激光金属沉积和激光粉床熔合过程中温度场的测量

来源：江苏激光联盟

导读：激光金属沉积(LMD)和激光粉床融合(LPBF)等基于激光的增材制造工艺越来越受到工业界的欢迎。然而，在要求苛刻的应用中，每个部件都必须在后续步骤中进行无损测试。在线过程监控可以为每个部分提供详细的文件，并有可能降低过程后的检查成本。BIAS开发了一种先进的监测方法，利用同轴双通道高温测量相机进行过程中温度场测量。

由于其独特的设计可能性和零件的高度功能化，增材制造越来越多地用于工业生产。激光金属沉积（LMD）通常用于生产大型零件或在半成品上生产功能元件的混合生产。通过相邻焊道的沉积形成一致的层，并逐层重复生成三维几何图形。最终零件的质量取决于每个单珠的质量和几何形状。单位长度的能量和单位长度的粉末质量之间的适当关系对于一致的胎圈宽度和高度是必要的，这对于均匀的层几何结构是必需的。因此，流程区的温度场是当前流程行为的合适指示器。

然而，由于温度范围和焊接速度较高，温度测量要求较高。此外，加法过程需要独立于方向的观察。常用的温度测量方法有同轴高温计测量和横向摄像机观测，它们将灰度值与温度关联起来。与基于摄像头的测量相比，单点测量将来自工艺区的各种信息限制为仅一个温度值。然而，由于LMD中常用透镜的光学特性，红外高温计和相机的同轴集成受到限制。粉末工艺中温度测量的一个问题是粉末流动、飞溅和焊接烟气对工艺区热排放的波动衰减。因此，不同材料、表面条件、物质状态甚至温度范围的使用可能会影响工艺区的热排放，并导致测量温度的偏差。首选双通道高温计，因为它们的辐射校正测量和粉末、飞溅物和烟雾的衰减无关。

与LMD相比，激光粉末床熔接（LPBF）是一种粉末床3D打印方法，使用高强度单模激光熔化和固化非常薄的金属粉末，生成几何复杂度和精度更高的组件。尽管与LMD相比，仅限于较小的典型组件尺寸。LPBF机器采用带基于扫描仪的光学元件的封闭式建造腔室，LPBF工艺的特点是较小的激光光斑尺寸以较高的焊接速度移动，所有这些通常会使过程监控更具挑战性。BIAS最近展示了一种高精度的尺寸测量方法，用于监测粉末重涂和固结的质量。在LPBF中，工艺区的温度场指示能量平衡，可用于确定应用参数，因此需要进行现场热监测。

LMD中同轴温度场的测量

这项工作展示了一种新型双通道高温计相机对LMD的热过程监控，该相机结合了基于cam-era的观测和发射率校正温度测量的优点。摄像机已经用于热过程模拟的验证和优化，并能够确定不同的温度场相关值，如熔池几何形状或温度梯度。此外，它还用于线基熔覆工艺的闭环控制。

摄像头（PyroCam、IMS芯片）集成到直接二极管激光处理头（Profocus、OSCAR PLT）中。特殊设计允许通过工艺头的中心输送金属丝和粉末填充材料。激光同轴感应成一个圆，确保了高送粉效率。内窥镜系统集成在过程头中，用于热过程监控。之前的出版物详细展示了该设置（图1）。

图1带有集成监控系统的LMD处理头的横截面图（左），带有评估热值的测量系统的同轴视图和相应的横截面图（右）[Tyralla 2020/BIAS ID 200280]

PyroCam用于现场温度场分析。测量系统比较了661nm和667 nm中心波长处的辐射，以进行发射率校正温度测量。整个光路的温度校准由相机供应商完成。温度测量的精度规定在600至1900°C范围内在2%以内。采用200 Hz的帧频。

从热图像中获得不同的热指示剂值。因此，借助于从文献中获取的熔体温度，在PyroCam图像中识别出熔体池，所用材料的具体温度在1480至1530°C之间。基于LabView的算法检测像素的亮区，其值高于熔体温度。已识别的熔池必须由超过10个像素组成，以避免错误检测。

如果检测到多个区域，则选择像素数最高的区域进行进一步评估。检测到的尺寸根据x方向和y方向的膨胀进行评估，其等于熔池宽度和长度。熔池面积通过将像素数与熔体温度或更高温度相加来确定。此外，该算法能够评估横截面和纵截面的温度分布和温度梯度（图1）。PyroCam图像的横向分辨率为33.6µm/像素。

