摘要：双相不锈钢 2209 具备良好的力学强度与耐腐蚀性，可满足高精度、高质量部件的制造需求；激光送丝定向能量沉积（DED-LB/w）具备灵活性和精准性，沉积率高，过程可控性强，工业适配性广。
研究背景
双相不锈钢 2209 具备良好的力学强度与耐腐蚀性，可满足高精度、高质量部件的制造需求；激光送丝定向能量沉积（DED-LB/w）具备灵活性和精准性，沉积率高，过程可控性强，工业适配性广。
但是，DED-LB/w在沉积复杂几何部件时工艺控制存在难度，热输入与热积累问题突出，传感器系统存在局限，自动化与集成性仍存在不足。现有研究主要集中围绕温度监测、熔池表征以及控制策略，但缺乏低成本的全向监测方案，且多以熔池面积或宽度为监测指标，易受阈值、发射率影响且需复杂校准，难以适配不同合金与工艺条件。
瑞典西部大学在工程技术领域期刊The International Journal of Advanced Manufacturing Technology上发表了题为“Correlating melt pool geometry with temperature dynamics in laser directed energy deposition with wire: insights and industrial implications”的研究成果。本文研究了激光定向能量沉积（DED-LB/w）中熔池几何形状和温度动力学之间的相关性。该研究提供了一种紧凑、全向的解决方案，将无主动照明的视觉相机集成到激光头中，取代了偏轴辐射测温。比较分析表明，基于长度的温度数据相关性优于基于熔池面积的测量。该工作解决了DED-LB/w工艺中热输入控制的挑战，并为各种金属合金、复杂几何形状以及先进传感和自动控制方法的未来研究方向提出了建议。
论文图片
图1 DED-LB/w实验系统。a 机器人加工舱；b 集成传感器与激光光路；c 传感器布置示意
图2 熔池图像。a 短波红外相机；b 可见光相机；c 近红外波段相机
图3 激光束与高温计测量点。a 高温计瞄准位置位于激光照射位置后方；b 激光照射位置与高温计测量点相对位置示意图
图4 a 圆柱单壁结构CAD模型；b 实际成形几何结构
图5 图像处理算法流程。输入I为相机采集图像，输出Ibin为熔池几何形状二值化图像
图6 熔池边界轮廓提取的图像处理步骤
图7 氧化岛在图像序列中的运动（帧间时间间隔0.3 s）
图8 a 首层图像；b 第2层图像；c 局部直方图均衡化后图像
图9 非线性Hammerstein-Wiener模型结构
图10 第10-19层温度与熔池长度随时间变化曲线（信号已归一化，时间序列对应9层沉积过程）
图11 蓝色曲线为不同阈值下熔池像素总和的归一化结果；红色曲线为对应归一化实测温度
图12 不同阈值下熔池长度与面积测量值同温度的相关性（注：相关系数ρ0.5为强相关）
图13 Otsu法自动确定的阈值
图14 模型输出与温度实测值对比
关键结论
1. 本研究探究了激光送丝定向能量沉积（DED-LB/w）中熔池上表面边界几何形状与熔池即时凝固尾部温度变化之间的关系。通过运用先进机器视觉技术，研究阐明了熔池长度在沉积过程中作为温度变化强指示器的重要作用；此外，该研究还强调了集成无主动照明视觉相机的有效性，提出了一种紧凑、全向且具备工业实用性的解决方案。
2. 通过相关性研究，本研究证实了在捕捉温度动态变化方面，熔池长度测量优于熔池面积测量。尽管两种方法均依赖可调节阈值，但在较大阈值范围内，熔池长度测量与温度始终呈现更强的相关性；重要的是，这些发现突破了小规模实验室实验的局限，在工业级多层DED-LB/w条件下验证了该相关性的一致性。
3. 本研究表明，在不同条件下，熔池长度与温度的相对关系保持稳定，使其成为热输入控制的适宜指标。该方法通过关注趋势变化而非绝对值，能够开发出可补偿工艺波动的自适应控制策略，这种灵活性为不同DED配置下的稳健工艺监测与控制提供了支持。
论文引用
Sahraeidolatkhaneh, A., Nilsen, M. & Sikström, F. Correlating melt pool geometry with temperature dynamics in laser directed energy deposition with wire: insights and industrial implications. Int J Adv Manuf Technol (2025).
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长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