撰稿 | 顏悅（香港中文大學(xué)，博士生）
20年來(lái)，激光熔融制造已經(jīng)發(fā)展成為主流的金屬增材制造微小尺寸的方法。然而，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中，該技術(shù)的一個(gè)主要痛點(diǎn)是可靠性不夠。因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程中熔池的不穩(wěn)定性會(huì)明顯降低制造組件的性能。比如激光粉末床溶合制造過(guò)程（powder bed processes）中，常見(jiàn)的熔池缺陷包括孔隙率，成球、幾何缺陷、表面缺陷、殘留應(yīng)力/裂紋/脫粘等導(dǎo)致的制造過(guò)程可靠性，重復(fù)性低嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模普及。因此實(shí)現(xiàn)熔池原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)改進(jìn)制造工藝，加速制造過(guò)程，降低制造成本都非常重要。鑒于此，近期來(lái)自法國(guó)勒芒大學(xué)的團(tuán)隊(duì)展示了基于雙波長(zhǎng)全息術(shù)對(duì)激光粉末床溶合增材制造過(guò)程熔池進(jìn)行原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該工作以題為 “Melt pool monitoring in laser beam melting with two-wavelength holographic imaging” 發(fā)表在 Light: Advanced Manufacturing。文章首先介紹了雙波長(zhǎng)全息術(shù)的基本原理，然后基于該方法對(duì)激光束熔融（Laser beam melting, LBM）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)軌跡 3D 形貌監(jiān)測(cè)，以及有金屬粉末和無(wú)金屬粉末下的熔池監(jiān)測(cè)。
一．實(shí)驗(yàn)原理和裝置
傳統(tǒng)單頻數(shù)字全息干涉利用兩束同頻光的干涉（一束經(jīng)過(guò)物體，一束參考），然后解析其相位并反演物體尺寸信息。因?yàn)槠錅?zhǔn)確測(cè)量范圍局限在 0~2 π。其物體尺寸測(cè)量范圍也局限在光源波長(zhǎng)級(jí)別。雙頻數(shù)字全息干涉利用兩個(gè)有微小波長(zhǎng)差異的激光進(jìn)行干涉產(chǎn)生拍頻，其干涉信號(hào)中含有等效合成波長(zhǎng)的相位信息，等效合成波長(zhǎng)可表示為：因?yàn)閮蓚€(gè)波長(zhǎng)差異很小，其等效合成波長(zhǎng)數(shù)值很大，因此其對(duì)應(yīng)的 0~2 π 相位信息的物體尺寸檢測(cè)范圍可極大提高。文中測(cè)量原理如圖1所示：兩個(gè)不同波長(zhǎng)的激光分別為：λ1=632.8nm（20mW）；λ2=634.4nm（50mW）。其對(duì)應(yīng)的合成波長(zhǎng) λsyn=286.74 μm。兩個(gè)激光器分別通過(guò)偏振分束器（PBS1 和PBS2）分別產(chǎn)生兩路信號(hào)，一路作為參考信號(hào)，經(jīng)由 M6 和 C2 到相機(jī)；另外一路作為探測(cè)光，經(jīng)由 M3 和 C1，最后照射到被測(cè)目標(biāo)（熔池）后反射，再經(jīng)由 M7，C3 到相機(jī)。參考光和探測(cè)光干涉產(chǎn)生全息信號(hào)，最后再進(jìn)行處理反演得到被測(cè)目標(biāo) 3D 形貌，其空間分辨率約 15.2 μm。目標(biāo)物安裝在XY 平臺(tái)，做激光熔融的激光波長(zhǎng)為 1080nm，功率 50W-500W 可調(diào)，激光熔融點(diǎn)大小為直徑 70-200μm。
二．實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
（1）靜態(tài)鋁合金熔融軌跡 3D 形貌監(jiān)測(cè)
首先測(cè)量了 LBM 下產(chǎn)生的兩條平行鋁合金熔融軌跡 3D 形貌。測(cè)量相機(jī)曝光時(shí)間為 145 μs。結(jié)果如圖 2 所示：
