激光金屬沉積和激光粉床熔合過(guò)程中溫度場(chǎng)的測(cè)量

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：激光金屬沉積(LMD)和激光粉床融合(LPBF)等基于激光的增材制造工藝越來(lái)越受到工業(yè)界的歡迎。然而，在要求苛刻的應(yīng)用中，每個(gè)部件都必須在后續(xù)步驟中進(jìn)行無(wú)損測(cè)試。在線過(guò)程監(jiān)控可以為每個(gè)部分提供詳細(xì)的文件，并有可能降低過(guò)程后的檢查成本。BIAS開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的監(jiān)測(cè)方法，利用同軸雙通道高溫測(cè)量相機(jī)進(jìn)行過(guò)程中溫度場(chǎng)測(cè)量。

由于其獨(dú)特的設(shè)計(jì)可能性和零件的高度功能化，增材制造越來(lái)越多地用于工業(yè)生產(chǎn)。激光金屬沉積（LMD）通常用于生產(chǎn)大型零件或在半成品上生產(chǎn)功能元件的混合生產(chǎn)。通過(guò)相鄰焊道的沉積形成一致的層，并逐層重復(fù)生成三維幾何圖形。最終零件的質(zhì)量取決于每個(gè)單珠的質(zhì)量和幾何形狀。單位長(zhǎng)度的能量和單位長(zhǎng)度的粉末質(zhì)量之間的適當(dāng)關(guān)系對(duì)于一致的胎圈寬度和高度是必要的，這對(duì)于均勻的層幾何結(jié)構(gòu)是必需的。因此，流程區(qū)的溫度場(chǎng)是當(dāng)前流程行為的合適指示器。

然而，由于溫度范圍和焊接速度較高，溫度測(cè)量要求較高。此外，加法過(guò)程需要獨(dú)立于方向的觀察。常用的溫度測(cè)量方法有同軸高溫計(jì)測(cè)量和橫向攝像機(jī)觀測(cè)，它們將灰度值與溫度關(guān)聯(lián)起來(lái)。與基于攝像頭的測(cè)量相比，單點(diǎn)測(cè)量將來(lái)自工藝區(qū)的各種信息限制為僅一個(gè)溫度值。然而，由于LMD中常用透鏡的光學(xué)特性，紅外高溫計(jì)和相機(jī)的同軸集成受到限制。粉末工藝中溫度測(cè)量的一個(gè)問(wèn)題是粉末流動(dòng)、飛濺和焊接煙氣對(duì)工藝區(qū)熱排放的波動(dòng)衰減。因此，不同材料、表面條件、物質(zhì)狀態(tài)甚至溫度范圍的使用可能會(huì)影響工藝區(qū)的熱排放，并導(dǎo)致測(cè)量溫度的偏差。首選雙通道高溫計(jì)，因?yàn)樗鼈兊妮椛湫Ｕ郎y(cè)量和粉末、飛濺物和煙霧的衰減無(wú)關(guān)。

與LMD相比，激光粉末床熔接（LPBF）是一種粉末床3D打印方法，使用高強(qiáng)度單模激光熔化和固化非常薄的金屬粉末，生成幾何復(fù)雜度和精度更高的組件。盡管與LMD相比，僅限于較小的典型組件尺寸。LPBF機(jī)器采用帶基于掃描儀的光學(xué)元件的封閉式建造腔室，LPBF工藝的特點(diǎn)是較小的激光光斑尺寸以較高的焊接速度移動(dòng)，所有這些通常會(huì)使過(guò)程監(jiān)控更具挑戰(zhàn)性。BIAS最近展示了一種高精度的尺寸測(cè)量方法，用于監(jiān)測(cè)粉末重涂和固結(jié)的質(zhì)量。在LPBF中，工藝區(qū)的溫度場(chǎng)指示能量平衡，可用于確定應(yīng)用參數(shù)，因此需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱監(jiān)測(cè)。

LMD中同軸溫度場(chǎng)的測(cè)量

這項(xiàng)工作展示了一種新型雙通道高溫計(jì)相機(jī)對(duì)LMD的熱過(guò)程監(jiān)控，該相機(jī)結(jié)合了基于cam-era的觀測(cè)和發(fā)射率校正溫度測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。攝像機(jī)已經(jīng)用于熱過(guò)程模擬的驗(yàn)證和優(yōu)化，并能夠確定不同的溫度場(chǎng)相關(guān)值，如熔池幾何形狀或溫度梯度。此外，它還用于線基熔覆工藝的閉環(huán)控制。

