過程穩(wěn)定性和控制在激光金屬沉積（LMD）中非常重要。理想情況下，必須解決加工過程中的異常和偏差，以防止中斷過程。弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所（Fraunhofer IPT）的研究人員與行業(yè)合作伙伴，將成像檢測方法光學(xué)相干斷層掃描(OCT)集成到用于線基激光金屬沉積 (LMD-w)的同軸工藝中。新的OCT測量方法不僅可以記錄焊接過程，還可以在使用過程中控制質(zhì)量和過程，減少廢品。

LMD-w是一種增材制造工藝，其中金屬絲作為填充材料在激光的幫助下以焊珠的形式焊接到工件上。這些焊珠中的幾個彼此相鄰產(chǎn)生一層，數(shù)層堆疊后產(chǎn)生組件。由于LMD-w僅在需要的地方應(yīng)用材料，因此這是一個資源節(jié)約的生產(chǎn)過程。迄今為止，LMD-w的復(fù)雜工藝開發(fā)和低工藝穩(wěn)定性，阻礙了特殊修復(fù)工藝和耐磨涂層在更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用。

在“TopCladd——基于在線形貌表征的精密金屬涂層的自適應(yīng)激光沉積”研究項目中，研究團隊首次為同軸LMD-w系統(tǒng)配備了OCT系統(tǒng)，以穩(wěn)定和主動控制激光工藝。OCT技術(shù)起源于眼科，是一種基于短相干干涉法的測量過程，用于導(dǎo)出斷層掃描橫截面的非接觸式高分辨率圖像。結(jié)合高測量頻率，OCT可用于在過程中直接檢查和優(yōu)化材料沉積的表面質(zhì)量。

機器集成監(jiān)控系統(tǒng)傳統(tǒng)上用于LMD中，可以立即檢測和解決異常和偏差以防止中斷過程。這些系統(tǒng)可以直接在現(xiàn)場檢查過程并開始糾正。經(jīng)過研究，團隊成員認為，未來這種檢測首發(fā)允許基于線材的材料沉積用作成熟的3D打印工藝。

實現(xiàn)工藝穩(wěn)定性的途徑

激光金屬沉積質(zhì)量主要取決于焊縫表面：表面越是波紋，部件質(zhì)量就越低。為了使沉積過程更穩(wěn)定并產(chǎn)生更高質(zhì)量的焊縫，必須記錄每道工藝步驟。這樣，質(zhì)量差的焊縫才可能被修復(fù)，并使焊接工藝適應(yīng)未來的生產(chǎn)。

研究人員使用普通光學(xué)器件，是因為波長不同彼此不會相互干擾，將OCT系統(tǒng)同軸集成到激光加工頭中。

一種稱為軸錐的錐形透鏡和棱鏡形光學(xué)器件，確保處理和測量光保持同軸。光學(xué)設(shè)計允許測量激光在金屬絲周圍循環(huán)掃描焊縫，從而實現(xiàn)獨立于焊接頭移動方向的多方向測量。通過這種方式，可以測量整個工件。

使用OCT進行主動過程控制

據(jù)該團隊稱，使用OCT系統(tǒng)可以檢查焊縫表面從固體到液體的相變，從而檢查最終焊縫幾何形狀的特征。團隊獲得的數(shù)據(jù)表明，如有必要可以在相鄰或上覆焊道中調(diào)整激光工藝。此外，研究人員使用OCT/LMD-w機制可以精確繪制整個熔體軌跡的表面結(jié)構(gòu)。目前，他們正在開發(fā)基于數(shù)據(jù)的過程適應(yīng)和控制的工藝模型。對激光工藝產(chǎn)生的影響將開啟一系列新的應(yīng)用。

“借助OCT系統(tǒng)，我們將來不僅可以在激光金屬沉積過程中不僅可以疊加一層或兩層，而且可以疊加任意數(shù)量的層。通過這種方式，LMD-w已升級為成熟且可持續(xù)的增材制造工藝。”Fraunhofer IPT 高能束工藝部門負責(zé)人Robin Day表示。來自德國和比利時的其他項目合作伙伴是Deltatec SA、Dinse GmbH、Laserco SA、Precitec GmbH & Co. KG 和 Quada V+F Laserschwei?draht GmbH。