进行了不同的实验，以证明这种新型系统的过程监控能力，并确定该方法的准确性。因此，PyroCam产生并观察了单轨和典型的加性加工几何形状。单轨实验研究了由于PyroCam的在线观察，在工艺参数变化的情况下，熔池几何形状的变化。热图像通过熔池宽度进行评估。相应的轨道宽度在金属图形横截面中确定，并用作参考值。cam-era测量的熔池宽度与金相轨道宽度之间的相关性表明了测量方法的准确性（图2a）。这里，将绘制相机值与参考值的对比图。该图显示了这些值之间的高度一致性。偏差小于4%，表明该系统能够精确测量已在加工的焊缝几何形状，并确保通过热加工监控识别质量变化。

图2用PyroCam测量的熔体池宽度和金相截面确定的轨迹宽度的比较，用于单轨激光熔覆(a)和简单的壁和圆柱体几何形状的增材制造(b)[Tyralla 2020 / BIAS ID 200285]


图3用PyroCam对增材LMD过程进行热监测。熔池宽度和熔池面积，用于造墙(a)和造筒(b) [Tyralla 2020/BIAS ID 200286]

针对典型的壁筒和薄壁筒体几何形状，研究了增材制造中常见的累积错误来源，并通过热过程监测进行了观察。恒定的激光功率通常会导致墙体积聚热量，因为墙体几何形状的散热片较小，且导热性较差。由于同轴集成，首次可以通过发射率校正温度场测量在线显示热积累。对于15层墙，熔池宽度和熔池面积随着层数的增加而增加（图3a）。在空心圆柱的形成过程中，对于恒定的能量输入，也可以观察到类似的行为。由于结构中的热量积累，熔池宽度增加，并导致更高的壁厚。十层圆柱体的熔池宽度和熔池面积（图3b）显示了与壁面实验不同的表示。此处，评估算法将y方向上的熔池尺寸与宽度匹配，因此妨碍了对圆形焊接路径的正确确定。在这种情况下，由于采用了方向独立的评估方法，熔池区域更适用于过程监控。对比表明，在线熔池宽度测量和成型过程中轨道宽度的金相测定也具有高度一致性（图2b）。对于壁和圆筒结构的增材制造，偏差小于2%。

LPBF中同轴温度场的测量

图4 LPBF中温度场测量系统的同轴集成示意图（左），测量系统的同轴视图，以及评估的热值和相应的横截面（右）[Tyralla 2020/BIAS ID 200281]

本课题的温度测量采用的是占地面积为250mm × 250mm的商用LPBF温度测量机(Realizer SLM 250)。单模光纤激光器在1070 nm处的最大激光功率为200 W。激光光斑直径为50µm。使用了镍基粉末材料2.4665 (TruForm HX, Praxair)，粒径在15 - 45 μ m之间。特殊的f-theta透镜具有1070 nm的激光辐射和650 nm的热辐射的高透射性，可以同时进行加工和测量。此外，扫描单元的反射镜被涂覆，在上述光谱范围内提高反射率，用于热过程监测。如图4所示，利用分束器将热测量相机同轴地集成到光束路径中。

图5显示了通过PyroCam现场测量的熔体池几何形状与通过金相学在截面上确定的轨迹宽度之间的对比。图中显示在50 mm/s和100 mm/s的情况下，熔体池宽度一致性良好，偏差在3%以内(红色标记)。然而，由于实验装置的限制，色差影响了在200 mm/s及以上的焊接速度下熔体熔池宽度的精确测量(蓝色标记)。

图5 LPBF中PyroCam测量的熔池宽度与金相测定的径迹宽度的比较[Tyralla 2019/BIAS ID 200071]

总结

将双通道高温计摄像机集成到一种新型的直接二极管激光LMD工艺头和基于扫描器的LPBF机中。该装置使发射率修正后的温度场测量和各种热指标值的原位评估成为可能。同轴观测保证了较高的横向分辨率，并将测量的熔池宽度与金相测量的轨迹宽度进行了比较，证明了熔池几何测量的准确性。在LMD中，激光熔覆层的平均偏差仅为4%，壁材和圆柱体的增材制造的平均偏差小于2%。在更具挑战性的LPBF环境中，在较低的焊接速度下，对于较大的熔体池尺寸，可以成功地证明具有相当的精度，而在较高的焊接速度下测量较小的熔体池尺寸时，则发现了需要进一步调整基于扫描仪的装置的局限性。

来源：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
参考文献：W. M. Steen, J. Mazumder: Laser Material Processing, 4. Aufl.,Springer-Verlag Lon- don, 2010.