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Nov 24, 2023

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Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 9865 (2022) この記事を引用

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レーザー粉末床融着などの高度な製造技術で製造されたコンポーネントの層内および層間の完全性は、急速な加熱、溶融、凝固プロセスに依存します。 これらのプロセスの現場フィードバックを提供するための新しい技術が必要です。 ここでは、高出力連続波レーザーによってチタンサンプルに誘発される熱効果を調査するためのレーザーベースの超音波技術について説明します。 数値シミュレーションを実行して、空間的に均一な加熱ビームの場合、レーザー誘起表面弾性波は表面加熱条件に強く影響され、急速加熱の場合には分散し、表面の開始時に急激な速度低下が起こることを示しました。溶融。 さらに、高出力レーザー表面加熱に関連する表面波伝播時間の過渡変化を監視するレーザーベースの超音波実験結果が提供されます。 パルスレーザーを使用して高周波弾性表面波が生成され、この弾性表面波がレーザー加熱領域を伝播し、フォトリフラクティブ結晶ベースの干渉計を使用して検出されます。 理論と実験の間には定性的な一致が観察され、どちらも照射開始時の表面波速度の急速な減少と、溶融に伴う表面波速度のさらなる減少を示しています。 表面波速度の変化を使用して、局所的な加熱を追跡し、表面の融解の開始をリアルタイムで検出できることが実証されています。

レーザーは、レーザー切断、溶接、アブレーション、穴あけ、表面テクスチャリング、高度な製造などの材料加工および製造用途で広く使用されています1。 これらの用途では、レーザーエネルギーが材料に吸収され、局所的な加熱、溶融、蒸発が引き起こされるため、最終製品の完全性を確保するには、これらのレーザー誘起プロセスをその場で制御することが重要です2。 たとえば、レーザー粉末床溶融では、造形表面上に機械的に分散された粉末をレーザー溶解することにより、物体が連続した層で造形されます3、4。 層内および層間の完全性は、急速な加熱、溶融、凝固のプロセスに依存しており、その間に欠陥や材料の不連続性が形成される可能性が高くなります3、4、5、6。 所定のスキャン速度に対して加熱レーザーの出力が高すぎる場合、溶融池からの材料の蒸発、その後の反動、および溶融池の崩壊を引き起こし、その結果部品に多孔性が生じる可能性があります。 あるいは、レーザー加熱出力が低いと、溶融および固化プロセスが不完全になり、溶融欠陥がなくなる可能性があります7、8。 最適なレーザーパラメータは、加工欠陥の数が最も少ない部品を製造するために必要なパラメータとして定義されますが、プロセスの複雑さと、粉末の品質やマシンごとのレーザー特性のばらつきなどの追加の変数により、事前に決定することが困難です9。

粉末床溶融などのレーザーベースの製造技術の成功は、オペレーターがレーザー出力や速度などのプロセス変数を設定および制御できるかどうかにかかっています10、11。 非破壊評価はこのプロセスを支援し、プロセス変数をリアルタイムで調整できるように、ビルド品質に関するその場でのフィードバックを提供します12。 熱画像、光学画像、従来の超音波などのいくつかの非破壊評価方法が、レーザー粉末床融合ビルドの監視に使用されてきました9,12。 これらの技術は、高温レーザーと材料の相互作用部位へのリモート アクセスを提供します。 熱画像は表面温度分布に関する情報を提供でき、光学画像は表面形態の変化を確認するために使用できます9。 従来の音響放射と超音波は、構築プロセスに関する追加データを提供する可能性があります13。 音響放射の場合、レーザー加熱プロセス中に発生する音は、マイクロホンまたはトランスデューサーを使用して検出され、プロセスに関する情報を推測するために分析されます14。 機械学習を使用するものなどの信号処理技術を使用すると、レーザーと材料の相互作用をさまざまな領域に分類することができます15。

