增材制造和3D打印领域的重要刊物《增材制造》（Additive Manufacturing，IF：7.173）刊发了华中科技大学武汉光电国家研究中心郭连波、光电学院罗为副教授题为“Laser opto-ultrasonic dual detection for simultaneous compositional, structural, and stress analyses for wire + arc additive manufacturing”（激光光/声多模态同时检测电弧增材制造构件的元素、缺陷和残余应力）的最新研究成果。

增材制造（3D打印）技术是一项引起多个行业颠覆性革命的先进制造技术。该技术具有快速、高效和近净成形的特点，目前已经在航空航天、汽车制造和生物医学等领域取得了广泛的应用。然而，在3D打印过程中，由于复杂的物理和化学过程，导致了材料的制造质量不稳定，影响构件的使用。因此，亟需开发一种3D打印构件的化学组成、结构缺陷和残余应力等化学和物理性能的综合检测新方法。

郭连波副教授与华中科技大学光电学院罗为副教授合作提出了一种激光光/声多模态检测技术，该技术采用单脉冲激光辐照样品表面，样品表面被高能激光烧蚀、汽化，产生等离子体。一方面，等离子体中的电子发生跃迁，释放出特定波长的光子，通过对光信号进行采集和处理，可以获得元素信息；另一方面，等离子体吸收激光能量膨胀，产生一个作用于样品表面的反喷冲量，进一步在样品内部激发高频超声，对声信号进行采集和处理，可以获得样品的结构和应力信息。因此，LOUD新技术首次实现了同时对电弧3D打印铝合金样品中的元素组成、结构缺陷和残余应力的快速检测。

图1 激光光声探针原理图

首先，研究人员对典型的激光焊接铝合金样品进行了检测，样品中间为激光焊缝，右侧预制了一条2 mm人工缺陷。如图2所示，a 图和b 图分别展示了使用LOUD和电子探针（EPMA）检测硅元素的结果。c 图和d 图分别展示了使用LOUD和数字X射线探伤（DR）技术检测缺陷的结果。e 图展示了使用LOUD技术和传统超声检测技术检测残余应力的线扫描结果。f 图为使用LOUD探测到的焊缝附近的残余应力三维分布图。实验结果表明，各项指标的相对误差均小于5%。

图2 激光焊接样品的检测结果

接着，研究人员又使用激光光/声探针多模态技术对电弧3D打印的单壁墙样品进行了检测，如图3所示，a 图为Cu元素分布结果，b 图为缺陷探伤结果，c 图为残余应力检测结果。将LOUD结果与传统检测方法结果对比发现，平均相对误差在10%以内。

图3 电弧增材制造样品的检测结果

该研究工作得到了国家自然科学基金委员会面上项目（No. 61575073）的资助。郭连波副教授，光电学院罗为副教授为论文共同通讯作者，博士研究生马浴阳为第一作者，胡桢麟、唐云、马世祥、褚燕武、李欣和曾晓雁教授为共同作者参与相关工作。感谢华中科技大学武汉光电国家研究中心高明教授、李祥友教授、北京航空航天大学周正干教授在实验仪器上的大力支持。