选区激光熔融熔池温度检测数据通信与结果分析文献综述

文献综述（或调研报告）：

1.国内外对SLM技术的研究进展

从文献[1]中可知在1995年，德国已有研究所提出了SLM技术这一概念，并于2002年实现技术突破，能够直接制造出完全致密性的零件，无需任何过渡环节，证明了SLM技术的可行性，到目前国际上已经出现很多家SLM设备制造商，包括德国EOS公司，德国Concept Laser公司，美国3D公司，美国Phenix Systems公司等，各制造商针对零件不同应用领域和个性化需求，开发出各种型号的机型。德国EOS公司开发的EOSINT M400-4所制造出的构件性能能与锻件相当，德国Concept Laser公司开发的X系列2000R则是世界最大的激光金属3D打印机，成形范围可达800 mmtimes;400 mmtimes;500 mm。在航空领域，SLM技术的应用也取得了巨大成果，在2013年通用电气公司利用SLM技术制造出的离心式燃油喷嘴，成功应用于CFM国际公司开发的LAEP-X发动机上，取得该年度十大技术突破之一的美誉，极大拓宽了SLM技术在航空领域应用的前景，至今为止，已有SPACE X航天公司采用SLM技术制造飞船引擎，且能很好的满足各种复杂环境下的要求。在微生物领域中，有学者通过XCT技术无损观测到硅藻双枝线虫的截头肌的结构，并首次将其转移到CAD文件中，通过SLM技术使用钛粉制造出模型，验证了自然物体与工程物件的自相似性，也展现出了通过SLM技术批量生产具备微生物特殊特性的工件的可能性^[2]。

在国内，对SLM技术研究的起步虽然晚了一些，但亦成功自主设计和制造出SLM设备，华中科技大学模具国家重点实验室快速制造中心开发出HRPM - I和HRPM - IIA，武汉光电国家实验室自主研发出NRD – SLM – I和NRD – SLM – II等设备，后者成形范围可达320 mm times;250 mmtimes;250 mm^[1]。

2.SLM技术中熔池各参数的研究

在选区激光熔融过程中，无论是熔池几何形貌还是熔池温度，都会对成形质量造成影响，理想的熔池几何形貌，能保证金属粉末逐层堆叠熔覆的顺利进行，熔池温度的稳定也能显著提高成形工件的尺寸精度，而两者亦受多方面的因素影响，因此对其参数的研究十分必要。

在成形过程中，激光功率、送粉率、扫描速度、离焦量和载气流量等工艺参数都会影响熔池的几何形貌。激光功率、送粉率直接决定了熔池尺寸，功率足够的情况下，送粉量充足就能使熔池尺寸增大，反之增大扫描速度，会使激光能量密度降低，送粉率降低，熔池尺寸也会因此减小。而在不同的离焦量、载气流量下，激光的聚焦情况和粉末的分布情况也会不同，从而对熔池形貌施加影响。对于诸多因素，很多学者提出方法进行实验测算其对熔池形貌的影响程度。Oliveira^[3]研究了激光功率和扫描速度对熔池截面宽度和高度的影响，通过单因素实验获得了能形成较好熔池截面形状的工艺参数窗口；Cheikh^[3]通过多组单因素实验，分析了激光功率、扫描速度、送粉率与熔池截面几何形貌的关系，并使用多重回归分析建立了三个工艺参数与截面形貌的数学模型。Toyserkani^[3]和Hofman^[3]则通过建立有限元模型的方式进行形貌模拟，一位以激光脉冲频率、能量为变量，一位以扫描速度、激光功率和基体温度进行仿真，所建立出的模型都具备着较高的精确度，能够直观的表现出熔池的形貌。

激光功率、送粉率、扫描速度、离焦量等因素在影响熔池形貌的同时也会对熔池温度造成影响，送粉率增大时，对激光的遮挡作用就会增强，激光的能量利用率下降，就会致使熔池温度下降，扫描速度增大时，也会影响到金属材料对激光能量的吸收程度，也会导致熔池温度降低。因此选择适合的测温方式，对熔池温度进行实时在线测量，并以此为依据对各项工艺参数进行及时调整，从而维持熔池温度的稳定，也可以提高成形质量。在国外有Bi^[3]用Ge光电二极管对熔池温度进行监控，采用基于路径的变能量输入进行闭环控制激光功率的方法提高了薄壁件厚度和精度，解决了起终点偏高问题。在国内有沈初杰^[3]使用双色高温计对熔池温度进行监控，实时调整激光功率，控制熔池温度，成形出尺寸精度高的薄壁试件。可见选择适合的测温方式并构建闭环控制系统来稳定熔池温度，是十分必要的。

3.熔池温度测量方法的研究

目前温度测量方法可分为接触测量和非接触测量两大类，由于SLM成形过程需要极快采集到实时温度数据，而接触测温法需要感温元件与被测目标接触并达到热平衡状态，才能得到温度数据，其动态响应能力较低，因此不适用于熔池测温，需采用非接触测温。