卡内基梅隆大学原位 X 射线成像揭示SLM中的高频光束振荡锁孔动力学

摘要：金属增材制造（AM）行业目标是从快速成型向大规模生产功能部件转变，提高生产力至关重要。激光振荡技术在激光焊接中有诸多优势，如减少缺陷、改善焊缝质量等，但在激光粉末床熔融（L-PBF）中，由于扫描速度快，对其千赫兹级高频振荡的研究较少。本文首次利用同步辐射原位

卡内基梅隆大学研究人员在nature上发表了题目为High frequency beam oscillation keyhole dynamics in laser melting revealed by in-situ x-ray imaging。

论文导读

金属增材制造（AM）行业目标是从快速成型向大规模生产功能部件转变，提高生产力至关重要。激光振荡技术在激光焊接中有诸多优势，如减少缺陷、改善焊缝质量等，但在激光粉末床熔融（L-PBF）中，由于扫描速度快，对其千赫兹级高频振荡的研究较少。本文首次利用同步辐射原位 X 射线成像技术研究千赫兹激光振荡模式下匙孔的时空演变，并与多物理场模型对比。

Laser & Electron Beam Processing

论文概述

金属增材制造行业正在积极开发仪器和方法，以实现更高的生产率、最佳的构建质量和可控的完整微观结构。振荡激光是一种光束控制技术，在激光焊接的所有这些方面都显示出潜力;然而，很少有人尝试了解振荡匙孔/熔池的基本物理学，而这些物理学是这些方法成为基于激光的增材制造工艺的有用工具的先决条件。在这里，为了解决这一差距，我们利用基于同步加速器的 X 射线操作技术，使用微型粉末床熔融装置对 Ti-6Al-4V 中的动态匙孔振荡进行成像。我们发现，实验观察与使用经过验证的 Lattice Boltzmann 多物理场模型进行的仿真之间具有良好的一致性。该研究揭示了振荡激光束加工所特有的特征锁孔参数的连续和周期性波动，并导致凝固时 V 形图案的形成。值得注意的是尽管振荡技术具有固有的长距离波动，但振荡技术显示出减少匙孔不稳定性、减少孔隙形成和改变表面拓扑结构的潜力。这些关于振荡锁孔动力学的见解对该技术的未来开发和应用很有用。

图文解析

振荡激光方法是一个动态过程，展示了圆形振荡叠加在线性激光扫描路径上，突出了振荡过程中的关键尺寸和位置，这些位置的不同热条件影响材料熔化响应。如图 1 所示。

图1. 激光振荡示意图。

图2(a)呈现了线性和圆形振荡叠加后的激光扫描路径，振荡单元受线性扫描影响呈椭圆形，扫描速度增加会改变振荡单元的重熔和数量都会减少。图 2b所示，瞬态速度函数的振幅和平均值分别与线性扫描速度和振荡单位直径呈线性相关，图2c为将瞬态速度曲线与相应匙孔深度曲线叠加，显示最深和最浅匙孔出现时刻与最小和最大瞬态速度不同步，说明匙孔深度受多种因素共同控制。

图2. 激光振荡路径和量化。 (a)激光扫描路径。(b) 计算瞬态速度。(c) 计算 3.28 至 3.44 ms 之间振荡周期的瞬态速度和实验锁孔深度剖面，工艺参数为 400 W，线性扫描速度为 400 mm s-1，圆周振荡直径为 0.12 mm。

DXR 视频帧展示了在特定激光功率和扫描速度下，有圆形振荡（直径 0.12mm）时匙孔的几何形状变化，体现了振荡过程中匙孔在不同位置的形态差异，如图3(a)、(b)。图3(c)、(d)展示了无振荡时匙孔的情况，与有振荡情况形成对比，无振荡时匙孔深度波动范围小，易形成孔隙。图3(e)为实验和模拟的匙孔深度曲线显示振荡匙孔深度波动大，模拟与实验数据在无振荡时平均深度吻合较好，有振荡时在特定位置（如 C 点）模拟与实验深度存在差异，推测是薄板边缘效应影响流体流动和热扩散所致。图3(f)展现了振荡和线性情况下激光吸收模式不同，线性吸收较高且波动范围小，振荡时吸收随瞬态速度变化且有相位差，吸收主要由匙孔形态驱动，相位差与工艺参数和材料特性有关。

图3. 振荡匙孔和非振荡匙孔的比较。(a)、(b) 0.12 mm 圆周振荡直径和(c)、(d)无振荡的相应模拟。(e)匙孔深度剖面。(f)模拟振荡和线性情况的相应激光吸收剖面。

模拟振荡熔道中心线横截面视图（如图4a）展示了表面膨胀的形成过程，橙色部分突出显示，图 4(b)自上而下展示了V字形单元的形成，V字形单元数量与振荡周期匹配，由表面膨胀引起，表面膨胀波的形成受激光运动和熔池流体相互作用影响。图4(c)为DXR 熔道光学图像提供了V字形图案示例。图 4(d)为与无振荡情况对比，显示振荡激光可改变熔池形状，降低长宽比。

图4. V 形图案的形成。

图5(a-c)为不同激光功率下，匙孔深度与圆形振荡直径关系曲线显示平均深度与振荡直径和扫描速度相关，随振荡直径增大和扫描速度加快而减小，且在相同功率和振荡直径下，扫描速度增加到一定程度后匙孔深度变化趋缓。标准偏差曲线表明排除线性扫描情况后，振荡直径增加一般会降低匙孔波动，且在一定条件下，振荡可使标准偏差低于线性扫描情况，说明振荡可降低匙孔不稳定性，如图5(d-f)所示。图5(g)为匙孔深度轮廓的频谱图显示振荡情况下在约 5.5kHz 处有特征峰，对应激光振荡引起的周期性匙孔波动，且不同振荡直径下峰强度不同，线性扫描无特征模式但频谱强度分布与振荡情况不同。

图5. 匙孔尺寸和波动总结。

图6(a)为线性扫描的 DXR 图像系列展示了匙孔深度演化，存在严重的匙孔波动和孔隙形成。图6(b)为圆形振荡（直径 0.12mm）的 DXR 图像系列显示在相同激光功率和扫描速度下，振荡减少了匙孔波动和孔隙形成，说明激光振荡可降低匙孔不稳定性，减少孔隙率。

图6. 激光振荡对匙孔孔隙率的影响。

图7为对比实验和模拟的最大匙孔深度及相应图像，数据点接近对角线参考线，表明模拟能捕捉振荡熔池复杂物理现象，验证了模型的有效性。

图7. 模拟与实验的匙孔形态比较。

图8(a)展示了在相同激光功率和速度下，不同振荡设置时凝固熔道的 X 射线图像，线性扫描导致大量匙孔孔隙，随振荡直径增加孔隙逐渐消除，表明激光振荡可降低激光能量密度，减少孔隙形成。图8(b)展现了以线性扫描为基线，对比更高能量密度的振荡情况，进一步说明激光振荡可抑制匙孔孔隙，尽管其完整解释受多种因素影响，但振荡策略在减少孔隙率方面有显著效果。