摘要：激光再制造技術(shù)近年來在國內(nèi)外受到普遍關(guān)注，形成激光加工與先進(jìn)制造技術(shù)一個前沿和熱點(diǎn)，已在國內(nèi)外得到重要的工業(yè)應(yīng)用。但其中的許多基礎(chǔ)理論問題尚需深入開展研究，如激光再制造過程中溫度及尺寸精度控制檢測等問題，使激光再制造技術(shù)的應(yīng)用受到了很大限制。本文就激光再制造的原理，溫度場分析解法以及檢測方法作了介紹，并綜述了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞：激光再制造；溫度場；熔池；CCD。 1、引言 20世紀(jì)80年代形成了再制造工程這一新興研究領(lǐng)域，再制造產(chǎn)業(yè)也隨之產(chǎn)生。它是利用原有零件并采用高新表面工程（涂層與改性）及其它加工技術(shù)，使零件恢復(fù)尺寸、形狀和性能，重新恢復(fù)其使用價(jià)值，實(shí)際上等于延長了設(shè)備的使用壽命，減少了對原始資源的需求，節(jié)省了資源。激光再制造技術(shù)近年來在國際上已受到普遍關(guān)注，形成激光加工與先進(jìn)制造技術(shù)一個前沿和熱點(diǎn)。美國、英國、法國、日本投入大量人力物力開展研究。我國部分高校也相繼開展了研究。 2、激光再制造技術(shù) 激光再制造是利用激光熔覆的方法實(shí)現(xiàn)對金屬零部件的修復(fù)[1，2]。自1976年起美國、英國、日本、德國等技術(shù)強(qiáng)國就對其十分重視，投入了相當(dāng)可觀的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行研究、開發(fā)，使激光熔覆技術(shù)的發(fā)展明顯加快，在激光熔覆理論，物理數(shù)學(xué)模型，合金材料、工藝參數(shù)、涂層組織性能研究，設(shè)備自動化、柔性化、熔覆過程監(jiān)控以及生產(chǎn)應(yīng)用等方面取得了重大進(jìn)展。 如圖1-1所示：激光器發(fā)出的CO2激光經(jīng)CNC數(shù)控機(jī)床Z軸（垂直工作臺）反射鏡后，進(jìn)入光束成形聚焦組合鏡，再進(jìn)入同軸送粉工作頭，組合鏡和工作頭都安裝在機(jī)床Z軸上，由數(shù)控系統(tǒng)統(tǒng)一控制。載氣式送粉器將粉末輸送到分粉器，均勻地把粉末送入同軸送粉工作頭。待修復(fù)零件位于數(shù)控工作臺X-Y平面上，根據(jù)數(shù)控指令，工作臺、組合鏡和送粉頭按給定的CAD/CAM軟件程序運(yùn)動，同時(shí)激光和粉末加入，激光同軸送粉工作頭像“金屬筆”一樣，逐層熔覆。在檢測和控制系統(tǒng)作用下，使零件恢復(fù)原始尺寸。 3、激光加工溫度場模擬 激光再制造溫度場研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。激光熔覆溫度場的數(shù)值分析、分布特性、數(shù)值模擬、實(shí)時(shí)檢測等都有了初步的研究[3]。本文將從解析與數(shù)值兩種方法對熔池溫度場進(jìn)行分析。 解析解法以數(shù)學(xué)分析為基礎(chǔ)，得到用函數(shù)形式表示的解。在整個求解過程中，物理概念及邏輯推理清楚，所得到的解能比較清楚地表示出各種因素對熱傳導(dǎo)過程或溫度分布的影響。 利用三維解析計(jì)算出的激光熱傳導(dǎo)焊接溫度場模型已較為準(zhǔn)確的計(jì)算出一定焊接規(guī)范下的焊接縫合尺寸線，同時(shí)計(jì)算出激光焊接溫度場中介質(zhì)熱源的功率分布以及由該熱源引起的無限大薄板的溫度場分布[4]。利用半解析方法計(jì)算出任意給定光束分布的激光非熔凝熱處理瞬態(tài)溫度場以及包含相變及表面吸收系數(shù)隨溫度變化的激光與金屬材料相互熱作用。但解析解法不利于考慮邊界條件和相變潛熱以及材料熱物性參數(shù)隨溫度變化等因素對溫度場的影響，所以采用解析解法時(shí)研究者們往往假定激光能量為高斯分布、材料的物性參數(shù)為常數(shù)、不考慮相變熱和輻射散熱等因素，這在一定程度上影響了求解的準(zhǔn)確性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，借助這一有力的工具對溫度場的分析方法有了進(jìn)一步的研究。如借助計(jì)算機(jī)用解析方法計(jì)算YAG激光對金屬間化合物Ni3Al熔凝處理時(shí)非穩(wěn)態(tài)溫度場變化規(guī)律[5]。 激光加工的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，使溫度場模型在熱傳導(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(yīng)具體問題具體分析。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(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，但對實(shí)際問題有很大的適應(yīng)性。一般稍復(fù)雜的熱傳導(dǎo)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(yùn)動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? ⑾啾渥櫓植?、材灵e閱艿氖的Ｄ?。随着紦溷机软件茧H醯墓惴河τ?，温度场的数值模拟荫g玫攪私徊降難芯?。瓤d鞒∥露瘸〉募撲慊撲隳Ｄ?，建立翑\爰す飪燜儷尚喂桃恢碌娜蔡”諏慵露瘸〖撲隳Ｐ?。此外还有訍灉O椒ㄑ芯課露瘸∈Ｐ偷氖到餿縲〔ū浠環(huán)ㄉ窬綬ǖ取? 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(xué)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(rèn)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(zhǔn)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(shí)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(shí)溫度不可能一致。當(dāng)介質(zhì)具有腐蝕性，在高溫條件下測量元件的使用期限相對縮短，測量準(zhǔn)確度也會相應(yīng)降低。接觸測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(jì)、輻射溫度計(jì)、比色溫度計(jì)。 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(xué)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(diǎn)，這一過程都是在極短的時(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(jī)進(jìn)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(hù)冷卻裝置，實(shí)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(yīng)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(jī)將測溫方法進(jìn)一步改進(jìn)，可以得到溫度場的實(shí)時(shí)拍攝圖片，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對理論檢測研究做進(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(shè)計(jì)及精度控制奠定了基? １疚畝暈露瘸〉姆治齜椒凹觳餳際醵甲雋訟晗傅牟觥Ｋ孀偶撲慊際醯牟歡戲⒄?，特冰樓图像处理茧H醯墓惴河τ?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(xiàn)： [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(xué)學(xué)報(bào)，2003.22(5): 9-12。 [4] 莊其仁。激光焊接溫度場解析計(jì)算[J]。華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，22(3): 247-252。 [5] 湯彬，郭元強(qiáng)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(xué)報(bào)，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(yīng)用[M]。北京：科學(xué)出版社，1991.11。 [8] 王一? １恫ǔしú馕錄際醯難芯縖J]。光電子·激光，2002，13(3): 267-269。 基金項(xiàng)目：國家自然科學(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。