WO2022117767A2 - Verfahren und vorrichtung zur doppler-charakterisierung eines schmelzbads - Google Patents

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WO2022117767A2
WO2022117767A2 PCT/EP2021/084059 EP2021084059W WO2022117767A2 WO 2022117767 A2 WO2022117767 A2 WO 2022117767A2 EP 2021084059 W EP2021084059 W EP 2021084059W WO 2022117767 A2 WO2022117767 A2 WO 2022117767A2
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measuring laser
melt pool
scattered
measuring
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Valentin BLICKLE
Frederik SCHAAL
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Publication date
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Publication of WO2022117767A3 publication Critical patent/WO2022117767A3/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/2441—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using interferometry

Definitions

  • the invention relates to a method for characterizing a melt pool.
  • the invention also relates to a device for carrying out such a method.
  • Molten pools are formed in various processes, especially in welding processes.
  • the melt pool can be formed by a working laser beam. Melt pools that are difficult to control are created when they are used to apply additive material.
  • Flows that are complex in terms of fluid dynamics can occur in a molten pool. Shape and speed of these flows depend on the boundary conditions of the process.
  • process errors such as heavy spattering (ejected from the melt pool rolls), pore formation (solidified gas bubbles), "sucking in” unmelted powder grains in the melt or great roughness due to the solidification of melt pool waves or droplets of high amplitude can occur.
  • the creation of a smooth melt pool is therefore the aim of many processes. As a rule, however, the assessment of the molten pool is only carried out later by means of metallographic analyzes and not directly during the process.
  • the surface topography of the melt pool could be recorded with high temporal resolution.
  • this approach is complex and error-prone and is therefore impractical.
  • DE 198 52 302 A1 discloses a method for monitored laser processing of workpieces, in which the light radiation used for process monitoring and the reflected measuring light are guided via the same processing optics.
  • the Z-position of a melt pool is monitored with a high measurement frequency (approx. 70 kHz) by OCT (optical coherence tomography) or WLI (white light interferometry) sensors (see, for example, Jordan et al., In situ morphology-based defect detection of selective laser melting through inline coherent imaging).
  • OCT optical coherence tomography
  • WLI white light interferometry
  • sensors have a limited measuring range of approx. 10 mm, which is defined by the optical path length in a measuring arm.
  • the measuring range of the OCT is determined by the coherence length of the system. If the path length difference of the individual beam paths exceeds the coherence length, no height signal can be determined.
  • sensors can practically only be used in scanner systems without an additional precision axis for the OCT reference arm.
  • 3D scanner systems in particular, only a small area of the construction platform can be measured due to the curvature of the image field. This fact and the high sensor costs mean that such sensors are not used in commercial systems.
  • An alternative method is to record the melt pool vibrations using acoustic measurement technology (microphones). Only special microphones (eg laser microphones) can be used to capture the broad frequency range. It is also very difficult to separate several working laser beams/melting baths working in parallel. Reflections on the chamber walls and the speed of sound, which is slower than the speed of light, limit the speed and dynamics of the recording.
  • the object according to the invention is thus achieved by a method for characterizing a molten pool.
  • the weld pool is irradiated with a measuring laser beam.
  • the movement of at least parts of the melt pool is determined from the Doppler shift and/or phase shift of the measuring laser beam scattered or reflected by the melt pool.
  • the phase shift between the measuring laser beam and the scattered measuring laser beam is preferably used and/or the phase shift of an intensity modulation applied to the measuring laser beam.
  • the measurement of the Doppler shift (frequency shift of the measuring laser beam due to movement of the irradiated object) or phase shift represents a robust approach, the speed of at least part of the surface to measure before the melt pool.
  • the measuring laser beam is projected onto the surface of the melt pool and the frequency shift or phase shift of the backscattered light is measured.
  • the speed can be determined at a surface point perpendicular to the measuring laser beam.
  • the melt pool can be generated by the same laser beam that is used for the Doppler measurement / phase shift.
  • a working laser beam is preferably used to generate the melt pool.
  • a laser with a sufficiently large coherence length typically more than two meters
  • corresponding frequency stability can be used as the measuring laser.
  • a structurally particularly simple structure is obtained if the measuring laser beam and/or the scattered measuring laser beam is/are guided at least in sections coaxially to the working laser beam.
  • the measuring laser beam and/or the scattered measuring laser beam can be guided by a beam splitter onto the optical axis of the working laser beam.
  • the beam splitter can have a dichroic mirror.
  • the Doppler shift is determined in a structurally simple but reliable manner by an interferometer, in particular in the form of a Mach-Zehnder interferometer.
  • interferometers can be used to determine the Doppler shift. Spatially separated parts of the scattered laser beam can be analyzed in different interferometers in order to obtain a three-dimensional image of the melt pool. Several interferometers, in particular all interferometers, can be constructed in the same way.
  • the frequency of the scattered measurement laser beam is shifted before the Doppler shift is determined.
  • frequency shifting heteroodyne detection
  • the robustness of the Evaluation is improved in particular when low-frequency interference in the device for carrying out the method is filtered out.
