基于高时间分辨率光电二极管双波长测温技术在激光粉末床熔融工艺中的熔池温度原位监测与信号分析

《Optics & Laser Technology》：In situ melt pool temperature monitoring and signal analysis in laser powder bed fusion using high-temporal-resolution photodiode-based two-wavelength pyrometry

　　摘要：熔池温度是评估激光粉末床熔融技术中打印部件性能的关键参数。然而，该工艺中快速的热循环以及材料发射率的变化给实时温度测量带来了巨大挑战。本研究开发了一种创新的LPBF熔池温度实时测量与监控系统，通过采用中心波长分别为800纳米和880纳米的光电二极管进行双波长测温，实现了高达100千赫的时间分辨率。通过现场黑体校准进一步提升了测量精度。为验证该系统的监测能力，研究人员在不同工艺参数下对AlMgScZr材料的单道打印过程中的熔池温度进行了测量，并分析了单道打印形态、熔池尺寸与熔池温度之间的关联。结果表明，不连续的单道打印特征为低于熔点的温度点数量占所有测量点的8%以上，而连续的单道打印则低于这一比例。此外，频域分析显示，主导频率可作为判断熔池模式的可靠指标：传导模式对应的频率低于33赫兹，而匙孔模式则出现在44赫兹以上。通过对熔池动态特性的分析，进一步解释了主导频率上升的机制。总体而言，所提出的方法能够在实际打印条件下实现高时间分辨率、高精度且成本较低的温度监测，为确保LPBF工艺的质量控制提供了可能。

引言：激光粉末床熔融技术作为一种主流的金属增材制造技术，因其能够制造出密度高且力学性能优异的零件，而被广泛应用于航空航天、汽车等相关行业[1]、[2]、[3]。然而，LPBF工艺涉及激光束与金属粉末之间的复杂热相互作用，其中熔池的动态热行为对最终零件的质量起着决定性作用。例如，过热可能导致零件出现球化现象[4]，而熔池温度不足则可能引发未熔合缺陷[5]。此外，该工艺中快速的熔化与冷却速率会产生热应力，若不能有效控制，可能会导致零件出现热变形[6]。因此，需要对熔池温度进行实时测量，以了解影响温度相关工艺现象的物理机制以及由此导致的部件性能变化。

目前，已有商业化的温度检测设备，如热电偶、红外相机和测温仪等被用于测量熔池温度[7]、[8]，但实现高时间分辨率和高精度温度测量仍面临挑战。作为一种成本较低的接触式温度测量方法，热电偶受到了大量研究关注。例如，Dunbar等人[9]使用K型热电偶测量基材温度，研究了不同扫描策略对多层LPBF打印过程中变形积累的影响。Schnell等人[10]则利用嵌入基材中的点焊式热电偶装置，研究核心工艺参数与零件底部温度变化之间的关联。不过，热电偶的测量速度相对较慢，且由于需要直接接触，精度也有限。非接触式的红外热成像技术也被用于LPBF工艺的监测[11]、[12]、[13]、[14]，但由于其精度取决于材料形状和温度变化的发射率值，因此存在一定局限性。Pavlov等人[15]使用同轴安装的测温仪测量LPBF激光冲击区的温度，但由于测温仪的视场范围和校准限制，所测得的数值仅能反映熔池表面的辐射强度。Furumoto等人[16]虽然改进了温度测量系统并对手持测温设备进行了校准，以测量熔池及热影响区的温度，但进口CCD相机的单色特性以及材料发射率的动态变化仍然限制了温度测量的精度。

为解决上述问题，本研究提出了一种基于普朗克黑体辐射定律的LPBF熔池温度双波长测量方法。该方法无需知道目标材料的发射率，即可实现高时间和空间分辨率的温度测量[17]。Hooper等人[18]利用带通滤波器将熔池的辐射信号分离到两个不同的光学通道中，结合两台高速相机构建了双波长温度测量系统，用于分析LPBF工艺过程中的温度分布。不过，该系统的测试时间仅约为3秒，且使用两台高速相机增加了监测系统的成本。为降低成本，一些研究人员[19]、[20]、[21]、[22]对光学路径进行了优化，试图用单台单色相机实现双波长温度测量。尽管如此，激光光路中不同波段仍存在光学成像畸变问题。此外，单台相机同时接收两个光学信号还会使热成像的有效视场范围减半。Alexander等人[6]则使用彩色相机进行熔池温度测量，从而避免了双波长图像配准带来的测量误差，但这种方法仍假设图像中相邻像素代表同一个物体点。Li等人[23]率先采用了基于光场相机的多目实时监测技术来测量熔池温度，通过整合来自不同视角的R、G、B通道图像，实现了对LPBF熔池温度的高精度监测。此外，Guo等人[24]还研究了一种棱镜滤波双波长测温系统，该系统提高了现场熔池温度测量的均匀性。

