Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed by ultrahigh-speed x-ray imaging

材料科学 激光器 锁孔 融合 汽化 同步加速器 激光功率缩放 光学 焊接 X射线 复合材料 热力学 物理 语言学 哲学
作者
Ross Cunningham,Cang Zhao,Niranjan D. Parab,Christopher Kantzos,Joseph Pauza,Kamel Fezzaa,Tao Sun,Anthony D. Rollett
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:363 (6429): 849-852 被引量:786
标识
DOI:10.1126/science.aav4687
摘要

We used ultrahigh-speed synchrotron x-ray imaging to quantify the phenomenon of vapor depressions (also known as keyholes) during laser melting of metals as practiced in additive manufacturing. Although expected from welding and inferred from postmortem cross sections of fusion zones, the direct visualization of the keyhole morphology and dynamics with high-energy x-rays shows that (i) keyholes are present across the range of power and scanning velocity used in laser powder bed fusion; (ii) there is a well-defined threshold from conduction mode to keyhole based on laser power density; and (iii) the transition follows the sequence of vaporization, depression of the liquid surface, instability, and then deep keyhole formation. These and other aspects provide a physical basis for three-dimensional printing in laser powder bed machines.
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