  • the frequency shift is preferably carried out by an acousto-optical modulator (Bragg cell) and/or a Pockels cell.
  • acousto-optical modulator Bragg cell
  • a Pockels cell acousto-optical modulator
  • the scattered measurement laser beam can be detected by a photodetector with a photodiode.
  • Different frequency ranges of the melt pool vibration can be evaluated if the signal derived from the scattered measurement laser beam is Fourier transformed.
  • the melt pool can be irradiated with several measuring laser beams, in particular from different angles.
  • the melt pool can be irradiated with several measuring laser beams, in particular from different angles, in order to obtain a three-dimensional velocity profile of the melt pool.
  • the measuring laser beams are preferably guided coaxially at least in sections.
  • the measuring laser beams can be guided coaxially to the working laser beam, at least in sections.
  • the scattered measuring laser beams can be separated from the working laser beam by a beam splitter, in particular within a collimated beam path. Scattered measuring laser beams can be fed to different interferometers in separate locations.
  • measuring laser beams can have different wavelengths.
  • the measuring laser beams and thus also the scattered measuring laser beams can be fed to different interferometers or to the same interferometer. If only a single interferometer is used, the scattered measurement laser beams are separated before they are detected due to their different wavelengths. Alternatively, a hyperspectral camera can be used for detection.
  • the scattered measuring laser beam can be detected in a spatially resolved manner.
  • the spatial resolution can be obtained by a spatial photodetector, in particular in the form of a camera and/or a segmented diode.
  • the measuring laser beam can be expanded and/or polarized. Due to the polarization, a light spot of the measuring laser beam with a circular cross-section can be formed into a (rotatable) light spot with an elliptical cross-section.
  • the polarized measurement laser beam is preferably polarized radially or azimuthally.
  • An optical modulator and a polarizer can be used for analysis.
  • a plane of incidence can be selected by varying the optical modulator.
  • a 3D velocity profile can be generated by combining signals from different planes of incidence.
  • a half-wave plate in particular a rotating half-wave plate, a Pockels cell and/or a Faraday rotator can be used as the optical modulator.
  • the measuring laser beam can be modulated.
  • the measuring laser beam is current-modulated.
  • the modulated light field falls on the weld pool.
  • the movement of the melt pool shortens or lengthens the runtime of the individual modulated, scattered measurement laser beams.
  • a phase shift between the measuring laser beam and the scattered measuring laser beam can be analyzed.
  • the method is preferably carried out without using an interferometer.
  • the measuring laser beam can be incoherent.
  • Complex melt pool movements can be recorded by triangulating several measuring laser beams at different angles.
  • the measurement laser beam is preferably modulated by a modulator.
  • An acousto-optical modulator, a Pockels cell and/or an electro-optical modulator can be used as the modulator.
  • Intensity, phase, polarization and/or frequency of the measuring laser beam can be modulated.
  • the frequency of the measuring laser beam is preferably modulated between 10 MHz and 100 MHz, in particular between 20 MHz and 80 MHz, preferably between 30 MHz and 70 MHz.
  • the velocity and/or position of a portion of the surface of the molten pool can be determined.
  • a beat or dynamic phase shift in the mixed signal can be determined.
  • the molten pool is preferably generated when welding a workpiece.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously if the melt pool is produced during powder-based additive manufacturing, ie during laser build-up welding.
  • Laser deposition welding is also known as “laser metal deposition” [LMD].
  • the method according to the invention is preferably used in powder bed-based 3D printing (“power bed fusion” [PBF]), in particular in “laser powder bed fusion” [LPBF], preferably in “laser metal fusion” [LMF].
  • PPF power bed fusion
  • LPBF laser powder bed fusion
  • LMF laser metal fusion
  • the object according to the invention is also achieved by a device for carrying out a method described here.
  • the device can have a measuring laser for generating the measuring laser beam.
  • the device can have a working laser for generating the Have working laser beam. Measuring laser beam and working laser beam can be guided at least in sections on the same optical axis of the device.
  • the device can have an interferometer, in particular a Mach-Zehnder interferometer, for detecting the Doppler shift.
  • the device can have several interferometers, in particular those of identical construction.
  • the device can be designed for the spatial analysis of the velocity components of the melt pool.
  • An acousto-optic modulator and/or a Pockels cell of the device can be used to shift the frequency of the scattered measurement laser beam.
  • a photodetector with a photodiode is preferably provided in the device for detecting the scattered measuring laser beam.
  • the device can be designed for laser welding, in particular for laser deposition welding.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention for carrying out a method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a variant of a device and a method in which a plurality of interferometers are used to detect horizontal melt pool movements.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a further variant according to the invention, in which measuring laser beams with different wavelengths are used to detect horizontal melt pool movements.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further variant according to the invention, in which a polarized measuring laser beam is used for detecting horizontal melt pool movements.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a further variant according to the invention, in which melt pool movements can be analyzed without an interferometer.
  • the molten pool 12 is generated by a working laser beam 14, which emanates from a working laser 16.
  • the molten pool 12 is used to weld a workpiece 18 .