さらに、材料の物理的、機械的、光学的、熱的特性は温度の関数です。 したがって、超音波の速度も温度に依存し、温度が上昇すると一般に材料が軟化し、縦波、せん断波、表面音波の速度が遅くなります。 超音波サーモグラフィーは、均一に加熱されたサンプルの温度を測定したり、表面下の温度分布をマッピングしたりするために使用されるよく知られた技術です16。 超音波サーモグラフィーは、高密度焦点式超音波療法などの生体組織の温熱治療プロセスを継続的に監視し、フィードバックを提供するために、医療超音波コミュニティで多くの注目を集めています16、17。 プロセス監視のための従来の超音波技術の利点のいくつかは、表面温度の測定に限定されないこと、およびトランスデューサをプロセスゾーンから離れた場所に配置できることです。 積層造形の場合、造形表面に物理的にアクセスする必要がありますが、接触場所は高温環境からある程度離れた場所に置くことができます。 バルク波の伝播の温度、機械的特性、および材料の相状態への依存性は、たとえば、加工ゾーンの温度を推測したり、加工ゾーンから反射および散乱されたバルク波の監視に基づいて溶融プールのサイズを予測したりするために使用されています。メルトプール18、19。

レーザーベースの超音波技術は、レーザー誘起熱プロセスのリアルタイム監視および非破壊評価に適しています。 レーザー検出プローブビームと超音波を励起するレーザー源は、光学的に透明な窓またはその他の手段を使用して、高温の製造プロセス環境から分離できます。 レーザー超音波技術は、表面弾性波とバルク波を使用して表面および表面下の欠陥を現場外で検出することにより、高度な製造ビルドを評価するために使用されてきました20、21、22、23。 表面弾性波とバルク波は、材料の微細構造と粒子サイズの評価 24、レーザー誘起熱プロセスの表面温度の推定 22、25、複数の経路を伝播する波に基づいて内部温度分布の予測 26、溶融および溶融の観察にも使用されています。結晶成長中の凝固２７． 最後に、レーザー超音波法は、材料特性の高温測定 28 や金属の相変態研究 29、30、31 に使用されています。

この研究では、レーザーベースの超音波を使用して、レーザーによる加熱および溶融プロセスを監視します。 空間的に均一な加熱ビームの数値シミュレーションは、レーザー誘起表面弾性波が表面加熱条件によって強く影響されることを示しています。 熱によって引き起こされる機械的特性の変化が表面弾性波の波長と同じ空間スケールである急速加熱の場合、それらは分散性であり、表面融解が始まると急激な速度低下を示します。 さらに、弾性表面波励起にレーザー線源と点干渉検出器を使用した実験結果は、弾性表面波励起と点干渉検出器の位置の間に配置されたガウスビームによる高出力レーザー表面加熱に伴う表面波伝播時間の過渡変化を実証しています。 数値シミュレーションと一致して、加熱レーザーの出力が局所的な表面の溶融を引き起こすのに十分な場合、応答の偏差が観察されます。 提案された技術は、一時的なレーザー誘起熱場と溶融ゾーンのマッピングに効果的に応用でき、リアルタイムのプロセス制御に重要な情報を提供する可能性があります。

材料の熱特性と弾性特性は温度に依存し、一般に温度が上昇すると材料の密度と剛性の両方が低下します。 まず、均質かつ等方性であると想定される、均一に加熱されたチタン合金 (Ti-6Al-4V) のサンプルを検討します。 温度依存の密度、弾性率、ポアソン比はソフトウェア JMatPro32 から取得され、縦方向 \({c}_{L}\) とせん断方向 \({c}_{T} を決定するために使用されます。 \)、温度の関数としての波の速度。 これらの値は、特性方程式 33 を使用してレイリー波の速度を計算するために使用されます。 結果は図 1 に示されており、レイリー波の速度が室温 (293 K) での 3000 m/s から 1943 K の融点での 1880 m/s まで減少することがわかります。減少は、温度範囲外では比較的単調です。 Ti-6Al-4V が hcp (α) → bcc (β) 相変態を起こす温度範囲である 1100 ～ 1275 K の小さな領域34。 均一加熱の場合、熱場と弾性特性は深さに依存せず、レイリー波は分散せずに伝播します。

