小孔过渡的热离子信号响应
通过使用200 mm s?1激光扫描速度处理条件对氩气环境下收集的数据集进行快速傅里叶变换(FFT)分析 ， 研究了随着激光功率增加热离子信号噪声的增加(图4a b) 。 图4a显示了在50到300 W激光功率下 ， 裸板上5毫米长轨迹的热离子信号随时间的函数 。 使用FFT分析对热离子信号中的噪声进行量化 ， 以计算从每个各自轨道的整个长度收集的傅里叶域中较低频率的均方振幅(MSA)功率(图4b) 。 如图4b所示 ， 当激光功率为150 W时 ， MSA在15 kHz时的功率急剧增加 。 通过横截面和光学成像对各轨道的熔池形貌进行了检测 。 50 W时产生的轨道熔池非常浅 ， 当激光功率为100和150 W时 ， 熔池的宽度和深度都会增加(图4c-e) 。 熔池呈规则的椭圆形状 ， 处于激光熔化的传导模式 。 对于在200、250和300W下产生的轨迹 ， 截面显示焊缝处于钥匙孔模式熔化状态 ， 具有特征的圣杯形状(图4f-h) 。 将熔池深度作为激光功率的函数与FFT分析进行比较 ， 在15kHz的激光功率阈值与MSA观察到的功率增加相同的情况下 ， 熔池深度会突然增加(图4b) 。 因此 ， MSA在15 kHz时功率的增加归因于从传导模式到匙孔模式熔化的转变 。 这一趋势与激光能量吸收的原位测量相似 ， 在向锁孔模式熔化的过渡过程中 ， 吸收率和熔池深度急剧增加 。 表明锁眼模式不稳定性的频率响应也与先前使用原位x射线成像的观测结果相符 。 这些数据揭示了在激光照射过程中向键孔模式熔化的转变与热离子信号噪声的增加之间的直接联系 ， 为实时识别这种转变提供了一种容易的途径 。
图4 使用热离子信号的FFT分析识别向小孔模式熔化的过渡 。
LPBF扫描策略期间的热离子信号响应
使用基板表面上的薄层粉末和阴影扫描图案研究了复制LPBF增材制造过程的条件（图5） 。 在316L不锈钢上生产了一系列双向舱口 ， 具有不同的舱口间距 。 这些舱口模拟商业LPBF系统中的“孤岛”或“象棋”扫描策略单元 。 使用100W激光和1000 mm s?1的扫描速度扫描 ， 观察转折点速度和过热对所测热离子信号的影响(图5a b) 。 图案填充间距为100?μm热电子信号在轨道起点和激光转向点处达到峰值 ， 在稳态扫描期间观察到信号中的多个峰值（图5a） 。 转向点区域的信号强度随图案填充间距的减小而增加 。 这是由于激光扫描镜在激光转向点需要较慢的扫描速度 ， 这取决于扫描轮廓 。
图5 在类似LPBF的舱口扫描策略条件下测量和模拟的热离子信号响应 。
High-fidelity multi-physics模拟用于确定激光转折点期间热离子发射和熔池动力学之间的关键关系（图5d） 。 模拟时间为200?W激光功率 ， 稳态扫描速度1500?mm?s?1 ， 转向点速度为750mms?1 ， 图案填充间距为100?μm 。 由于材料比常数AG和W的值在温度和材料物理状态下的不确定性 ， 仅比较了实验和模拟之间的相对变化 。 当激光到达转折点时 ， 可以观察到热电子发射电流增加 ， 之后达到最大值约75μs ， 然后随着激光加速偏离转折点 ， 在约150μs内减小 。 这种响应和热电子信号的不对称轮廓与实验观察结果非常吻合 。 当将熔池响应与热离子发射信号进行比较时 ， 可以注意到 ， 最大热离子信号先于最大熔池和凹陷深度约150μs 。 这是因为熔体流动对反冲压力局部最大值的响应因液体的惯性而延迟 ， 但电子发射几乎是相对于温度升高的瞬时响应 。
模拟还揭示了与热离子信号变化相关的熔池形态的另一种变化 。 约500μs处热离子信号的局部最大值对应于液滴喷射的形成（图5e） ， 这也是LPBF增材制造过程中的潜在缺陷来源 。 当喷射形成时 ， 熔池在喷射前会伸长成弓形波 ， 增加激光与表面耦合处前壁最高温度区域的表面积 。 复制LPBF增材制造的实验和伴随的多物理模拟结果表明 ， 在激光辐照期间 ， 例如在激光转折点和液滴喷射期间 ， 可以通过检测热离子发射信号轻松识别过热和熔池形态的变化 。 通过使用电子电流测量设备的热离子发射检测等方法观察基板表面的热变化 ， 可以实现缺陷识别的实时方法 ， 并最终提高制造组件的可信度 。
描述激光转向点条件和实验配置 。
讨论
综上所述 ， 本文揭示了LPBF增材制造过程中热离子发射的产生 ， 并利用该信号识别了激光-金属相互作用引起的动力学 。 在不同的激光扫描条件下 ， 通过使用电流前置放大器测量金属表面和局部腔环境之间的电子流 ， 解决了常见LPBF增材制造材料不锈钢316L中的热离子发射问题 。 激光束直径的变化表明 ， 热离子发射信号随局部能量密度呈指数增长 ， 熔池深度在同一范围内呈线性增长 。 这些关系揭示了表面温度对热离子发射信号的临界依赖性 ， 以及将该信号作为LPBF增材制造系统中激光聚焦快速优化的方法的适用性 。
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