  • the device 10 can have a nozzle 20 in order to blow metal particles 22 into the molten bath 12, in particular by means of protective gas, and thus carry out laser deposition welding on the workpiece 18.
  • the device 10 is particularly preferably designed to carry out powder-bed-based 3D printing.
  • the movement of the melt pool 12 is monitored.
  • a measuring laser beam 26a emanating from a measuring laser 24 is projected onto the melt pool 12 .
  • At least part of the light of the measuring laser beam 26a is backscattered by the melt pool 12 in the form of a scattered measuring laser beam 26b and is detected in a photodetector 28 .
  • Photodetector 28 may include one or more photodiodes.
  • the movement of the melt pool 12 is determined using the Doppler shift 30 of the backscattered light.
  • the device 10 can have an interferometer 32, here in the form of a Mach-Zehnder interferometer.
  • the analysis of the Doppler shift 30 is particularly preferably carried out with a frequency shift in order to be able to easily filter out low-frequency spurious oscillations.
  • a frequency-shifting element 34 here in the form of an acousto-optical modulator and/or a Pockels cell, can be used for frequency shifting.
  • the measuring laser beam 26a, the scattered measuring laser beam 26b and the working laser beam 14 can be guided on the same optical axis in the device 10 at least in sections.
  • a beam splitter 36, in particular with a dichroic mirror, can be used for this purpose.
  • 2 shows an alternative device 10 for the spatial analysis of a molten pool 12.
  • a spatial analysis is understood to mean an analysis of the movement of molten pool components both in the vertical and in the horizontal direction.
  • the molten bath 12 is irradiated with a plurality of measuring laser beams 26a.
  • the multiple measuring laser beams 26b scattered by the melt pool 12 are analyzed by multiple interferometers 32 . Both measuring laser beams 26a and measuring laser beams 26b pass through a focusing lens 38.
  • FIG. 3 shows a further alternative device 10 for the spatial analysis of a molten pool 12.
  • the molten pool 12 is irradiated by a plurality of measuring laser beams 26a, of which a plurality, in particular all, have different wavelengths.
  • the scattered measurement laser beams 26b also have different wavelengths.
  • the scattered measuring laser beams 26b can be analyzed in several interferometers 32 (see Fig. 2) or - preferably - in a single interferometer 32.
  • the photodetector 28 can be in the form of a hyperspectral camera and/or the photodetector 28 can have a separator 40 be connected upstream to separate the wavelengths. In this case, the separator 40 can alternatively or additionally be connected upstream of the interferometer(s) 32 .
  • FIG. 4 shows a further alternative device 10 for the spatial analysis of a molten pool 12.
  • the device 10 preferably has a focusing lens 38.
  • FIG. 4 In contrast to the devices 10 according to FIGS. 2 and 3, the device 10 according to FIG. 4 does not use a plurality of measuring laser beams 26a, but a single, in particular expanded, measuring laser beam 26a for irradiating the molten pool 12.
  • the scattered measuring laser beam 26b and in particular already the measuring laser beam 26a has/have a polarization, in particular an azimuthal polarization and/or a radial polarization (both shown in FIG. 4).
  • An optical modulator 42 in particular in the form of a half-wave plate, and a polarizer 44 can be used to analyze the scattered measurement laser beam 26b.
  • a variation of the optical modulator 42 is selected a plane of incidence 46.
  • the spatial analysis can then be generated by a combination of different planes of incidence 46.
  • FIG. 5 shows an embodiment of a device 10 which can be used without an interferometer 32 (see FIGS. 1 to 4).
  • a measuring laser 24 is modulated in the process.
  • a modulated measuring laser beam 26a is supplied to processing optics 48 .
  • the processing optics 48 are primarily used for processing a melt pool 12.
  • a scattered measuring laser beam 26b is fed to a photodetector 28.
  • An electronic evaluation unit 50 compares the signals from the modulated measuring laser 24 with the signal received from the photodetector 28 . By combining or comparing the signals, the speed/position of the surface of the melt pool 12 can be determined (determination of the beat/dynamic phase shift in the mixed signal).
  • By triangulating a plurality of measuring laser beams 26a at different angles see FIGS. 2 and 3
  • movements in 3D and in-plane can be measured analogously to vibrometry.
  • Spatially resolved measurements can also be carried out with a measuring laser beam 26a by means of planar illumination/sensor elements (see FIG.
  • the invention relates in summary to a method for determining the movement of a surface of a melt pool 12 by means of Doppler shift 30 of a measuring laser beam 26a.
  • the Doppler shift 30 is preferably determined heterodyne.
  • the melt pool 12 is generated by a working laser beam 14 .
  • the melt pool 12 can be used for laser deposition welding.
  • a spatial analysis of the movement of the molten pool 12 can be carried out by analyzing a plurality of scattered measuring laser beams 26b and/or by analyzing a plurality of parts of a scattered measuring laser beam 26b.