室温から融解温度 1943 K までの温度の関数としての Ti-6Al-4V のレイリー波速度。

熱場と温度依存の弾性特性は時間と空間の両方の関数であるため、高出力レーザー源によって生成されるような過渡加熱の場合、レイリー波の伝播はより複雑になります。 さらに、熱的特性も温度に依存し、十分に高い加熱力では、材料は相変態を起こし、その結果表面が溶融します。 ここでは、階段関数の時間依存性を持つ空間的に均一な連続波 (CW) レーザーによって加熱されている表面に入射するナノ秒パルス レーザー光源によって生成される弾性変位応答が計算されます。 まず、CW レーザーによって生成される 1 次元の温度場は、Singh と Narayan35 によって提示された陰的有限差分法を使用して計算されます。 温度依存の熱特性と密度は、固体および液体の Ti-6Al-4V 相の両方に含まれています 36、37、38、39。 これらのプロパティは付録にまとめられています。 このモデルは、表面下の各深さ (d) における温度を時間 (t) の関数として決定するために使用されます。 図 2a は、加熱レーザーが t = 0 でオンになり、加熱レーザーの出力密度が 6 kW/cm2 である場合の表面温度 (d = 0) を時間の関数として示しています。 表面温度は、465 ミリ秒で 1943 K の融解温度に達するまで上昇し、吸収された正味の熱が相変化の潜熱を超えるまで、表面温度は短時間維持されます 35,40。 その後、メルト フロントは材料内に伝播し始め、図 2a の右軸に示すように、35 μm を超える深さまで急速に進みます。 図 2b は、計算された熱データの全範囲を示しており、カラーバーは各深さでの温度上昇と加熱時間を示しています。

(a) Ti-6Al-4V に入射した 6 kW/cm2 レーザー出力密度の加熱時間の関数としての表面温度 (実線) と溶融サイズ (点線)。 (b) 6 kW/cm2 の電力密度での加熱時間と深さの関数として計算された温度場。 (c、d) 250 kW/cm2 というより高いレーザー出力密度の結果。

表面弾性波は、波長程度の侵入深さで表面近くの領域を伝播するように閉じ込められます。 たとえば、周波数が 30 MHz の場合、Ti-6Al-4V の表面波は、約 100 μm の深さで発生する機械的特性の変化に敏感になります。 図2bでは、温度上昇は表面近くの領域である程度均一であるため、機械的特性の変化も浸透深さ全体にわたって比較的一定であり、その結果、周波数に依存しない表面弾性波遅延が生じることが予想されます。 250 kW/cm2 という大幅に高い加熱出力密度の場合の表面温度を図 2c に示します。 ここで、表面の融解は約300μsで起こり、図2dに示すように、500μsの時間窓内の表面近くの領域に顕著な熱勾配が存在します。 これらの温度勾配は表面波の分散を引き起こす可能性があります。これは、波長が短く、高い周波数の波は表面近くの領域の影響をより大きく受ける一方、低い周波数の波はより低温の基板に浸透するためです。

この 1 次元熱モデルにより、加熱レーザーがオンになった後はいつでも、深さとメルト フロント位置の関数として温度を計算できます。 次に、所定の時間におけるパルス レーザー励起と CW レーザー加熱表面の干渉検出がモデル化されます。 表面近くの材料は 400 層に離散化され、層の厚さは 0.6 μm です。 各層の弾性特性は層の平均温度から計算され、弾性波伝播の問題は、均質で等方性の層状媒体における波伝播の類似の問題に還元されます41。 表面溶融が発生する場合、表層の厚さを溶融池の厚さとし、液体 Ti-6Al-4V の密度 38 (3920 kg/m3) と縦波速度 39 (4407 m/s) を使用します。 プレート 42、43、44 および半無限基板上の多層プレート 45 での超音波のレーザー発生は、他の人によって以前に取り上げられています。 Chengらによって提示されたアプローチ。 続いて、励起レーザー源が等価な弾性境界源 (パルス幅 10 ns の空間内のガウス分布) として表され、伝達マトリックス技術を使用して、すべての均質かつ等方性の層境界にわたって応力と変位の連続性が強化されます 41 。 この問題は、弾性波方程式のハンケル変換が動径座標 (r) に関して行われ、ラプラス変換が時間に関して行われる積分変換手法を使用して、円筒座標で解決されます。 所定の r における時間の関数としての法線表面変位は、ハンケル-ラプラス変換の数値逆変換によって求められます。

