IMPAC IS 140紅外測(cè)溫儀在激光表面處理中的應(yīng)用研究

摘要

隨著激光技術(shù)在金屬表面改性中的廣泛應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)高溫過(guò)程的精準(zhǔn)溫度控制成為影響材料性能和加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。IMPAC IS 140紅外測(cè)溫儀作為一種高精度、非接觸式溫度測(cè)量設(shè)備，在激光熔融與激光氣體氮化等表面處理過(guò)程中，展現(xiàn)出的測(cè)溫性能。本文結(jié)合鈦合金Ti6Al4V的高功率二極管激光（HPDDL）處理實(shí)驗(yàn)，探討了IS 140測(cè)溫儀在實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)、發(fā)射率校準(zhǔn)與激光吸收率估算等方面的重要作用，為高溫金屬材料激光加工的過(guò)程優(yōu)化與控制提供了可靠支撐。

1. 引言

在激光表面處理如熔融（Laser Surface Melting）與氣體氮化（Laser Gas Nitriding）過(guò)程中，熔池溫度直接影響微觀組織演化、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及最終表面性能。因此，溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性尤為關(guān)鍵。傳統(tǒng)接觸式熱電偶在高溫、高梯度環(huán)境下存在響應(yīng)遲緩、易損壞等問(wèn)題，而紅外測(cè)溫技術(shù)因其非接觸、快速、適應(yīng)環(huán)境的特點(diǎn)，成為更優(yōu)選擇。

IMPAC IS 140紅外測(cè)溫儀是一款專為金屬高溫測(cè)量設(shè)計(jì)的紅外儀器，具有寬廣的測(cè)溫范圍（550–3300°C）及適用于短波紅外的高靈敏度（0.7–1.1 µm波段），非常適合于如鈦合金激光處理這類強(qiáng)反射、高熔點(diǎn)金屬材料的溫度監(jiān)測(cè)。

2. 實(shí)驗(yàn)裝置與應(yīng)用場(chǎng)景

在研究中，作者采用ROFIN DL 020型高功率直射二極管激光器（主波長(zhǎng)808 nm）對(duì)Ti6Al4V鈦合金樣品進(jìn)行表面熔融與氮化處理。IS 140測(cè)溫儀用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理區(qū)域表面溫度，實(shí)驗(yàn)裝置包括：

• 激光系統(tǒng)

• 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

• 氣體輸送系統(tǒng)（氬氣/氮?dú)猓?/span>

• IMPAC IS 140紅外測(cè)溫儀

• W-Mo非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶（用于校準(zhǔn)）

• 數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)（Agilent 34970A）

3. 測(cè)溫儀具體應(yīng)用功能分析

3.1 實(shí)時(shí)溫度測(cè)量

在激光照射過(guò)程中，IS 140實(shí)時(shí)記錄熔池表面溫度變化。例如，在氬氣氣氛下熔融處理時(shí)測(cè)得溫度約為1870°C，而在純氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行氮化時(shí)，溫度顯著升高至2200°C。這一差異對(duì)分析氣氛影響、控制激光能量輸入具有重要意義。

3.2 發(fā)射率校準(zhǔn)

由于紅外測(cè)溫值依賴設(shè)定的表面發(fā)射率，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)與熱電偶讀數(shù)對(duì)比，對(duì)每種表面狀態(tài)進(jìn)行發(fā)射率校準(zhǔn)。典型值如下：

此舉大大提高了測(cè)溫準(zhǔn)確性，為精確熱輸入控制提供數(shù)據(jù)支持。

3.3 吸收率估算

根據(jù)Kirchhoff定律，金屬在熱平衡狀態(tài)下的發(fā)射率等于其對(duì)相同波長(zhǎng)輻射的吸收率。由此可得，氮?dú)夥障氯鄢氐奈章蕿?.9–0.98，遠(yuǎn)高于氬氣下的0.6–0.65。這種差異可解釋為何氮化處理時(shí)熔深顯著增加，有助于激光參數(shù)優(yōu)化與理論建模。

4. 優(yōu)勢(shì)與技術(shù)意義

• ? 非接觸測(cè)溫：避免擾動(dòng)熔池，適合高溫高速環(huán)境

• ? 短波測(cè)量：匹配808 nm激光波長(zhǎng)，提高反射金屬表面測(cè)量準(zhǔn)確度

• ? 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：可捕捉熔池溫度快速變化過(guò)程，輔助激光功率調(diào)節(jié)

• ? 發(fā)射率可校準(zhǔn)：配合熱電偶實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫，為后續(xù)吸收率、熱傳導(dǎo)模型提供依據(jù)

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IMPAC IS 140紅外測(cè)溫儀在鈦合金激光表面處理中的應(yīng)用展示了其高溫測(cè)量的可靠性和多功能性。通過(guò)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)、發(fā)射率校準(zhǔn)與吸收率推算，該設(shè)備為實(shí)現(xiàn)激光工藝的精準(zhǔn)控制與材料性能提升提供了重要保障。在未來(lái)的工業(yè)應(yīng)用與基礎(chǔ)研究中，IS 140及其配套系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。