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Abstract

Die Erfindung betrifft zusammenfassend ein Verfahren zur Ermittlung der Bewegung einer Oberfläche eines Schmelzbads (12) mittels Dopplerverschiebung (30) eines Messlaserstrahls (26a). Die Ermittlung der Dopplerverschiebung (30) erfolgt vorzugsweise heterodyn. Weiter bevorzugt wird das Schmelzbad (12) durch einen Arbeitslaserstrahl (14) erzeugt. Das Schmelzbad (12) kann zum Laserauftragschweißen eingesetzt werden. Durch die Analyse mehrerer gestreuter Messlaserstrahlen (26b) und/oder der Analyse mehrerer Teile eines gestreuten Messlaserstrahls (26b) kann eine räumliche Analyse der Bewegung des Schmelzbads (12) erfolgen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Doppler-Charakterisierung eines Schmelzbads
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines Schmelzbads. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Schmelzbäder entstehen bei verschiedenen Prozessen, insbesondere bei Schweißprozessen. Die Schmelzbadbildung kann dabei durch einen Arbeitslaserstrahl erfolgen. Aufwändig steuerbare Schmelzbäder entstehen, wenn diese eingesetzt werden, um additiv Material aufzutragen.
In einem Schmelzbad können sich fluiddynamisch komplexe Strömungen (z.B. Walzenströmungen) ergeben. Gestalt und Geschwindigkeit dieser Strömungen hängen von den Randbedingungen des Prozesses ab. Im Falle einer ungünstigen Schmelzbaddynamik können Prozessfehler, wie z.B. starke Spritzerbildung (durch Ausschleudern aus Schmelzbadwalzen), Porenbildung (erstarrte Gasblasen), „Einsaugen" ungeschmolzener Pulverkörner in der Schmelze oder große Rauheiten durch das Erstarren von Schmelzbadwellen bzw. Tropfen hoher Amplitude entstehen. Die Erzeugung eines ruhigen Schmelzbades ist daher Ziel vieler Prozesse. In der Regel erfolgt jedoch die Begutachtung des Schmelzbads erst nachgelagert durch metallographische Analysen und nicht unmittelbar während des Prozesses.
Um die laserinduzierte Schmelzbaddynamik während des Prozesses zu erfassen, könnte die Oberflächentopographie des Schmelzbades mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst werden. Da sich jedoch durch das Scannen des Arbeitslasers der Abstand zwischen Oberfläche und Drehpunkt des Scanners makroskopisch ändert, ist dieser Ansatz komplex und fehleranfällig und kann damit praktisch nicht verwendet werden.
Aus der DE 198 52 302 Al ist ein Verfahren zur überwachten Laserbearbeitung von Werkstücken bekannt geworden, wobei die der Prozessüberwachung dienende Lichtstrahlung und das reflektierte Messlicht über dieselbe Bearbeitungsoptik geführt werden.
In Forschungsarbeiten wird die Z-Position eines Schmelzbades mit hoher Messfrequenz (ca. 70 kHz) durch OCT- (Optical Coherence Tomography) oder WLI- (Weißlichtinterferometrie) Sensoren überwacht (siehe beispielsweise Jordan et al., In situ morphology-based defect detection of selective laser melting through inline coherent imaging). Damit konnten verschiedene Prozesslagen detektiert werden. Derartige Sensoren haben allerdings einen begrenzten Messbereich von ca. 10 mm, welcher durch die optische Weglänge in einem Messarm definiert wird. Der Messbereich der OCT wird dabei durch die Kohärenzlänge des Systems bestimmt. Überschreitet die Weglängendifferenz der Einzelstrahlengänge die Kohärenzlänge, so kann kein Höhensignal bestimmt werden. Dies bedeutet, dass diese Sensoren praktisch nur in Scannersystemen ohne zusätzliche Präzisionsachse für den OCT Referenzarm eingesetzt werden können. Insbesondere bei 3D Scannersystemen kann durch die Bildfeldkrümmung nur ein kleiner Bereich der Bauplattform vermessen werden. Diese Tatsache sowie die hohen Sensorkosten führen dazu, dass derartige Sensorik nicht in kommerziellen Systemen eingesetzt wird. Eine alternative Methode ist die Aufnahme der Schmelzbadschwingungen mittels akustischer Messtechnik (Mikrofone). Um den breiten Frequenzbereich zu erfassen, kommen nur spezielle Mikrofone (z.B. Lasermikrofone) in Frage. Ebenso lassen sich mehrere parallel arbeitende Arbeitslaserstrahlen/Schmelzbäder nur sehr schwer voneinander trennen. Reflexionen an den Kammerwänden und die im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsame Schallgeschwindigkeit beschränken Geschwindigkeit und Dynamik der Aufnahme.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein leicht handhabbares Verfahren zur Schmelzbadüberwachung bereit zu stellen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 19. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch ein Verfahren zur Charakterisierung eines Schmelzbads. Das Schmelzbad wird mit einem Messlaserstrahl bestrahlt. Aus der Dopplerverschiebung und/oder Phasenverschiebung des vom Schmelzbad gestreuten bzw. reflektierten Messlaserstrahls wird die Bewegung zumindest von Teilen des Schmelzbads ermittelt.