励起レーザーのスポット サイズは、r = 1.0 mm の検出位置で半値全幅 (FWHM) 100 μm に設定されました。 時間の関数としての法線表面変位は、加熱出力が 6 kW/cm2 の場合に図 3a に示されています。 上の曲線は、CW レーザー表面加熱がない場合の室温応答を示しています。 表面スキミング縦波に対応する小さな振幅の波の到着が 0.16 μs で見られ、その後、より大きな振幅の表面弾性波 (SAW) が約 0.30 μs で到着します。 他の曲線は、CW 加熱レーザーがオンになった後のさまざまな時点での変位応答を示しています。 t = 0 から t = 450 ms までの信号では、表面弾性波の形状は比較的均一のままですが、加熱が進むにつれて到着が遅れます。 最後の 3 つの時間ステップ (t = 508.5、517.0、および 525.6 ミリ秒) では、それぞれ 6.0、16.8、および 27.0 μm の溶融深さで溶融が発生しました。 表面波が溶融層を横切るとき、より顕著な分散が見られます。 高周波、短波長の成分は、溶融層との強い相互作用により遅延します。 この場合、溶融液体内の縦波速度は基板内の横波速度よりも高いため、表面波は漏れないことに注意してください46。 一般に、液体で覆われた半空間上を伝播する波の速度は、液体の厚さが波長に対して大きい場合、厚さゼロのレイリー波速度からショルテ波速度に遷移します47,48。

(a) 室温での光源から検出器までの距離 1.0 mm、加熱レーザー出力密度 6 kW/cm2 の加熱時間 150.0、300.0、450.0、508.5、517.0、および 525.5 ms で計算されたレーザー超音波信号。 (b) 6 kW/cm2 の出力密度における変位場の時間的変化。 (c) 室温での 250 kW/cm2 加熱レーザー出力密度と 100、200、300、330、410、および 490 μs の加熱時間から計算されたレーザー超音波信号。 (d) 250 kW/cm2 の出力密度における変位場の時間的変化。

図 3b は、加熱時間全体にわたって計算された変位場の変化を示しています。 ここで、横軸は加熱レーザーがオンになった後の時間を示し、縦軸は励起レーザーパルス後の時間を示します。 カラーバーはサーフェスの法線変位を表します。 この画像では、SAW 到着が最大の負の振幅を持ち、赤色で示されています。 図2a、bに見られるように、SAW到着時間の最初の顕著な変化は、表面近くの温度の急速な上昇に関連しています。 SAW 到達時間は 75 ～ 100 ms の間で比較的一定であり、その間に Ti-6Al-4V の α → β 相変態が起こります。 この遷移領域の後、SAW の到着は、表面融解に関連する曲線の急激な中断が観察される約 508 ms まで、加熱時間とともに単調に遅延し続けます。 溶融物の存在に対する SAW 信号の感度は、溶融物の深さを感知するための魅力的なオプションになります。

図 3c は、より高い加熱出力密度、250 kW/cm2 の場合の表面の法線変位を示しています。 励起源の特性は上記と同じです。 ただし、この場合、加熱ははるかに急速に起こり、表面の融解は約 305 μs で始まります。 このような急速な加熱により、表面付近に強い熱勾配が生じ（図2c、dを参照）、その結果、広帯域表面弾性波の波長範囲内で機械的特性が急激に変化します。 t = 0 と t = 300 μs の間の加熱時間では、かなりの程度の表面弾性波分散が明らかであり、表面付近の温度を調べる高周波成分が、冷却されたバルク内にさらに浸透する低周波成分に対して遅れています。素材の。 この効果は、より高い周波数の SAW 成分も表面溶融物の存在によって遅延される、後の時間 (t > 300 μs) でより顕著になります。 図 3d は、表面加熱による変位場の時間的変化を示しています。 分散は確かに図 3b よりも顕著ですが、表面の融解の始まりはそれほど明白ではありません。 多層システムにおける SAW の分散は、モデルベースの反転アプローチを使用して、深さに依存する機械的特性を取り消すために使用できることに注意してください49。 加熱の場合、深さに依存する機械的特性は、最終的には地下温度プロファイルに関連する可能性があります。

レーザー超音波システムを使用して、Ti-6Al-4V サンプルのレーザー加熱領域を通る表面弾性波の伝播を研究しました。 この実験構成の概略図を図 4 に示します。基本周波数 (λ = 1064 nm) および繰り返し周波数 15 Hz で動作するパルス Nd:YAG レーザーを使用して、広帯域表面弾性波を生成します。 生成レーザーは、シリンドリカル レンズを使用してコリメートされ、サンプル表面上の線に集束されます。 サンプル表面では、線源の長さは約 15 mm、ガウス FWHM は 60 μm でした。 サンプルでのレーザーエネルギーは 1.6 mJ で、発生が熱弾性領域に留まるのに十分な低さでした。

