近年來，隨著激光快速製造技術的發展，激光同軸送粉逐層熔敷的方法直接製造金屬實體(ti) 零件技術已成為(wei) 國內(nei) 外研究熱點。它利用計算機生成的CAD模型，無需特定模具而在短時間內(nei) 製造出複雜形狀的立體(ti) 模型或實體(ti) 。除此之外運用這種技術還可進行高精度修複工作，使其迅速恢複原有的精度和性能，節省了成本和時間。

　　激光同軸送粉是個(ge) 複雜的高功率激光與(yu) 金屬粉-載流氣體(ti) 二相流相互作用的物理過程。存在著金屬粉末粒子對高功率激光的反射、散射、衍射、吸收和透過等現象，涉及到光子與(yu) 微粒子間散射，Beer-Lambert透射，金屬粒子對激光的韌致輻射吸收，金屬粒子內(nei) 部傳(chuan) 熱、對流、傳(chuan) 質等基礎理論問題。要使激光束與(yu) 粉末流形成良好空間耦合，涉及到激光光斑、幾何形狀、模式分布、粉嘴幾何設計，氣-粉流的空間濃度分布，氣-粉流的空間速度場等理論描述及檢測問題。同步送粉激光熔敷工藝參數的優(you) 化，涉及激光在粉末流吸收和透過的能量平衡，吸收後熱粉末溫度場的理論描述及檢測等問題。激光同軸送粉中氣-粉兩(liang) 相的濃度場、速度場、溫度場檢測是個(ge) 難度大的課題。搞清它們(men) 不僅(jin) 具有重要的學術價(jia) 值，更有利於(yu) 指導應用。國際上已充分認識到激光同軸送粉基礎研究的重要性，已有人開始初步研究，但研究內(nei) 容和結果都是初步的，缺少先進的手段和方法。

　　隨著科學技術的發展，常被用於(yu) 流場測試的PIV(Particle Image Velocimetry)技術漸漸顯現出來它的優(you) 勢。而另一種IR紅外測溫技術的出現也為(wei) 我們(men) 進行粉末流場提供了可能。

　　粉末流場的流動過程和其中內(nei) 部的各種物理現象是複雜的。但通過我們(men) 的分析，可以把主要研究重點放在以下三個(ge) 方麵：

　　（1）粉末流速度場的研究

　　粉末流速度場的研究還是一個(ge) 空白，特別對於(yu) 載氣式送粉。從(cong) 粉嘴噴出粉末粒子的速度分布影響著熔池的形狀。對粉末利用率，以及進一步的理論分析都有著重要影響。在流體(ti) 力學領域，由於(yu) 工程上的需要常進行一些流體(ti) 測試。PIV 粒子圖像測速技術技術自二十世紀七十年代以來，已取得了長足和令人鼓舞的進展。目前PIV技術已應用於(yu) 各種流動的流場觀測研究中，但將PIV技術應用於(yu) 激光快速製造中送粉器出口的三維氣固二相流場研究，這在國內(nei) 外的文獻資料中還未見報道。

　　通過測量送粉嘴出口粉末粒子流橫向和縱向的速度場分布，得到測試截麵內(nei) 的二維或三維速度向量場分布、等速度場、等渦量場和二維截麵流線分布。

　　在二氧化碳激光束中，由於(yu) 單台脈衝(chong) 激光器不能提供高能且脈衝(chong) 間隔極短的激光，因此使用雙脈衝(chong) YAG激光器輸出的532nm激光束合束後經過導光臂以及片光源圓柱透鏡組形成的片光源照明金屬粉末流場，給拍攝提供照明光源。這樣經同步器調節後可以和數碼相機形成很好的同步配合。檢測中采用8比特CCD跨幀相機鏡頭附加532nm濾光片對流場的流動圖像進行實時記錄。相機的雙曝光模式可以在瞬間曝光兩(liang) 次，通過同步器的控製和脈衝(chong) 照明光源同步，極短時間（粒子下落幾個(ge) 像素）內(nei) 捕捉兩(liang) 幅圖像。再通過數字圖像處理的方法得到所需要的速度場信息。

