摘要
激光直接能量沉积（LDED）和激光粉末床熔融（LPBF）是航空航天等领域关键金属增材制造（AM）工艺，但其制件质量稳定性仍面临挑战。熔池温度作为影响制件质量的核心参数，其原位监测技术亟待突破。本文提出了一种基于光场（LF）相机的多眼监测方法，用于AM熔池温度场原位监测。首先，建立光场子孔径拜耳模型（LFSBM），提取红绿蓝（R、G、B）波长的熔池图像；通过黑体炉标定LF相机的相对光谱响应比，基于双波长理论从R、G、B通道图像中推导熔池温度场。B/G、R/B和R/G通道组合的相对光谱响应比线性拟合均方根误差分别为76.34 K、62.24 K和78.66 K，最大温度平均误差验证为1.03%，2973.15 K、3073.15 K和3273.15 K温度场的误差小于3%。进一步校正LPBF同轴系统对波长的影响，温度图轮廓误差低于1.4%。通过LDED和LPBF设备对高熵合金及Ti6Al4V合金进行实验，分析了熔池长度、宽度及最大温度的演化规律。该方法简化了测量流程，支持无限温区监测，为AM熔池温度原位监测提供了创新解决方案。
本文通过光场相机的多视角成像技术，结合双波长辐射理论，解决了传统红外设备高温校准困难、视场受限的问题，实现了宽温域、高精度的熔池温度场原位监测。
图文导读
图1. LDED和LPBF熔池温度测量系统的多眼系统示意图
(a) LDED和LPBF设备的熔池温度测量系统示意图；
(b) 传统相机成像；
(c) 光场相机成像。
（注：光场相机通过微透镜阵列捕获多视角光信息，保留角度信息以实现多波长图像解耦。）
图2. LF相机拜耳矩阵的映射
(a) LF微透镜单元与拜耳像素块的映射关系；
(b) 拜耳像素块的坐标定位。
（注：通过标定微透镜中心与拜耳阵列，分离R/G/B通道的单波长亚孔径图像。）
图3. 从LF相机提取单波长图像
(a) 四种拜耳阵列分布模式（RGGB、BGGR、GRBG、GBRG）；
(b) R/G/B三通道单波长子孔径图像提取。
（注：基于色滤镜排列规则，拼接同波长像素以重构单色熔池图像。）
图4. 黑体炉标定LF相机相对光谱响应比（工作距离550 mm）
（注：通过中性密度滤光片调节光强，记录不同温度下的双波长灰度比，拟合相对光谱响应比。）
图5. 校正LPBF同轴系统波长强度
（注：对比同轴与离轴条件下红蓝通道光强比，修正同轴光学系统对温度测量的干扰。）
图6. LF相机R/G/B通道相对光谱响应比标定结果
(a) T与响应比k_bg的拟合曲线；
(b) T与k_rb的拟合曲线；
(c) T与k_rg的拟合曲线。
（注：二次多项式拟合实现温度反演，RMSE分别为76.34 K、62.24 K和78.66 K。）
图7. 黑体炉图像的信噪比（SNR）与标准差（SD）
(a) 不同温度下的SNR值；
(b) 30×30像素区域的SD分布。
（注：G通道信噪比最高，B通道热噪声显著，验证温度测量可靠性。）
图8. 黑体炉中心区域局部像素细节
（注：2973.15 K、3073.15 K和3273.15 K下的R/G/B通道强度分布，分析高低温区测量误差。）
图9. 黑体炉温度场及轮廓误差
(a) 黑体炉温度图像；
(b) 温度场测量轮廓；
(c) 30×30像素区域误差分布。
（注：轮廓误差Ec≤1.4%，验证多眼系统的空间一致性。）
图10. LDED和LPBF熔池原位温度监测装置
(a) LDED设备；
(b) LPBF设备（含同轴光路）。
（注：通过可调中性密度滤光片适应不同材料的热辐射强度。）
图11. 高熵合金熔池温度监测序列（激光功率1000 W，扫描速度10 mm/s）
（注：熔池高温区集中在亚中心，温度范围2200--2810 K，低速扫描增大热影响区。）
图12. Ti6Al4V合金熔池温度监测
(a) 扫描速度10 mm/s；
(b) 扫描速度1 mm/s。
（注：低速扫描导致熔池尺寸增大，飞溅颗粒影响边缘轮廓。）
图13. LPBF钛合金熔池温度监测序列（激光功率400 W，扫描速度200 mm/s）
（注：高温区呈彗星状头部，尾部出现飞溅，温度范围2000--3210 K。）
图14. 熔池几何参数与温度演化
(a) 高熵合金（10 mm/s）；
(b) 钛合金（1 mm/s）；
(c) 高熵合金（10 mm/s）；
(d) 钛合金（200 mm/s）。
（注：熔池长度、宽度与温度动态关联，高速扫描抑制热积累。）
结论
本文提出了一种基于光场相机的多眼监测技术，通过标定相对光谱响应比和同轴系统校正，实现了LDED和LPBF熔池温度场的宽温域（>3000 K）、高精度（最大误差1.03%）原位监测。该方法避免了传统红外设备的波长校准复杂性，支持多材料、多工艺的在线质量控制，为复杂构件的冶金缺陷预测提供了新工具。
文章转载：金属增材制造
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