サンプル表面上の 3 つのレーザー ビームを示す実験セットアップの概略図。 次の略語が使用されます: PBS、偏光ビームスプリッター。 λ/2、半波長板。 λ/4、1/4 波長板。 L1、L2、L3、集束レンズ。

レーザーで生成された音響波に関連する表面に垂直な変位は、酸化ビスマスシリコン (BSO) PRC50、51、52 ​​を使用したフォトリフラクティブ結晶 (PRC) ベースの干渉計を使用して検出されました。 検出レーザーは、532 nm で動作する 300 mW 周波数 2 倍 Nd:YAG レーザーでした。 レーザー出力はビームスプリッターに送られ、そこで参照ビームと信号ビームに分割されました。 参照ビームは PRC に直接送信され、信号ビームは研磨された試料表面に焦点を合わせ、反射時に PRC に送信され、そこで 5 度の角度で参照ビームと干渉し、正弦波の屈折率を作成します。結晶内部の格子。 参照ビームの一部は、二光波混合プロセスで回折格子から回折し、光検出器で信号ビームと干渉します。 さらに、二波混合利得を高めるために、PRC 全体に AC 電場が適用されました。 PRC 後の偏光光学系を使用して、回折参照ビームと送信信号ビームが直角位相になるようにし、検出感度を最適化しました。 光検出器の出力は、200 MHz の帯域幅制限を持つデジタル オシロスコープに送信され、その後コンピュータに転送され、40 MHz の 2 次ローパス バターワース フィルターを使用してフィルター処理されました。 SAW励振線と検出点との距離は4.0mmとした。

波長 1064 nm で動作するファイバー結合 60 W 連続波 Nd:YAG レーザーを使用してサンプル表面を加熱しました。 レーザー出力はコリメートされ、球面レンズを通して表面に送られました。 表面のガウススポットサイズは644μmで、加熱レーザーは並進ステージを使用してSAW励起レーザーラインと検出点の間に直接配置されました。 サンプルは、直径 25 mm、高さ 13 mm の研磨された Ti-6Al-4V ディスクでした。 LabVIEW コードを使用して、加熱レーザーの出力を制御し、加熱プロセス中に 15 Hz (励起レーザーの繰り返し速度に相当) のデータ取得速度でレーザー超音波信号を取得しました。 所定の加熱レーザー出力で、データ収集は加熱時間 th = − 3 秒で開始され、シングルショットレーザー超音波信号が実験全体を通じて継続的に収集されました。 th = 0 秒で加熱レーザーのスイッチをオンにし、サンプルを一定の出力で 10 秒間照射し、その後加熱レーザーをオフにしました。 サンプルの冷却を監視するために、加熱レーザーがオフになった後もデータ取得を 5 秒間続けました。 次に、サンプルを室温まで冷却し、新しい位置に移動させました。 実験手順は各加熱パワーで合計 10 回繰り返され、th = 0 でオンになった加熱レーザーに関して各回で収集されたレーザー超音波信号が平均化されて、信号対雑音比が向上しました。 各実験の後、光学顕微鏡を使用してサンプル表面を検査し、表面の溶融や変色の兆候がないか調べました。

図 5a は、いくつかの加熱時間で検出された超音波信号を示しており、表面弾性波の到達に対応する顕著な特徴 (負のディップ) が示されています。 上の波形は、表面加熱がない場合 (th < 0) の応答を示しており、表面波到達の負のピークが約 1.33 μs に見られます。 次の 4 つの曲線は、加熱レーザーがオンになった後のさまざまな時点での変位応答を示し、最後の 2 つの曲線は、加熱レーザーがオフになった後の 1 秒および 3 秒の応答を示しています。 弾性表面波の形状は比較的一定のままですが、加熱が進むにつれて到達が遅れます。 この分散の欠如は、加熱時間が長く、表面波の浸透深さ全体にわたって熱場が比較的一定であるため、予想されます。 図 5b は、46 W の CW レーザー加熱パワーの同様の結果を示しています。30 W と 46 W での波形の基本的な特徴は似ていますが、SAW の遅延は、温度の上昇により加熱パワーが大きくなるとより顕著になります。レーザーで加熱された領域。

室温でのソースから検出器までの距離 4.0 mm、加熱時間 1、3、5、および 10 秒、および CW レーザー加熱出力の冷却時間 1 および 3 秒による Ti-6Al-4V サンプルのレーザー超音波信号(a) 30 W および (b) 46 W。変位場の時間的変化。実験時間 0 秒は、(c) 30 W および ( d) 46W。

