LAM | 双波长全息术：激光增材制造的熔池监测

撰稿 | 颜悦（香港中文大学，博士生）

20年来，激光熔融制造已经发展成为主流的金属增材制造微小尺寸的方法。然而，在实际工业应用中，该技术的一个主要痛点是可靠性不够。因为在制造过程中熔池的不稳定性会明显降低制造组件的性能。比如激光粉末床溶合制造过程（powder bed processes）中，常见的熔池缺陷包括孔隙率，成球、几何缺陷、表面缺陷、残留应力/裂纹/脱粘等导致的制造过程可靠性，重复性低严重阻碍了其大规模普及。因此实现熔池原位实时监测对改进制造工艺，加速制造过程，降低制造成本都非常重要。

鉴于此，近期来自法国勒芒大学的团队展示了基于双波长全息术对激光粉末床溶合增材制造过程熔池进行原位实时监测。

该工作以题为 “Melt pool monitoring in laser beam melting with two-wavelength holographic imaging” 发表在 Light: Advanced Manufacturing。

文章首先介绍了双波长全息术的基本原理，然后基于该方法对激光束熔融（Laser beam melting, LBM）静态和动态轨迹 3D 形貌监测，以及有金属粉末和无金属粉末下的熔池监测。

一. 实验原理和装置

传统单频数字全息干涉利用两束同频光的干涉（一束经过物体，一束参考），然后解析其相位并反演物体尺寸信息。因为其准确测量范围局限在 0~2 π。其物体尺寸测量范围也局限在光源波长级别。双频数字全息干涉利用两个有微小波长差异的激光进行干涉产生拍频，其干涉信号中含有等效合成波长的相位信息，等效合成波长可表示为：

因为两个波长差异很小，其等效合成波长数值很大，因此其对应的 0~2 π 相位信息的物体尺寸检测范围可极大提高。文中测量原理如图1所示：

图1：测量装置图

两个不同波长的激光分别为：λ₁=632.8nm（20mW）；λ₂=634.4nm（50mW）。其对应的合成波长 λsyn=286.74 μm。两个激光器分别通过偏振分束器（PBS1 和PBS2）分别产生两路信号，一路作为参考信号，经由 M6 和 C2 到相机；另外一路作为探测光，经由 M3 和 C1，最后照射到被测目标（熔池）后反射，再经由 M7，C3 到相机。参考光和探测光干涉产生全息信号，最后再进行处理反演得到被测目标 3D 形貌，其空间分辨率约 15.2 μm。目标物安装在XY 平台，做激光熔融的激光波长为 1080nm，功率 50W-500W 可调，激光熔融点大小为直径 70-200μm。

二. 实验结果和分析

（1）静态铝合金熔融轨迹 3D 形貌监测

首先测量了 LBM 下产生的两条平行铝合金熔融轨迹 3D 形貌。测量相机曝光时间为 145 μs。结果如图 2 所示：

图2：a 铝合金熔融轨迹实际照片；b 双波长全息术测量的铝合金熔融轨迹；c 双波长全息术测量的铝合金熔融轨迹3D 形态；d 局部图（b中白色框出的区域）

图 2 对比结果表明了双波长全息术对熔融轨迹 3D 形貌测量的可靠性。熔融轨迹中的人字形结构清晰可见。

（2）动态铝合金熔融轨迹 3D 形貌和动态模糊问题

在监测激光熔融运动轨迹形貌的过程中，全息术产生的动态模糊是一个需要考虑的问题，这类似于我们用相机拍摄运动物体容易产生模糊。这时候需要控制曝光时间，曝光时间越长，就容易产生明显的动态模糊。这在双波长全息术中也是一样的道理。通常运动模糊指标用以下表达式表示：

其中，V₀ 是运动速度，τ 是相机曝光时间，ρx 是全息测量分辨率。当B接近或者大于1时，运动模糊就比较明显。文中测量了在曝光时间为 25 μs， 三种不同运动速度下的动态铝合金熔融轨迹3D 形貌：V₀=100mm/s，B=0.16；V₀ =250mm/s，B=0.41；V₀=380mm/s，B=0.63。其结果如下图中所示：

实验结果验证了利用双波长全息对动态激光熔融过程监测的可行性。当然，当运动速度超过 100mm/s 时，动态模糊会降低测量效果。这个问题可以使用更高功率的激光器（全息中的两束激光），降低相机曝光时间来改善。

（3）熔池监测

首先测量了无金属粉末的 316L 基底熔池。测量曝光时间为 6.25 us，运动速度为 100 mm/s，激光熔融功率为 75 W，熔池区域在 100-200 um 之间，其结果如下图：

测量结果明显得观测到了穿透孔（keyhole）现象。

文章进而测量了有金属粉末下的 316L 基底熔池，金属粉末层厚 ~100um。此时测量相机曝光时间为 25 us，运动速度为 100 mm/s，激光熔融功率为 150 W，熔池区域在 100-200 um 之间，其结果如下图所示：

结果观察到了明显的熔池波动，以及热区域轨迹的建立。这些初步结果都证明了使用双波长全息术对熔池 3D 形貌监测的可行性。

三．结论和展望  

文章详细展示了利用双波长全息术对激光熔融制造过程中熔池的 3D 形貌进行实时原位监测。未来，使用 GPU 对数字全息信号进行快速处理，并且使用更高功率和高稳定性的激光器做全息检测，进而可以进一步降低曝光时间，以降低运动模糊的影响。该工作对优化原位增材制造工艺，发展可靠的数学模型，以及进一步理解熔融动态过程提供了全新的视角和机会。

论文信息  

Piniard et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:11 

https://doi.org/10.37188/lam.2022.011

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