激光金屬沉積和激光粉床熔合過程中溫度場的測量

來源：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)行無損測試。在線過程監(jiān)控可以為每個(gè)部分提供詳細(xì)的文件，并有可能降低過程后的檢查成本。BIAS開發(fā)了一種先進(jìn)的監(jiān)測方法，利用同軸雙通道高溫測量相機(jī)進(jìn)行過程中溫度場測量。

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。單位長度的能量和單位長度的粉末質(zhì)量之間的適當(dāng)關(guān)系對于一致的胎圈寬度和高度是必要的，這對于均勻的層幾何結(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，溫度測量要求較高。此外，加法過程需要獨(dú)立于方向的觀察。常用的溫度測量方法有同軸高溫計(jì)測量和橫向攝像機(jī)觀測，它們將灰度值與溫度關(guān)聯(lián)起來。與基于攝像頭的測量相比，單點(diǎn)測量將來自工藝區(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。粉末工藝中溫度測量的一個(gè)問題是粉末流動(dòng)、飛濺和焊接煙氣對工藝區(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量和粉末、飛濺物和煙霧的衰減無關(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量方法，用于監(jiān)測粉末重涂和固結(jié)的質(zhì)量。在LPBF中，工藝區(qū)的溫度場指示能量平衡，可用于確定應(yīng)用參數(shù)，因此需要進(jìn)行現(xiàn)場熱監(jiān)測。

LMD中同軸溫度場的測量

這項(xiàng)工作展示了一種新型雙通道高溫計(jì)相機(jī)對LMD的熱過程監(jiān)控，該相機(jī)結(jié)合了基于cam-era的觀測和發(fā)射率校正溫度測量的優(yōu)點(diǎn)。攝像機(jī)已經(jīng)用于熱過程模擬的驗(yàn)證和優(yōu)化，并能夠確定不同的溫度場相關(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)集成在過程頭中，用于熱過程監(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），帶有評估熱值的測量系統(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)場溫度場分析。測量系統(tǒng)比較了661nm和667 nm中心波長處的輻射，以進(jìn)行發(fā)射率校正溫度測量。整個(gè)光路的溫度校準(zhǔn)由相機(jī)供應(yīng)商完成。溫度測量的精度規(guī)定在600至1900°C范圍內(nèi)在2%以內(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10個(gè)像素組成，以避免錯(cuò)誤檢測。

如果檢測到多個(gè)區(qū)域，則選擇像素?cái)?shù)最高的區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步評估。檢測到的尺寸根據(jù)x方向和y方向的膨脹進(jìn)行評估，其等于熔池寬度和長度。熔池面積通過將像素?cái)?shù)與熔體溫度或更高溫度相加來確定。此外，該算法能夠評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。熱圖像通過熔池寬度進(jìn)行評估。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測量的熔池寬度與金相軌道寬度之間的相關(guān)性表明了測量方法的準(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)能夠精確測量已在加工的焊縫幾何形狀，并確保通過熱加工監(jiān)控識(shí)別質(zhì)量變化。

圖2用PyroCam測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對增材LMD過程進(jìn)行熱監(jiān)測。熔池寬度和熔池面積，用于造墻(a)和造筒(b) [Tyralla 2020/BIAS ID 200286]

針對典型的壁筒和薄壁筒體幾何形狀，研究了增材制造中常見的累積錯(cuò)誤來源，并通過熱過程監(jiān)測進(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，首次可以通過發(fā)射率校正溫度場測量在線顯示熱積累。對于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程中，對于恒定的能量輸入，也可以觀察到類似的行為。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，評估算法將y方向上的熔池尺寸與寬度匹配，因此妨礙了對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)立的評估方法，熔池區(qū)域更適用于過程監(jiān)控。對比表明，在線熔池寬度測量和成型過程中軌道寬度的金相測定也具有高度一致性（圖2b）。對于壁和圓筒結(jié)構(gòu)的增材制造，偏差小于2%。

LPBF中同軸溫度場的測量

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

本課題的溫度測量采用的是占地面積為250mm × 250mm的商用LPBF溫度測量機(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，用于熱過程監(jiān)測。如圖4所示，利用分束器將熱測量相機(jī)同軸地集成到光束路徑中。

圖5顯示了通過PyroCam現(xiàn)場測量的熔體池幾何形狀與通過金相學(xué)在截面上確定的軌跡寬度之間的對比。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%以內(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量(藍(lán)色標(biāo)記)。

圖5 LPBF中PyroCam測量的熔池寬度與金相測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測量和各種熱指標(biāo)值的原位評估成為可能。同軸觀測保證了較高的橫向分辨率，并將測量的熔池寬度與金相測量的軌跡寬度進(jìn)行了比較，證明了熔池幾何測量的準(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.