図5c、dは、それぞれ30 Wと46 WのCWレーザー加熱出力に対するこれらの実験全体にわたる変位場の変化を示しています。 横軸は実験時間を示し、th = 0 は加熱レーザーがオンになり、th = 10 秒で加熱レーザーがオフになる時間を表します。一方、縦軸は励起レーザーパルス後の時間を示します。 カラーバーは、表面の面外変位を表します。 これらの画像では、SAW 到達の最大振幅が赤で示されています。 どちらの画像でも、表面波の到達は、表面加熱の開始に関連する顕著な遅れを示しています。 これに続いて、熱がサンプル内に拡散し、サンプル温度が定常状態に近づき始めるため、th = 2 s から th = 10 s の間でより緩やかな変化が続きます。 最後に、加熱レーザーをオフにすると、到着時間の急激な減少が観察されます。 興味深いことに、46 W の加熱出力では表面波遅延が大きくなるだけでなく、加熱時間にわたる到達の形状が 30 W 加熱レーザーの場合とは大きく異なり、両者の間には単純な線形スケーリングが存在しません。 さらに、光学顕微鏡検査では、30 Wの加熱出力実験では表面に目に見える痕跡は残っていませんでしたが、46 Wの加熱出力実験では、表面の溶融を示す明らかな変色と表面組織の変化が見られました。

これらの実験で生成された表面弾性波の周波数成分は 32 MHz にまで及びました。 この周波数と 10 秒の遅い加熱時間では、図 5 に見られるように、SAW は温度の上昇に伴う分散が最小限になりますが、SAW の遅延は加熱電力または表面状態に敏感です。 表面波の負のピークの到達時間は、さまざまなレーザー出力の加熱時間の関数として決定されました。 次に、表面波遅延は、室温到達時間を差し引くことによって決定されました。 図 6a は、加熱出力 30、34、および 40 W におけるリアルタイムの過渡表面波遅延を示しています。これらのより低い加熱出力では、すべての曲線が同様の​​形状を示していることに注意してください。 これらの曲線を加熱レーザー出力で割って正規化表面波遅延（ns/W単位）を決定すると、図6bに示すように、すべての曲線が単一の曲線に崩壊します。 これは、この領域では、表面波遅延が加熱出力の単純な線形関数であることを示しています。 光学顕微鏡により、この出力範囲での加熱後に表面に目に見える変化がないことが確認されました。 ただし、より高い加熱出力では、応答はまったく異なります。46、48、および 56 W で実行された実験では、目に見えるマーキングと表面テクスチャの変化が発生しました。 これらの加熱出力の遅延曲線は、表面変化が観察されなかった 30 W 実験の結果とともに図 6c にプロットされています。 SAW 遅延は大幅に顕著であり、図 6d の正規化された表面波遅延プロットは形状の明らかな変化を示しています。 初期の加熱時間ではすべての曲線が 30 W の加熱曲線に従いますが、偏差は遅い時間で始まり、より高い電力では偏差はより早く発生します。 曲線の非線形性は、相変化と表面溶融の存在に関連していると仮説が立てられています。

(a) リアルタイムの過渡表面波遅延、および (b) 加熱電力 30、34、および 40 W の場合の、ns/W 単位での正規化された表面波遅延。(c) リアルタイムの過渡表面波遅延および ( d) 30、46、48、および 56 W の加熱レーザー出力に対する正規化された表面波遅延。

レーザー出力を 48 W に固定し、照射時間を 0.5 秒から 10.0 秒の間で 0.5 秒間隔で変化させる増分加熱実験を実行しました。 各間隔の後にサンプル表面を光学的に観察し、新しい領域が照明されるようにサンプルを測定間で移動させました。 図 7a は表面波遅延データのサブセットを示しており、ここでも表面波が過渡熱場の特性評価に非常に効果的であることを示しています。 図 7b は、30 W と 48 W の加熱レーザー出力の正規化表面波遅延の最初の 5.0 秒の拡大図を示しています。曲線は、照射の約 2.0 秒まではほぼ同一ですが、その後、48 W の曲線は大幅な変化を示しています。遅延が大きくなります。 表面の光学顕微鏡写真を図７ｃに示す。 2.0 秒の加熱前には検出可能な表面の変色はありません。 ただし、2.0 秒から溶融領域が始まるという明確な兆候があり、この領域は加熱時間が長くなると成長し続けます。

