摘要：激光再制造技術近年來在國內外受到普遍關注，形成激光加工與先進制造技術一個前沿和熱點，已在國內外得到重要的工業(yè)應用。但其中的許多基礎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，使激光再制造技術的應用受到了很大限制。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，并綜述了國內外發(fā)展現(xiàn)狀。 關鍵詞：激光再制造；溫度場；熔池；CCD。 1、引言 20世紀80年代形成了再制造工程這一新興研究領域，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，使零件恢復尺寸、形狀和性能，重新恢復其使用價值，實際上等于延長了設備的使用壽命，減少了對原始資源的需求，節(jié)省了資源。激光再制造技術近年來在國際上已受到普遍關注，形成激光加工與先進制造技術一個前沿和熱點。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 激光再制造是利用激光熔覆的方法實現(xiàn)對金屬零部件的修復[1，2]。自1976年起美國、英國、日本、德國等技術強國就對其十分重視，投入了相當可觀的人力、物力、財力進行研究、開發(fā)，使激光熔覆技術的發(fā)展明顯加快，在激光熔覆理論，物理數(shù)學模型，合金材料、工藝參數(shù)、涂層組織性能研究，設備自動化、柔性化、熔覆過程監(jiān)控以及生產(chǎn)應用等方面取得了重大進展。 如圖1-1所示：激光器發(fā)出的CO2激光經(jīng)CNC數(shù)控機床Z軸（垂直工作臺）反射鏡后，進入光束成形聚焦組合鏡，再進入同軸送粉工作頭，組合鏡和工作頭都安裝在機床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軟件程序運動，同時激光和粉末加入，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注的熱點。激光熔覆溫度場的數(shù)值分析、分布特性、數(shù)值模擬、實時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行分析。 解析解法以數(shù)學分析為基礎，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過程或溫度分布的影響。 利用三維解析計算出的激光熱傳導焊接溫度場模型已較為準確的計算出一定焊接規(guī)范下的焊接縫合尺寸線，同時計算出激光焊接溫度場中介質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確性。隨著計算機技術的不斷進步與發(fā)展，借助這一有力的工具對溫度場的分析方法有了進一步的研究。如借助計算機用解析方法計算YAG激光對金屬間化合物Ni3Al熔凝處理時非穩(wěn)態(tài)溫度場變化規(guī)律[5]。 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，以計算機為工具，其理論基礎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? ⑾啾渥櫓植?、材灵e閱艿氖的Ｄ狻Ｋ孀偶撲慊砑際醯墓惴河τ茫露瘸〉氖的Ｄ庖駁玫攪私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 溫度測量與長度、質量、壓力等參數(shù)的測量有所不同，它是利用某些物質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及應用技術的研究；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對理論檢測研究做進一步的驗證。 5、結論 再制造作為一種先進的制造技術逐漸提升或取代傳統(tǒng)的修復維修手段，激光再制造技術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中是一個極其重要的技術環(huán)節(jié)，它為工藝設計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?。随着紦溷机茧H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? １恫ǔしú馕錄際醯難芯縖J]。光電子·激光，2002，13(3): 267-269。 基金項目：國家自然科學基金(60478004)和天津市科委重點攻關項目(033188011).資助項目。