍波長法測溫技術(shù)的研究[J]。光電子·激光，2002，13(3): 267-269。
基金項目：國家自然科學基金(60478004)和天津市科委重點攻關(guān)項目(033188011).資助項目。 (end)
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