Bei Ermittlung der Phasenverschiebung wird vorzugsweise die Phasenverschiebung zwischen Messlaserstrahl und gestreutem Messlaserstrahl herangezogen und/oder die Phasenverschiebung einer auf den Messlaserstrahl aufgeprägten Intensitätsmodulation.
Die Messung der Dopplerverschiebung (Frequenzverschiebung des Messlaserstrahls durch Bewegung des bestrahlten Objekts) bzw. Phasenverschiebung stellt einen robusten Ansatz dar, die Geschwindigkeit zumindest eines Teils der Oberflä- ehe des Schmelzbads zu messen. Dabei wird der Messlaserstrahl auf die Oberfläche des Schmelzbads projiziert und die Frequenzverschiebung bzw. Phasenverschiebung des rückgestreuten Lichts gemessen. Insbesondere kann die Geschwindigkeit in einem Oberflächenpunkt senkrecht zum Messlaserstrahl bestimmt werden.
Das Schmelzbad kann durch denselben Laserstrahl erzeugt werden, der zur Dopplermessung / Phasenverschiebung eingesetzt wird. Vorzugsweise wird jedoch zur Erzeugung des Schmelzbads ein Arbeitslaserstrahl eingesetzt. Hierdurch kann als Messlaser ein Laser mit ausreichend großer Kohärenzlänge (typischerweise über zwei Meter) und entsprechender Frequenzstabilität eingesetzt werden.
Ein konstruktiv besonders einfacher Aufbau wird erhalten, wenn der Messlaserstrahl und/oder der gestreute Messlaserstrahl zumindest abschnittsweise koaxial zum Arbeitslaserstrahl geführt wird/werden.
Der Messlaserstrahl und/oder der gestreute Messlaserstrahl kann/können dabei durch einen Strahlteiler auf die optische Achse des Arbeitslaserstrahls geführt werden. Der Strahlteiler kann einen dichroitischen Spiegel aufweisen.
Weiter bevorzugt wird die Dopplerverschiebung auf konstruktiv einfache, aber zuverlässige Art und Weise durch ein Interferometer, insbesondere in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers, bestimmt.
Zur Bestimmung der Dopplerverschiebung können mehrere Interferometer eingesetzt sein. Dabei können räumlich getrennte Anteile des gestreuten Laserstrahls in verschiedenen Interferometern analysiert werden, um ein räumliches Bild des Schmelzbads zu erhalten. Mehrere Interferometer, insbesondere alle Interferometer, können baugleich ausgebildet sein.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Frequenz des gestreuten Messlaserstrahls vor Bestimmung der Dopplerverschiebung verschoben. Durch das Frequenzverschieben (heterodyne Detektion) wird die Robustheit der Auswertung insbesondere dann verbessert, wenn niederfrequente Störungen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ausgefiltert werden.
Die Frequenzverschiebung erfolgt vorzugsweise durch einen akustooptischen Modulator (Bragg-Zelle) und/oder eine Pockels-Zelle.
Um hohe Frequenzen im MHz- bzw. GHz-Bereich messen zu können, kann die Detektion des gestreuten Messlaserstrahls durch einen Photodetektor mit einer Photodiode erfolgen.
Die Auswertung verschiedener Frequenzbereiche der Schmelzbadschwingung wird ermöglicht, wenn das aus dem gestreuten Messlaserstrahl abgeleitete Signal fou- riertransformiert wird.
Um Geschwindigkeitskomponenten der Schmelzbadbewegung in verschiedenen Richtungen erfassen zu können, kann das Schmelzbad mit mehreren Messlaserstrahlen, insbesondere aus verschiedenen Winkeln, bestrahlt werden.
Das Schmelzbad kann mit mehreren Messlaserstrahlen, insbesondere aus verschiedenen Winkeln, bestrahlt werden, um ein dreidimensionales Geschwindigkeitsprofil des Schmelzbads zu erhalten. Die Messlaserstrahlen werden vorzugsweise zumindest abschnittsweise koaxial geführt. Insbesondere können die Messlaserstrahlen zumindest abschnittsweise koaxial zum Arbeitslaserstrahl geführt werden. Die gestreuten Messlaserstrahlen können, insbesondere innerhalb eines kollimierten Strahlengangs, durch einen Strahlteiler vom Arbeitslaserstrahl abgetrennt werden. Gestreute Messlaserstrahlen können räumlich getrennt verschiedenen Interferometern zugeführt werden.
Mehrere Messlaserstrahlen können verschiedene Wellenlängen aufweisen. Die Messlaserstrahlen und somit auch die gestreuten Messlaserstrahlen können verschiedenen Interferometern oder demselben Interferometer zugeführt werden. Wird lediglich ein einziges Interferometer eingesetzt, können die gestreuten Mess- laserstrahlen aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlänge vor ihrer Detektion separiert werden. Alternativ dazu kann eine Hyperspektralkamera zur Detektion eingesetzt werden.
Die Detektion des gestreuten Messlaserstrahls kann räumlich aufgelöst erfolgen. Die räumliche Auflösung kann dabei durch einen räumlichen Photodetektor erhalten werden, insbesondere in Form einer Kamera und/oder einer segmentierten Diode.