　　對於(yu) 垂直於(yu) 送粉器出口軸線截麵的速度場測量，由於(yu) 相機不能對流場進行正直拍攝，得到的流場圖像產(chan) 生了變形，這就需要結合數字圖像處理中的圖像拉伸變形匹配技術進行校正，然後再進行速度場的計算。通過得到的速度場分布，可以進一步通過環量計算公式得到相應的渦量場，以及通過積分計算得到相應的二維流線分布。

　　三維速度場是通過同樣兩(liang) 套PIV係統同時拍攝，將兩(liang) 套二維速度場結果，按照雙目視覺體(ti) 視原理合成計算三維的速度場。

　　（2）粉末流濃度場分布和顆粒直徑分布的測量研究

　　快速製造所使用的粉嘴中，我們(men) 最希望它的環形咀送出的粉末是均勻的，具有軸對稱分布。這不僅(jin) 有利於(yu) 提高成型件表麵質量，而且便於(yu) 優(you) 化激光能量分布。在非載氣送粉中，由於(yu) 粉末依靠自重下落，受到外界影響比較小，送出的粉末均勻性較好，但也並不能知道其具體(ti) 情況。而載氣式送粉方法中，由於(yu) 氣流的影響，粉末的流動情況是複雜多變的，利用理論的方法得到的結論不盡如人意。

　　使用PIV技術中的數字圖像處理技術，結合激光片光的照明技術，通過拍攝到的金屬粉末流場圖像灰度分布，可以分析得到送粉器出口流場的濃度場分布。同時根據粒子在圖像中所占據的像素個(ge) 數還可以得到單個(ge) 粒子直徑及大小，以便於(yu) 對被測金屬微粒粒徑進行統計分析。

　　激光片光源采用長焦距片光匯聚鏡頭，產(chan) 生接近平行光束的片光照明流場，同時為(wei) 了抵消片光經過金屬粉末後的衰減效應，在片光入射方向對稱的光路上再增加一個(ge) 反射鏡將入射光線沿原光路反射入金屬粉末流場，增加流場照明的均勻度，也保證了濃度場測量的準確性。

　　（3）粉末流束在與(yu) 高功率激光作用下的溫度場研究

　　粉末流束在激光作用下的溫度場的研究一直是科研人員研究的重點。但是鑒於(yu) 激光高溫加熱的特殊性，在溫度場方麵的研究進展並不大。有的學者通過理論計算得到單個(ge) 粒子的溫度來判斷粉場情況，也由台灣的學者提出這方麵的初步試驗構想，但實際並不可行。還有些學者提出利用光纖傳(chuan) 感器或比色測溫儀(yi) ，但都不可行。盡管也有商業(ye) 化的熱像儀(yi) ，但由於(yu) 激光作用下的熱粉流場的特殊性，多數都不能滿足檢測要求，且價(jia) 格過於(yu) 昂貴。為(wei) 此我們(men) 通過深入研究焊接溫度場的測溫係統，根據我們(men) 的實際，設計了一套用於(yu) 粉末熱流場的檢測方法。　根據維恩位移定律，金屬鐵粉經過激光束後最大光譜輻射度波長響應範圍（1970nm-5060nm），我們(men) 要去除可見光的影響，同時也要避開環境因素的影響，因此我們(men) 選用雙比色測溫濾光片參數分別為(wei) 804.5nm和894.6nm。這兩(liang) 個(ge) 波長均在近紅外區且在CCD相機響應範圍內(nei) 。又因為(wei) 要通過圖像的灰度級差別來判斷溫度的高低，所以對溫度圖像的拍攝要求選用高比特數的CCD相機。如柯達的Megaplus-ES/10就具有1024個(ge) 灰度級，能夠滿足要求。由於(yu) 粒子本身就在激光作用下，所以無需照明光源。比色測溫儀(yi) 裝置如圖5所示布置，光路係統選用單台相機，切換不同濾色片的單通道型圖像記錄方式。

　　濾光片及其控製保證兩(liang) 個(ge) 濾光片交替置於(yu) 數字相機圖像記錄光路中，移動響應時間小於(yu) 10ms，由計算機控製的高精度步進電機實現準確定位。

