温度监控如何提高激光金属沉积的精度并减少缺陷

金属增材制造中使用激光安全红外成像解决方案进行温度监控

激光金属沉积具有更少的冶金缺陷、残余应力和变形

激光金属沉积 (LMD) 是一种先进的增材制造技术，用于从金属和金属陶瓷化合物中创建或修改复杂的 3D 几何形状。在此过程中，激光束在金属基材上产生熔融金属池，金属粉末通过喷嘴不断送入其中。这种方法也用于修复和涂层应用，具有显着的精度和材料灵活性优势。通常，使用 1064 nm 的固态激光器，有时使用 CO₂ 激光器 (10.6 μm)。

激光金属沉积 (LMD) 中的温度监测对于提高制造过程的质量和可靠性至关重要。通过实时密切跟踪热动力学，可以检测和缓解导致冶金缺陷（如孔隙度、裂纹和几何变形）的条件。这种监测还可以微调工艺参数，例如激光功率和扫描速度，这些参数直接影响熔池温度，从而影响最终产品的微观结构和机械性能。此外，温度监测有助于控制各种沉积策略对热扩散的影响，从而确保更一致的结果。它在评估和最小化残余应力和变形方面发挥着重要作用，尤其是通过调整停留时间和其他工艺策略。作为开发在线控制闭环系统的一部分，温度监测提供了必要的反馈，提高了工艺性能并减少了缺陷。此外，它还可以更好地理解热特性（例如冷却速率和热梯度）与部件机械性能之间的关系。通过及早发现沉积缺陷，热监测可确保部件的结构完整性，防止制造故障并优化整体生产质量。

Temperature Monitoring in Laser Metal Deposition

高能激光环境中带有陷波和长通滤光片的红外成像仪

用于非接触式温度测量的红外传感器必须承受激光及其反射的高能量密度。通常，LMD 工艺使用工作在 1064 nm 的固态激光器或工作在 10.6 μm 的 CO₂ 激光器。即使是最小的激光照射（例如反射）也会对红外热像仪造成严重损坏。为了防止这种情况，可以采用两种策略：使用在远离激光波长的波长范围内工作的热像仪或使用专用滤光片保护摄像机。Optris 为 PI 1M 提供陷波滤波器，为 LT 热像仪提供长通滤波器以应对这一挑战。

红外成像仪（如 PI 08M）提供全面的过程洞察，而单点测温仪只能测量单点的温度。热像仪的温度测量范围应与工艺温度一致，以实现最佳的热分布记录。例如，PI 05M 从 900°C 开始测量，如果温度低于此范围，这可能会将热分布数据限制在激光冲击区周围的一小块区域。这款红外热像仪最适合用于高温应用，可以捕捉到大量热量分布。 Optris PI 08M 提供均衡的解决方案，测量波长为 800 nm，起始温度为 575 °C，确保热量分布的最佳可见性。

带有集成激光阻挡滤光片的短波红外热像仪可精确测量金属温度

发射率在精确测量温度方面起着至关重要的作用，因为它会根据多种因素而变化，必须仔细调整以适应特定应用。从理论上讲，发射率受材料的特性、表面质量、温度、波长、测量角度和测量过程中使用的配置的影响。非金属表面通常在不同波长上具有一致的发射率，但发射的辐射量小于理想的黑体辐射器，因此将其归类为灰体。相反，金属表面的发射率随温度和波长而变化，被称为选择性辐射器。

为了精确测量金属的温度，通常建议在短波范围内操作。这是因为金属表面在较高温度和较短波长下表现出最高的辐射强度和发射率。此外，在这些较短的波长下，金属的发射率与金属氧化物的发射率更接近，从而最大限度地减少了由于发射率变化而导致温度测量误差的可能性。

然而，这种方法必须考虑激光与材料的相互作用，因为材料的吸收率等于其发射率，遵循基尔霍夫热辐射定律。尽管激光器的工作带宽比红外热像仪窄得多，但使用陷波滤波器对于阻挡高功率激光和防止可能损坏红外摄像机的串扰至关重要。

Optris 提供专为激光应用设计的专用红外热像仪。 PI 红外成像仪易于集成到各种系统中，支持模拟和数字输出。在一些机器集成设置中，制造商将 PI 红外热像仪与 Linux 计算机一起使用，利用 SDK 开发定制软件，确保最佳过程控制和与其他系统的同步。