Der Messlaserstrahl kann aufgeweitet und/oder polarisiert sein. Durch die Polarisation kann ein im Querschnitt kreisförmiger Lichtfleck des Messlaserstrahls zu einem (drehbaren) Lichtfleck mit elliptischem Querschnitt geformt werden. Der polarisierte Messlaserstrahl ist vorzugsweise radial oder azimutal polarisiert. Zur Analyse können ein optischer Modulator und ein Polarisator eingesetzt werden. Durch Variation des optischen Modulators kann eine Einfallsebene selektiert werden. Ein 3D-Geschwindigkeitsprofil kann durch eine Kombination der Signale unterschiedlicher Einfallsebenen generiert werden. Als optischer Modulator kann insbesondere eine, insbesondere rotierende, Lambda-Halbe-Platte, eine Pockelszelle und/oder ein Faraday- Rotator eingesetzt werden.
Der Messlaserstrahl kann moduliert werden. In besonders kosteneffektiver Ausgestaltung des Verfahrens wird der Messlaserstrahl dabei strommoduliert.
Das modulierte Lichtfeld fällt im angesprochenen Fall auf das Schmelzbad. Durch die Bewegung des Schmelzbads wird die Laufzeit der einzelnen modulierten gestreuten Messlaserstrahlen verkürzt oder verlängert. Dabei kann anstelle einer Frequenzverschiebung eine Phasenverschiebung zwischen dem Messlaserstrahl und dem gestreuten Messlaserstrahl analysiert werden.
Weiter kosteneffektiv bevorzugt wird das Verfahren ohne Einsatz eines Interferometers durchgeführt. Der Messlaserstrahl kann inkohärent sein. Durch Triangulation mehrerer Messlaserstrahlen unter verschiedenen Winkeln können komplexe Schmelzbadbewegungen erfasst werden.
Der Messlaserstrahl wird vorzugsweise durch einen Modulator moduliert. Als Modulator kann/können ein akustooptischer Modulator, eine Pockelszelle und/oder ein elektrooptischer Modulator eingesetzt werden. Es können Intensität, Phase, Polarisation und/oder Frequenz des Messlaserstrahls moduliert werden. Die Frequenz des Messlaserstrahls wird vorzugsweise zwischen 10 MHz und 100 MHz, insbesondere zwischen 20 MHz und 80 MHz, vorzugsweise zwischen 30 MHz und 70 MHz, moduliert.
Durch Kombination eines elektrischen Signals des Modulators und eines Photodetektors kann die Geschwindigkeit und/oder Position eines Teils der Oberfläche des Schmelzbads bestimmt werden. Insbesondere kann eine Schwebung bzw. dynamische Phasenverschiebung im gemischten Signal bestimmt werden.
Das Schmelzbad wird vorzugsweise beim Schweißen eines Werkstücks erzeugt.
Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, wenn das Schmelzbad bei der pulverbasierten generativen Fertigung, also beim Laserauftragschweißen erzeugt wird. Laserauftragschweißen wird auch als „Laser Metal Deposition" [LMD] bezeichnet.
Vorzugsweise kommt das erfindungsgemäße Verfahren beim Pulverbett-basierten 3D-Druck („Power Bed Fusion" [PBF]), insbesondere bei der „Laser Powder Bed Fusion" [LPBF], vorzugsweise beim „Laser Metal Fusion" [LMF], zum Einsatz.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens.
Die Vorrichtung kann einen Messlaser zur Erzeugung des Messlaserstrahls aufweisen. Zusätzlich dazu kann die Vorrichtung einen Arbeitslaser zur Erzeugung des Arbeitslaserstrahls aufweisen. Messlaserstrahl und Arbeitslaserstrahl können zumindest abschnittsweise auf derselben optischen Achse der Vorrichtung geführt sein. Weiterhin kann die Vorrichtung ein Interferometer, insbesondere ein Mach- Zehnder-Interferometer, zur Detektion der Dopplerverschiebung aufweisen. Die Vorrichtung kann mehrere, insbesondere baugleiche, Interferometer aufweisen. Die Vorrichtung kann zur räumlichen Analyse der Geschwindigkeitskomponenten des Schmelzbads ausgebildet sein. Ein akustooptischer Modulator und/oder eine Pockelszelle der Vorrichtung kann/können zur Frequenzverschiebung des gestreuten Messlaserstrahls eingesetzt werden. Vorzugsweise ist ein Photodetektor mit einer Photodiode der Vorrichtung zur Detektion des gestreuten Messlaserstrahls vorgesehen. Die Vorrichtung kann zum Laserschweißen, insbesondere zum Laserauftragschweißen, ausgebildet sein.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Variante einer Vorrichtung und eines Verfahrens, bei dem zur Erfassung horizontaler Schmelzbadbewegungen mehrere Interferometer eingesetzt werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, bei der Messlaserstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen zur Erfassung horizontaler Schmelzbadbewegungen eingesetzt werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, bei der ein polarisierter Messlaserstrahl zur Erfassung horizontaler Schmelzbadbewegungen eingesetzt wird. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Variante, bei der Schmelzbadbewegungen ohne Interferometer analysiert werden können.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 10 zur Charakterisierung eines Schmelzbads 12. Das Schmelzbad 12 wird von einem Arbeitslaserstrahl 14 erzeugt, der von einem Arbeitslaser 16 ausgeht. Das Schmelzbad 12 wird zum Schweißen eines Werkstücks 18 verwendet. Die Vorrichtung 10 kann eine Düse 20 aufweisen, um, insbesondere mittels Schutzgas, Metallpartikel 22 in das Schmelzbad 12 zu blasen und somit ein Laserauftragschweißen am Werkstück 18 durchzuführen. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung 10 zur Durchführung Pulverbett-basierten 3D-Drucks ausgebildet.