圖2：a 鋁合金熔融軌跡實(shí)際照片；b 雙波長(zhǎng)全息術(shù)測(cè)量的鋁合金熔融軌跡；c 雙波長(zhǎng)全息術(shù)測(cè)量的鋁合金熔融軌跡3D 形態(tài)；d 局部圖（b中白色框出的區(qū)域）圖 2 對(duì)比結(jié)果表明了雙波長(zhǎng)全息術(shù)對(duì)熔融軌跡 3D 形貌測(cè)量的可靠性。熔融軌跡中的人字形結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)。
（2）動(dòng)態(tài)鋁合金熔融軌跡 3D 形貌和動(dòng)態(tài)模糊問(wèn)題
在監(jiān)測(cè)激光熔融運(yùn)動(dòng)軌跡形貌的過(guò)程中，全息術(shù)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)模糊是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題，這類似于我們用相機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)物體容易產(chǎn)生模糊。這時(shí)候需要控制曝光時(shí)間，曝光時(shí)間越長(zhǎng)，就容易產(chǎn)生明顯的動(dòng)態(tài)模糊。這在雙波長(zhǎng)全息術(shù)中也是一樣的道理。通常運(yùn)動(dòng)模糊指標(biāo)用以下表達(dá)式表示：其中，V0 是運(yùn)動(dòng)速度，τ 是相機(jī)曝光時(shí)間，ρx 是全息測(cè)量分辨率。當(dāng)B接近或者大于1時(shí)，運(yùn)動(dòng)模糊就比較明顯。文中測(cè)量了在曝光時(shí)間為 25 μs， 三種不同運(yùn)動(dòng)速度下的動(dòng)態(tài)鋁合金熔融軌跡3D 形貌：V0=100mm/s，B=0.16；V0 =250mm/s，B=0.41；V0=380mm/s，B=0.63。其結(jié)果如下圖中所示：
圖3：動(dòng)態(tài)激光熔融過(guò)程監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了利用雙波長(zhǎng)全息對(duì)動(dòng)態(tài)激光熔融過(guò)程監(jiān)測(cè)的可行性。當(dāng)然，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度超過(guò) 100mm/s 時(shí)，動(dòng)態(tài)模糊會(huì)降低測(cè)量效果。這個(gè)問(wèn)題可以使用更高功率的激光器（全息中的兩束激光），降低相機(jī)曝光時(shí)間來(lái)改善。
（3）熔池監(jiān)測(cè)
首先測(cè)量了無(wú)金屬粉末的 316L 基底熔池。測(cè)量曝光時(shí)間為 6.25 us，運(yùn)動(dòng)速度為 100 mm/s，激光熔融功率為 75 W，熔池區(qū)域在 100-200 um 之間，其結(jié)果如下圖：
圖4：無(wú)金屬粉末熔池監(jiān)測(cè)測(cè)量結(jié)果明顯得觀測(cè)到了穿透孔（keyhole）現(xiàn)象。
文章進(jìn)而測(cè)量了有金屬粉末下的 316L 基底熔池，金屬粉末層厚 ~100um。此時(shí)測(cè)量相機(jī)曝光時(shí)間為 25 us，運(yùn)動(dòng)速度為 100 mm/s，激光熔融功率為 150 W，熔池區(qū)域在 100-200 um 之間，其結(jié)果如下圖所示：
結(jié)果觀察到了明顯的熔池波動(dòng)，以及熱區(qū)域軌跡的建立。這些初步結(jié)果都證明了使用雙波長(zhǎng)全息術(shù)對(duì)熔池 3D 形貌監(jiān)測(cè)的可行性。
三．結(jié)論和展望
文章詳細(xì)展示了利用雙波長(zhǎng)全息術(shù)對(duì)激光熔融制造過(guò)程中熔池的 3D 形貌進(jìn)行實(shí)時(shí)原位監(jiān)測(cè)。未來(lái)，使用 GPU 對(duì)數(shù)字全息信號(hào)進(jìn)行快速處理，并且使用更高功率和高穩(wěn)定性的激光器做全息檢測(cè)，進(jìn)而可以進(jìn)一步降低曝光時(shí)間，以降低運(yùn)動(dòng)模糊的影響。該工作對(duì)優(yōu)化原位增材制造工藝，發(fā)展可靠的數(shù)學(xué)模型，以及進(jìn)一步理解熔融動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了全新的視角和機(jī)會(huì)。
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