所有这些方法都为LPBF工艺机制分析及熔池温度测量提供了有益的见解。但目前大多数双波长温度测量系统都采用离线校准方式，这会导致光学组件引入误差，以及校准距离与实际测量距离之间存在偏差，进而降低温度测量的精度。此外，基于相机的温度测量系统虽具有较高的时间和空间分辨率，但在长时间监测、实时数据处理和存储方面存在较大困难，这限制了其在LPBF工艺监测和控制中的大规模工业应用。

光电二极管在LPBF工艺监测方面具有诸多优势，如成本低、时间分辨率高，以及所需的一维数据存储量少，因此非常适合用于跟踪表面形态[25]、[26]以及孔隙缺陷[27]、[28]、[29]。尽管以往的研究已经建立了光电二极管信号与熔池温度之间的关联——例如，Mao等人[30]就利用深度学习技术，将光电二极管信号与通过双色测温得到的平均熔池温度相互关联——但这种方法的准确性仍然有限，且依赖于大量的数据采集和拟合工作。如果能够依据双色测温原理直接将光电二极管信号转换为温度读数，不仅能够显著提升测量精度，还能大幅减少计算量和硬件成本，从而便于实现实时反馈控制，推动该技术在工业领域的应用。为此，本研究提出了一种基于光电二极管的高时间分辨率、高精度且成本较低的双波长温度测量系统。该系统采用中心波长分别为800纳米和880纳米的两颗光电二极管进行双波长测温，同时减少了长时间打印监测过程中的数据存储需求和设备成本。此外，研究团队还首次开发出了用于校准的现场可追溯黑体，充分考虑了可能存在的光学路径误差，以确保温度测量的最佳精度。通过在不同工艺参数下进行的单道打印实验，对该系统进行了验证，从而确立了熔池温度与打印质量之间的关联。实验结果证明了该系统在实现可靠温度监测方面的巨大潜力，以及其在实时质量评估中的应用价值。

章节摘录：

双波长测温：所有温度高于绝对零度的物体都会发出热辐射。根据普朗克黑体辐射定律，温度为T、波长为λ的物体的光谱辐射出射度I(λ,T)可表示为公式(1)：I(λ,T)=8πhc/λ5ε(λ,T)ehc/(λKT)-1，其中h为普朗克常数，c为光速，k为玻尔兹曼常数。在实际温度测量中，通常采用维恩近似公式进行近似计算。

光电二极管响应与熔池温度的时序信号：图3展示了在不同激光功率和扫描速度下，光电二极管响应信号与熔池温度的时序信号。如图3(a)所示，激光功率的增加会导致信号幅值的上升；如图3(b)所示，扫描速度的降低也会使信号幅值略有上升，同时信号持续时间也会随之延长。激光的启动与停止则对应着信号幅值的上升与下降。

熔池温度的测量精度与局限性：本研究结果表明，将双波长测温系统集成到LPBF工艺装置中进行现场校准后，可实现高达100千赫的采集速率，且测量误差低于1.5%。表3汇总了目前常用的LPBF熔池温度测量系统、相应的校准方法以及测量误差情况。虽然双波长测温方法[18]、[19]、[20]、[23]已展现出一定优势……

结论：本研究开发了一种基于800纳米和880纳米光电二极管的双波长测温仪，用于LPBF工艺过程中的熔池温度实时监测。该系统能够在熔融区域较小、温度较高且热波动剧烈的恶劣工况下实现高时间分辨率的测量。研究还明确了熔池温度与打印质量之间的明确关联。本研究得出的主要结论如下：1）所开发的现场实时监测系统……

致谢：本研究得到了中国国家重点研发计划[2022YFF0606000]、广东省科技计划[2024A0505040002]、广东省基础与应用基础研究基金[2024A1515011024]以及中国博士后科学基金[2026M791428, GZB20260337]的支持。

作者名单：任武江|杨永强|唐涛|韩长军|张英杰|凌晨荣|张贝贝|叶志鹏|刘琳青|郑晓强|李阳|王攀|王迪