文 献 综 述
金属增材制造(AM)技术融合制造技术、光学技术、数控技术、传感技术等多门科学技术，是一门多学科交叉的新型制造技术。与传统减材制造方法相比，此技术具有易加工结构复杂零件、加工材料广、制造周期短等优点。经过数十年的发展，该技术已被广泛应用于航空航天、快速原型制造、生物医疗、装饰品制造等诸多领域，并对原有的生产方式产生了重要的影响。但是由于缺乏对金属增材制造过程进行在线监测，阻碍了该技术在一些对零件质量要求很高的领域的进一步发展，如医疗和航空航天等高精尖领域。针对这个问题，金属增材制造过程在线监测研究应运而生[3]。随着计算机技术和测试技术的发展以及人们认识到电流、电压信号是各种电弧物理现象丰富信息的载体，采用一定的信号处理方法可望从中提取出与增材过程相关的特征信息，并用明确的数据、表、图表示出来，从而延伸到对增材过程进行分析。
4.1 增材制造及检测
增材制造技术是20世纪80年代中期发展起来的一种新型制造技术，也称为实体自由制作或叠层加工技术。该技术基于离散、堆积成形原理，根据计算机建立的实体三维CAD模型，然后沿某一方向将模型切片，得到一系列离散的二维层片，利用成形设备设计相关的工艺要求，通过逐层精确堆积二维层片的方式来制造三维实体。
增材制造技术发展至今，已出现了十多种不同的成形技术。迄今为止，常
用的实体增材制造技术有：分层实体成形、光固化成形、选择性激光烧结、三维打印以及熔融喷丝成形[3]等增材制造方法。
在增材过程中，材料的堆积是以高温液态金属熔滴过渡的方式进行的。成形过程中随着熔敷层层数的增加，堆积零件热积累严重、散热条件差、熔池过热难于凝固、熔敷层形状难于控制。特别在零件边缘堆积时，由于液态熔池的存在，使得零件的边缘形态与成形精度的控制变得更加困难。这些问题都直接影响零件的冶金结合强度、熔敷层尺寸精度和表面质量[4]。在GMA-AM过程中，堆积过程始终存在着动态的电弧波动和熔池形态，使得电弧形态和丝材熔滴过渡行为复杂，由此引起零件的成形尺寸、成形质量的变化。因此，对GMA-AM成形过程的稳定性和成形质量进行监控十分重要[36]。
Kwak等[37]通过两套结构光传感器对GMA增材的熔敷层形貌进行监测，一套红外摄像机在线监测表面温度，实现了增材过程中熔敷宽度和高度的控制。熊俊等[38-39]在GMA-AM系统中加入双视觉传感器，实时监测熔敷层宽度、高度信息，最终控制熔敷宽度精度小于0.4mm。此外还通过改变焊枪与基板之间角度提高熔池稳定性，从而改善增材成形质量。Spencer等[40]采用GMA增材金属件时，通过红外温度传感器实时监测成形温度。得出若成形温度过高，则停止增材，待降至合适温度再增材，从而保证增材质量。柏连发等[41]在冷金属过渡（Cold Metal Transfer, CMT）电弧增材质量监控中，采用基于视觉轮廓特征的K-最近邻分类算法和基于光谱信号特征的局部保持投影分类方法进行质量缺陷分类评价。Ding等[42]针对GMA增材过程中由于丝材的扭曲造成送丝位置偏差的问题，利用机器视觉识别丝材位置偏差，保证增材成形质量。
GMA-AM与焊接成形具有极大相似性，两者都是以电弧作为热源进行成形制造。而电弧增材制造中，关于电弧对成形质量的诊断，在增材领域尚未见大量报道，但在焊接领域却一定研究。
武汉理工大学蒋晶[5]以焊接电流和电弧电压作为评估信号，设计了一套基于虚拟仪器LabVIEW8.6的焊接检测分析系统，通过该系统的检测分析，能够分析焊接过程稳定性及飞溅的大小，可用于评估焊接设备和焊接材料的性能，同时能够分析各参数与熔滴过渡之间的关系，优化焊接工艺参数。重庆大学朱成华[6]以熔滴短路过渡CO2焊所产生的电弧电流、电弧电压为信号源，自主开发了一套同样是基于LabVIEW的焊接电弧电参数的虚拟仪器检测分析系统，能够对焊后电弧电参数进行分析研究，指导实施对焊接质量的在线检测分析。