Die Bewegung des Schmelzbads 12 wird überwacht. Hierzu wird ein von einem Messlaser 24 ausgehender Messlaserstrahl 26a auf das Schmelzbad 12 projiziert. Zumindest ein Teil des Lichts des Messlaserstrahls 26a wird vom Schmelzbad 12 in Form eines gestreuten Messlaserstrahls 26b rückgestreut und in einem Photodetektor 28 detektiert. Der Photodetektor 28 kann eine oder mehrere Photodioden aufweisen. Die Bewegung des Schmelzbads 12 wird dabei anhand der Dopplerverschiebung 30 des rückgestreuten Lichts ermittelt.
Zur Ermittlung der Dopplerverschiebung 30 kann die Vorrichtung 10 ein Interferometer 32, hier in Form eines Mach-Zehnder-Interferometers, aufweisen. Besonders bevorzugt erfolgt die Analyse der Dopplerverschiebung 30 dabei frequenzverschoben, um niederfrequente Störschwingungen leicht ausfiltern zu können. Zur Frequenzverschiebung kann ein frequenzverschiebendes Element 34, hier in Form eines akustooptischen Modulators und/oder einer Pockelszelle, eingesetzt werden.
Der Messlaserstrahl 26a, der gestreute Messlaserstrahl 26b und der Arbeitslaserstrahl 14 können zumindest abschnittsweise in der Vorrichtung 10 auf derselben optischen Achse geführt werden. Hierzu kann ein Strahlteiler 36, insbesondere mit einem dichroitischen Spiegel, eingesetzt werden. Fig. 2 zeigt eine alternative Vorrichtung 10 zur räumlichen Analyse eines Schmelzbads 12. Unter einer räumlichen Analyse wird dabei eine Analyse der Bewegung von Schmelzbadkomponenten sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung verstanden. Das Schmelzbad 12 wird dabei mit mehreren Messlaserstrahlen 26a bestrahlt. Die vom Schmelzbad 12 gestreuten mehreren Messlaserstrahlen 26b werden durch mehrere Interferometer 32 analysiert. Sowohl die Messlaserstrahlen 26a als auch die Messlaserstrahlen 26b durchlaufen dabei eine Fokussierlinse 38.
Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Vorrichtung 10 zur räumlichen Analyse eines Schmelzbads 12. Das Schmelzbad 12 wird durch mehrere Messlaserstrahlen 26a bestrahlt, von denen mehrere, insbesondere alle, verschiedene Wellenlängen aufweisen. Auch die gestreuten Messlaserstrahlen 26b weisen verschiedene Wellenlängen auf. Die gestreuten Messlaserstrahlen 26b können in mehreren Interferometern 32 (siehe Fig. 2) analysiert werden oder - bevorzugt - in einem einzigen Interferometer 32. Im bevorzugten Fall kann der Photodetektor 28 in Form einer Hyperspektralkamera ausgebildet sein und/oder dem Photodetektor 28 kann ein Separator 40 zur Separation der Wellenlängen vorgeschaltet sein. Der Separator 40 kann dabei alternativ oder zusätzlich dazu dem/den Interferometer(n) 32 vorgeschaltet sein.
