在激光熔覆或金属3D打印成型过程中，由于基材形状、温度、材料和导热条件的动态变化，以及熔覆过程中工艺参数的波动，可能会导致熔覆界面受热不均匀，熔池形状、尺寸、温度等波动较大出现不稳定，在这些问题的综合作用下，可能会造成的堆积材料高度和宽度失控，乃至无法成型；此外，在熔覆路径的起始两端，由于存在数控运动机械的加速或者减速运行过程，也可能会导致熔池深度和宽度的变化，使材料成型失控。

为了降低激光熔覆或金属3D打印过程中的不稳因素，提高金属成形精度，可以通过光学等监测手段对激光熔覆工艺的主要参数进行闭环反馈控制，实现对熔池大小、形状、温度的实时监控和相关数据记录分析，然后对工艺参数进行实时反馈调整或PID控制，从而达到提高工艺稳定性能和成形精度的效果。

图1 激光熔覆成形缺陷案例

图2  控制系统方法图

例如：

控制的变量：熔池宽度、熔池高度、熔池温度

直接控制的参数：激光功率、扫描速度、光斑大小

闭环反馈控制软硬件

南京辉锐光电科技有限公司开发的辉锐激光修复闭环反馈控制系统包括拥有发明专利（专利号：ZL 2013 1 0654910.7）和软件著作权的实时监控与数据反馈（登记号：2016SR152148）。拥有对熔池大小进行监控并对相关数据进行分析的软件界面，通过相应参数设置来调节熔池宽度和形貌，用以改善激光熔覆工艺稳定性和成形精度。

图3  带同轴成像模块的激光熔覆头

图4  激光头成像模块

图5  软件操作界面

闭环控制应用典型案例

01典型案例1 – 单墙激光直接成型

成型条件 – 熔池监控，无闭环控制

图6 单墙激光扫描路径  激光熔覆过程图

图7 开环熔池宽度实时测量显示

图8 单墙开环熔覆图

1.同层成型宽度不稳定

2.墙体宽度逐层膨胀

3.两端堆积成型过厚

成型条件– 熔池监控+实时闭环控制

图9 激光功率实时显示

图10  闭环熔池宽度实时测量显示

图11  单墙闭环熔覆图

图12 开环、闭环 单墙熔覆横截面对比

图13 开环、闭环 单墙熔覆水平面对比

图14  开环、闭环熔覆对比

闭环软件使用成效

1.同层成型宽度稳定；

2.墙体宽度在高度方向一致；

3.两端无过厚问题；

4.初始熔覆宽度可保持恒定，确保单墙厚度一致；

02典型案例2–倾斜墙面的成形

样件激光扫描路径

图15  成型条件-无闭环控制

●  无法形成稳定平整的熔覆层

图16  熔池监控＋闭环反馈

● 可形成稳定平整的30°斜面成形

03典型案例3–叶片修复应用

视频1 闭环反馈软件操作视频