IMPAC IS 140紅外測溫儀在激光表面處理中的應用研究

摘要

隨著激光技術在金屬表面改性中的廣泛應用，如何實現(xiàn)高溫過程的精準溫度控制成為影響材料性能和加工質量的關鍵因素。IMPAC IS 140紅外測溫儀作為一種高精度、非接觸式溫度測量設備，在激光熔融與激光氣體氮化等表面處理過程中，展現(xiàn)出的測溫性能。本文結合鈦合金Ti6Al4V的高功率二極管激光（HPDDL）處理實驗，探討了IS 140測溫儀在實時溫度監(jiān)測、發(fā)射率校準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）過程中，熔池溫度直接影響微觀組織演化、化學反應動力學及最終表面性能。因此，溫度測量的準確性尤為關鍵。傳統(tǒng)接觸式熱電偶在高溫、高梯度環(huán)境下存在響應遲緩、易損壞等問題，而紅外測溫技術因其非接觸、快速、適應環(huán)境的特點，成為更優(yōu)選擇。

IMPAC IS 140紅外測溫儀是一款專為金屬高溫測量設計的紅外儀器，具有寬廣的測溫范圍（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反射、高熔點金屬材料的溫度監(jiān)測。

2. 實驗裝置與應用場景

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808 nm）對Ti6Al4V鈦合金樣品進行表面熔融與氮化處理。IS 140測溫儀用于實時監(jiān)測處理區(qū)域表面溫度，實驗裝置包括：

• 激光系統(tǒng)

• 運動平臺

• 氣體輸送系統(tǒng)（氬氣/氮氣）

• IMPAC IS 140紅外測溫儀

• W-Mo非標準熱電偶（用于校準）

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

3. 測溫儀具體應用功能分析

3.1 實時溫度測量

在激光照射過程中，IS 140實時記錄熔池表面溫度變化。例如，在氬氣氣氛下熔融處理時測得溫度約為1870°C，而在純氮氣環(huán)境下進行氮化時，溫度顯著升高至2200°C。這一差異對分析氣氛影響、控制激光能量輸入具有重要意義。

3.2 發(fā)射率校準

由于紅外測溫值依賴設定的表面發(fā)射率，實驗中通過與熱電偶讀數(shù)對比，對每種表面狀態(tài)進行發(fā)射率校準。典型值如下：

此舉大大提高了測溫準確性，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)射率等于其對相同波長輻射的吸收率。由此可得，氮氣氛下熔池的吸收率為0.9–0.98，遠高于氬氣下的0.6–0.65。這種差異可解釋為何氮化處理時熔深顯著增加，有助于激光參數(shù)優(yōu)化與理論建模。

4. 優(yōu)勢與技術意義

• ? 非接觸測溫：避免擾動熔池，適合高溫高速環(huán)境

• ? 短波測量：匹配808 nm激光波長，提高反射金屬表面測量準確度

• ? 動態(tài)響應快：可捕捉熔池溫度快速變化過程，輔助激光功率調節(jié)

• ? 發(fā)射率可校準：配合熱電偶實現(xiàn)高精度測溫，為后續(xù)吸收率、熱傳導模型提供依據(jù)

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IMPAC IS 140紅外測溫儀在鈦合金激光表面處理中的應用展示了其高溫測量的可靠性和多功能性。通過實時溫度監(jiān)測、發(fā)射率校準與吸收率推算，該設備為實現(xiàn)激光工藝的精準控制與材料性能提升提供了重要保障。在未來的工業(yè)應用與基礎研究中，IS 140及其配套系統(tǒng)將繼續(xù)發(fā)揮關鍵作用。