(a) 48 W の固定レーザー パワーでの増分加熱実験からの表面波遅延データのサブセット。(b) 30 W および 48 W のレーザー パワーを加熱する場合の正規化された表面波遅延の拡大図。(c) 光学指定時間加熱後のサンプル表面の顕微鏡写真。

モデリング結果では、表面波の伝播に対する表面の加熱と融解の影響を解明するために 1 次元の照明モデルが使用されたことに注意してください。 したがって、ガウスレーザー源で加熱された領域を波が伝播する実験結果との定量的な比較は不可能です。 それにもかかわらず、照射開始時の表面波速度の急速な遅れと、溶融に伴う表面波速度のさらなる減少という点で、両者の間には定性的な一致が存在する。 図３、図４に示すような弾性表面波遅延曲線は、次のように表される。 図６および図７に示される方法は、特に相変態を伴うより複雑な場合において、レーザー誘起熱プロセスを監視するのに有用であることが判明する可能性がある。 これらの曲線の変化は、加熱レーザー パラメーターまたはレーザーと材料の相互作用の変化を示します。 これらの実験結果は、温度が表面波の侵入深さ全体にわたって均一である、比較的ゆっくりとした加熱に限定されています。 より高い繰り返し率のパルスレーザーを使用すると、より急速な熱プロセスを調査でき、温度分布や溶融プールの深さなど、加熱ゾーンに関する定量的な情報を取得できる可能性があります。 レーザー積層造形技術は層ごとに行われ、トラックの形成とオーバーラップによって加熱と溶融のプロセスが複雑になることを指摘することも重要です。

レーザーベースの超音波は、レーザーによる一時的な加熱および溶融プロセスの監視に使用できる非接触技術です。 数値シミュレーションを実行して、空間的に均一な加熱ビームの場合、レーザー誘起表面弾性波は表面加熱条件に強く影響され、急速加熱の場合には分散し、表面の開始時に急激な速度低下が起こることを示しました。溶融。 補足的な実験結果は、高出力レーザー表面加熱に伴う表面波伝播時間の過渡変化を監視します。 理論と実験の間に定性的な一致が観察され、どちらも照射開始時の表面波速度の急速な減少と、溶融に伴う表面波速度のさらなる減少を示しています。 この技術は、最終的には、過渡的なレーザー誘起熱場と溶融ゾーンのマッピングに応用できる可能性があり、レーザー粉末床融合に依存するものを含む高度な製造システムにおけるリアルタイムのプロセス制御に重要な情報を提供します。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、米国エネルギー省の後援の下、契約 DE-AC52-07NA27344 に基づいてローレンス リバモア国立研究所によって実施され、プロジェクト番号 19-ERD-008 に基づく LLNL-LDRD プログラムによって支援されました。 ドキュメントのリリース番号は LLNL-JRNL-831155 です。 REM は、この原稿の準備を支援してくれた National GEM Consortium に感謝します。 著者らは、図4の作成に協力してくれたローレンス・リバモア国立研究所の主任テクニカル・イラストレーターであるマーク・マクダニエルに感謝している。

コロラド大学機械工学部、1111 Engineering Drive、Boulder、CO、80309、米国

ローザ・E・モラレス & トッド・W・マレー

ローレンス・リバモア国立研究所、リバモア、カリフォルニア州、94550、米国

キャスリン・J・ハーク、ジョセフ・W・トリンジ、デヴィッド・M・ストッブ

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TWM、DMS、および R.EM。 実験を提案した。 R.EM. 解析モデルを構築し、実験を実行し、データを分析し、図を作成しました。 JWT、DMS、TWM はこの作業のために資金を獲得しました。 JWT と KJH は関連作業のためのリソースを提供しました。 REMとTWMが原稿を書きました。 著者全員が原稿をレビューしました。

トッド・W・マレーへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

表 1 を参照してください。

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転載と許可

モラレス、RE、ハーケ、KJ、トリンジ、JW 他レーザー誘発熱プロセスのリアルタイムレーザー超音波モニタリング。 Sci Rep 12、9865 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-13940-5

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受信日: 2022 年 2 月 10 日

受理日: 2022 年 5 月 30 日

公開日: 2022 年 6 月 14 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13940-5

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