　　軟件包括兩(liang) 部分：一部分控製濾光片轉入記錄光路機械控製部分，另一部分進行實時的同步圖像采集、處理。我們(men) 可以采用與(yu) 被測物相同材料，將其加熱至指定溫度，利用圖像采集係統采集到的數字圖像進行去噪音、圖像過濾處理，令其灰度值作為(wei) 標定值。利用軟件技術將其已得到的熱粉流場圖像的灰度值換算成溫度值，並通過不同溫標在顯示設備上實時顯示溫度值分布。並可以同時進行二維等溫曲線雲(yun) 圖，以及三維溫度場等高圖的顯示。#p#分頁標題#e#

　　粉流場的速度、濃度分布和高能激光束作用下的熱粉流的溫度場研究是一個(ge) 新的領域，所以在研究中，有些關(guan) 鍵問題仍需解決(jue) ：

　　1.分析橫截麵的濃度場和速度場需要將相機傾(qing) 斜一定角度拍攝帶來圖像的非正直攝影變形問題，需要進行標定和校正，標定點的選取和校正的算法直接影響到後期的計算結果。

　　2.采用載氣式送粉，粉末粒子流的速度較快，因此使用雙脈衝(chong) 激光器配合跨幀數字相機的雙曝光功能，必須要將各種電氣和光學信號需要嚴(yan) 格同步控製。因此，同步控製器的研製也是一個(ge) 關(guan) 鍵的技術問題。為(wei) 了將CCD數字相機的外觸發雙曝光功能與(yu) 雙脈衝(chong) 激光器的氙燈Q開關(guan) 等控製信號同步工作，需要有一個(ge) 基準信號源來觸發它們(men) 。這就需要一個(ge) 能夠周期的（15Hz）產(chan) 生多通道觸發信號的信號同步器來控製整個(ge) 圖像采集係統，而且在溫度場的比色測溫控製中也要將濾光片機械控製與(yu) CCD圖像采集同步控製。

　　3.比色測溫的溫度場是動態不確定變化的，需要比色測溫的動態響應足夠快，這就需要高速的靈敏的數字相機。而且溫度的灰度相差比較小，這就需要高比特數的相機，便於(yu) 準確表示溫度值。濾波片的切換速度快，也需要高精度的步進電機。4.濾光片的透過波長直接影響所捕捉的影像的質量。既要求在CCD相機的有效響應範圍之內(nei) ，又不能受可見光及周圍因素的影響。另一方麵兩(liang) 個(ge) 濾光片的可通過光的波長差值也十分重要，它影響著後麵的比色計算，影響測量精度。因此恰當選擇兩(liang) 個(ge) 濾光片是在測溫方案中要注意的重要因素之一。

　　5.光路設計需要考慮送粉器原有的二氧化碳激光束影響，532nm的照明片光要薄，定位要準，而且濃度場測量中擴束光經過金屬粉流場能量要均勻，這都是在鏡片的選擇和設計中需要考慮的因素。

　　6.體(ti) 視位移機構的作用是將兩(liang) 台跨幀數字相機按照一定角度，類似於(yu) 生物視覺原理拍攝流場圖像。這其中不僅(jin) 包含固定相機的移動機構，還有數字相機鏡頭的移軸鏡頭機構，用於(yu) 滿足非正直拍攝的要求。在三維速度場的檢測中，這是十分重要的。

　　7.相應的數字圖像處理技術。粉末流場由於(yu) 粒子不斷下落，整體(ti) 是不停變化的，我們(men) 得到的一幅圖像隻表示某瞬間的狀態。為(wei) 了分析流場的變化規律及判斷其穩定性，我們(men) 必須采用實時采集，實時計算顯示的技術。因此數字圖像處理的算法就尤為(wei) 重要了。我們(men) 應開發出能在盡可能短時間內(nei) 得到結果的算法，便於(yu) 實時檢測。

　　總結：粉末流場的檢測是個(ge) 比較新的研究領域。在這個(ge) 領域裏深入研究對於(yu) 我們(men) 建立準確的理論模型，設計出最優(you) 的柔性粉咀具有重要意義(yi) 。將其用於(yu) 工程實際也有直接的指導意義(yi) 。