Fig. 4 zeigt eine weitere alternative Vorrichtung 10 zur räumlichen Analyse eines Schmelzbads 12. Die Vorrichtung 10 weist vorzugsweise eine Fokussierlinse 38 auf. Im Gegensatz zu den Vorrichtungen 10 gemäß den Fign. 2 und 3 werden in der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 4 nicht mehrere Messlaserstrahlen 26a, sondern ein einziger, insbesondere aufgeweiteter, Messlaserstrahl 26a zur Bestrahlung des Schmelzbads 12 eingesetzt. Der gestreute Messlaserstrahl 26b und insbesondere bereits der Messlaserstrahl 26a, weist/weisen eine Polarisation, insbesondere eine azimutale Polarisation und/oder eine radiale Polarisation (beide in Fig. 4 dargestellt), auf. Zur Analyse des gestreuten Messlaserstrahls 26b können ein optischer Modulator 42, insbesondere in Form einer Lambda-Halbe-Platte, und ein Polarisator 44 eingesetzt werden. Eine Variation des optischen Modulators 42 selektiert eine Einfallsebene 46. Die räumliche Analyse kann dann durch eine Kombination unterschiedlicher Einfallsebenen 46 erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung 10, die ohne Interferometer 32 (siehe Fign. 1 bis 4) einsetzbar ist. Ein Messlaser 24 wird dabei moduliert. Ein modulierter Messlaserstrahl 26a wird einer Bearbeitungsoptik 48 zugeführt. Die Bearbeitungsoptik 48 dient primär der Bearbeitung eines Schmelzbads 12. Ein gestreuter Messlaserstrahl 26b wird einem Photodetektor 28 zugeführt. Eine elektronische Bewertungseinheit 50 vergleicht die Signale des modulierten Messlasers 24 mit dem vom Photodetektor 28 erhaltenen Signal. Durch Kombination bzw. Vergleich der Signale kann die Geschwindigkeit/Position der Oberfläche des Schmelzbads 12 bestimmt werden (Bestimmung der Schwebung / dynamischen Phasenverschiebung im gemischten Signal). Durch Triangulation mehrerer Messlaserstrahlen 26a unter unterschiedlichen Winkeln (siehe Fign. 2 und 3) können analog zur Vibrometrie Bewegungen in 3D und In-Plane gemessen werden. Durch flächige Beleuchtung/Sensorelemente (siehe Fig. 4) kann auch mit einem Messlaserstrahl 26a räumlich aufgelöst gemessen werden.
Unter Betrachtung aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend ein Verfahren zur Ermittlung der Bewegung einer Oberfläche eines Schmelzbads 12 mittels Dopplerverschiebung 30 eines Messlaserstrahls 26a. Die Ermittlung der Dopplerverschiebung 30 erfolgt vorzugsweise heterodyn. Weiter bevorzugt wird das Schmelzbad 12 durch einen Arbeitslaserstrahl 14 erzeugt. Das Schmelzbad 12 kann zum Laserauftragschweißen eingesetzt werden. Durch die Analyse mehrerer gestreuter Messlaserstrahlen 26b und/oder der Analyse mehrerer Teile eines gestreuten Messlaserstrahls 26b kann eine räumliche Analyse der Bewegung des Schmelzbads 12 erfolgen.
Figure imgf000014_0001
10 Vorrichtung
12 Schmelzbad
14 Arbeitslaserstrahl
16 Arbeitslaser
18 Werkstück
20 Düse
22 Metallpartikel
24 Messlaser
26a Messlaserstrahl
26b gestreuter Messlaserstrahl
28 Photodetektor
30 Dopplerveschiebung
32 Interferometer
34 frequenzverschiebendes Element
36 Strahlteiler
38 Fokussierlinse
40 Separator
42 optischer Modulator
44 Polarisator
46 Einfallsebene
48 Bearbeitungsoptik
50 Bewertungseinheit

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Charakterisierung eines Schmelzbads (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzbad (12) mit einem Messlaserstrahl (26a) bestrahlt wird und die Bewegung zumindest von Teilen des Schmelzbads (12) aus der Dopplerverschiebung (30) und/oder Phasenverschiebung von vom Schmelzbad (12) gestreuten Messlaserstrahl (26b) ermittelt wird. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Schmelzbad (12) durch einen vom Messlaserstrahl (26a) verschiedenen Arbeitslaserstrahl (14) erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Messlaserstrahl (26a) und/oder der gestreute Messlaserstrahl (26b) zumindest abschnittsweise koaxial mit der optischen Achse des Arbeitslaserstrahls (14) geführt wird. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Messlaserstrahl (26a) und/oder der gestreute Messlaserstrahl (26b) durch einen Strahlteiler (36), insbesondere mit einem dichroitischen Spiegel, auf die optische Achse des Arbeitslaserstrahls (14) geführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Dopplerverschiebung (30) durch ein Interferometer (32), insbesondere ein Mach-Zehnder-Interferometer, bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Dopplerverschiebung (30) durch ein weiteres Interferometer (32), insbesondere in Form eines Mach-Zehn- der-Interferometers, bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der gestreute Messlaserstrahl (26b) vor Bestimmung der Dopplerverschiebung (30) frequenzverschoben wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Frequenzverschiebung durch einen akustooptischen Modulator und/oder eine Pockelszelle erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Detektion des gestreuten Messlaserstrahls (26b) durch eine Photodiode erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Signal des delektierten gestreuten Messlaserstrahls (26b) fouriertransformiert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schmelzbad (12) mit mehreren Messlaserstrahlen (26a), insbesondere aus verschiedenen Winkeln, bestrahlt wird, um Geschwindigkeitskomponenten der Schmelzbadbewegung in mehreren Richtungen erfassen zu können.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die mehreren Messlaserstrahlen (26a) verschiedene Wellenlängen aufweisen.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Detektion des gestreuten Messlaserstrahls (26b) räumlich aufgelöst erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Messlaserstrahl (26a) aufgeweitet und polarisiert ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Messlaserstrahl (26a) moduliert ist.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Messlaserstrahl (26a) durch einen Modulator (42) moduliert ist.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Schmelzbad (12) zum Schweißen erzeugt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Schmelzbad (12) zum Laserauftragschweißen erzeugt wird. 19. Vorrichtung (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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