攝像頭（PyroCam、IMS芯片）集成到直接二極管激光處理頭（Profocus、OSCAR PLT）中。特殊設(shè)計(jì)允許通過(guò)工藝頭的中心輸送金屬絲和粉末填充材料。激光同軸感應(yīng)成一個(gè)圓，確保了高送粉效率。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)集成在過(guò)程頭中，用于熱過(guò)程監(jiān)控。之前的出版物詳細(xì)展示了該設(shè)置（圖1）。

圖1帶有集成監(jiān)控系統(tǒng)的LMD處理頭的橫截面圖（左），帶有評(píng)估熱值的測(cè)量系統(tǒng)的同軸視圖和相應(yīng)的橫截面圖（右）[Tyralla 2020/BIAS ID 200280]

PyroCam用于現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)分析。測(cè)量系統(tǒng)比較了661nm和667 nm中心波長(zhǎng)處的輻射，以進(jìn)行發(fā)射率校正溫度測(cè)量。整個(gè)光路的溫度校準(zhǔn)由相機(jī)供應(yīng)商完成。溫度測(cè)量的精度規(guī)定在600至1900°C范圍內(nèi)在2%以?xún)?nèi)。采用200 Hz的幀頻。

從熱圖像中獲得不同的熱指示劑值。因此，借助于從文獻(xiàn)中獲取的熔體溫度，在PyroCam圖像中識(shí)別出熔體池，所用材料的具體溫度在1480至1530°C之間�；�于LabView的算法檢測(cè)像素的亮區(qū)，其值高于熔體溫度。已識(shí)別的熔池必須由超過(guò)10個(gè)像素組成，以避免錯(cuò)誤檢測(cè)。

如果檢測(cè)到多個(gè)區(qū)域，則選擇像素?cái)?shù)最高的區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。檢測(cè)到的尺寸根據(jù)x方向和y方向的膨脹進(jìn)行評(píng)估，其等于熔池寬度和長(zhǎng)度。熔池面積通過(guò)將像素?cái)?shù)與熔體溫度或更高溫度相加來(lái)確定。此外，該算法能夠評(píng)估橫截面和縱截面的溫度分布和溫度梯度（圖1）。PyroCam圖像的橫向分辨率為33.6µm/像素。

進(jìn)行了不同的實(shí)驗(yàn)，以證明這種新型系統(tǒng)的過(guò)程監(jiān)控能力，并確定該方法的準(zhǔn)確性。因此，PyroCam產(chǎn)生并觀察了單軌和典型的加性加工幾何形狀。單軌實(shí)驗(yàn)研究了由于PyroCam的在線觀察，在工藝參數(shù)變化的情況下，熔池幾何形狀的變化。熱圖像通過(guò)熔池寬度進(jìn)行評(píng)估。相應(yīng)的軌道寬度在金屬圖形橫截面中確定，并用作參考值。cam-era測(cè)量的熔池寬度與金相軌道寬度之間的相關(guān)性表明了測(cè)量方法的準(zhǔn)確性（圖2a）。這里，將繪制相機(jī)值與參考值的對(duì)比圖。該圖顯示了這些值之間的高度一致性。偏差小于4%，表明該系統(tǒng)能夠精確測(cè)量已在加工的焊縫幾何形狀，并確保通過(guò)熱加工監(jiān)控識(shí)別質(zhì)量變化。

圖2用PyroCam測(cè)量的熔體池寬度和金相截面確定的軌跡寬度的比較，用于單軌激光熔覆(a)和簡(jiǎn)單的壁和圓柱體幾何形狀的增材制造(b)[Tyralla 2020 / BIAS ID 200285]


圖3用PyroCam對(duì)增材LMD過(guò)程進(jìn)行熱監(jiān)測(cè)。熔池寬度和熔池面積，用于造墻(a)和造筒(b) [Tyralla 2020/BIAS ID 200286]

針對(duì)典型的壁筒和薄壁筒體幾何形狀，研究了增材制造中常見(jiàn)的累積錯(cuò)誤來(lái)源，并通過(guò)熱過(guò)程監(jiān)測(cè)進(jìn)行了觀察。恒定的激光功率通常會(huì)導(dǎo)致墻體積聚熱量，因?yàn)閴�體幾何形狀的散熱片較小，且導(dǎo)熱性較差。由于同軸集成，首次可以通過(guò)發(fā)射率校正溫度場(chǎng)測(cè)量在線顯示熱積累。對(duì)于15層墻，熔池寬度和熔池面積隨著層數(shù)的增加而增加（圖3a）。在空心圓柱的形成過(guò)程中，對(duì)于恒定的能量輸入，也可以觀察到類(lèi)似的行為。由于結(jié)構(gòu)中的熱量積累，熔池寬度增加，并導(dǎo)致更高的壁厚。十層圓柱體的熔池寬度和熔池面積（圖3b）顯示了與壁面實(shí)驗(yàn)不同的表示。此處，評(píng)估算法將y方向上的熔池尺寸與寬度匹配，因此妨礙了對(duì)圓形焊接路徑的正確確定。在這種情況下，由于采用了方向獨(dú)立的評(píng)估方法，熔池區(qū)域更適用于過(guò)程監(jiān)控。對(duì)比表明，在線熔池寬度測(cè)量和成型過(guò)程中軌道寬度的金相測(cè)定也具有高度一致性（圖2b）。對(duì)于壁和圓筒結(jié)構(gòu)的增材制造，偏差小于2%。

LPBF中同軸溫度場(chǎng)的測(cè)量

圖4 LPBF中溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的同軸集成示意圖（左），測(cè)量系統(tǒng)的同軸視圖，以及評(píng)估的熱值和相應(yīng)的橫截面（右）[Tyralla 2020/BIAS ID 200281]

本課題的溫度測(cè)量采用的是占地面積為250mm × 250mm的商用LPBF溫度測(cè)量機(jī)(Realizer SLM 250)。單模光纖激光器在1070 nm處的最大激光功率為200 W。激光光斑直徑為50µm。使用了鎳基粉末材料2.4665 (TruForm HX, Praxair)，粒徑在15 - 45 μ m之間。特殊的f-theta透鏡具有1070 nm的激光輻射和650 nm的熱輻射的高透射性，可以同時(shí)進(jìn)行加工和測(cè)量。此外，掃描單元的反射鏡被涂覆，在上述光譜范圍內(nèi)提高反射率，用于熱過(guò)程監(jiān)測(cè)。如圖4所示，利用分束器將熱測(cè)量相機(jī)同軸地集成到光束路徑中。

圖5顯示了通過(guò)PyroCam現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的熔體池幾何形狀與通過(guò)金相學(xué)在截面上確定的軌跡寬度之間的對(duì)比。圖中顯示在50 mm/s和100 mm/s的情況下，熔體池寬度一致性良好，偏差在3%以?xún)?nèi)(紅色標(biāo)記)。然而，由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，色差影響了在200 mm/s及以上的焊接速度下熔體熔池寬度的精確測(cè)量(藍(lán)色標(biāo)記)。

圖5 LPBF中PyroCam測(cè)量的熔池寬度與金相測(cè)定的徑跡寬度的比較[Tyralla 2019/BIAS ID 200071]

總結(jié)

將雙通道高溫計(jì)攝像機(jī)集成到一種新型的直接二極管激光LMD工藝頭和基于掃描器的LPBF機(jī)中。該裝置使發(fā)射率修正后的溫度場(chǎng)測(cè)量和各種熱指標(biāo)值的原位評(píng)估成為可能。同軸觀測(cè)保證了較高的橫向分辨率，并將測(cè)量的熔池寬度與金相測(cè)量的軌跡寬度進(jìn)行了比較，證明了熔池幾何測(cè)量的準(zhǔn)確性。在LMD中，激光熔覆層的平均偏差僅為4%，壁材和圓柱體的增材制造的平均偏差小于2%。在更具挑戰(zhàn)性的LPBF環(huán)境中，在較低的焊接速度下，對(duì)于較大的熔體池尺寸，可以成功地證明具有相當(dāng)?shù)木�度，而在較高的焊接速度下測(cè)量較小的熔體池尺寸時(shí)，則發(fā)現(xiàn)了需要進(jìn)一步調(diào)整基于掃描儀的裝置的局限性。

來(lái)源：In-process temperature field measurement for laser metal depositionand laser powder bed fusion processes, Advanced Process Monitoring in Additive Manufacturing, DOI: 10.1002/phvs.202000028
參考文獻(xiàn)：W. M. Steen, J. Mazumder: Laser Material Processing, 4. Aufl.,Springer-Verlag Lon- don, 2010.