通过测量热影响区优化激光切割和雕刻

在线红外监控优化激光工艺，确保更好的切割和材料完整性

了解激光切割和激光雕刻中的热动力学

激光切割和雕刻是加工各种材料（包括金属、塑料和陶瓷）的高精度和高效方法。这些工艺利用集中光束（通常来自 CO₂ 或光纤激光器）通过熔化、燃烧或汽化材料来切割材料。

虽然激光切割具有许多优势（例如高精度、速度和生产复杂形状的能力），但它也带来了一些热挑战，这些挑战可能会影响操作的质量和效率。激光切割机可以产生极高的温度，根据材料的不同，温度范围可达 1000°C 以上，从而严重影响加工材料。

激光切割的主要问题之一是热影响区 (HAZ) 的形成。激光束产生的强烈热量会改变切割周围材料的微观结构，可能导致机械性能下降。研究表明，热影响区的大小和严重程度受各种切割参数的影响，包括激光功率、切割速度和使用的辅助气体类型。例如，高激光功率和低切割速度会扩大热影响区，导致材料变形更大，机械强度降低。

激光切割过程中的温度分布与切割的整体质量密切相关。温度分布不均匀会导致诸如熔渣形成、表面粗糙度增加和切口宽度变化等问题。此外，激光切割中的高温会导致热变形。快速加热和冷却循环会导致翘曲，尤其是在薄或高导热材料中，这会影响切割部件的尺寸精度并使装配过程复杂化。

激光切割机的热输出直接影响切割质量。过热会导致材料变形、熔化或烧焦，导致切割不精确或损坏。各种因素，例如激光功率、光放大、焦点大小、等离子体形成、分辨率要求、晶体特性，甚至惰性气体的使用，都会影响切割过程中的热输出。

监测激光过程的热指纹揭示了优化的新见解。

Optimizing Laser Cutting and Engraving by Measuring Heat Affected Zones with IR

In Situ Accurate Temperature Measurement of the Processed Material in Laser Applications

激光应用中加工材料的现场精确温度测量

发射率对于精确的温度测量至关重要，并且会根据材料特性、表面质量、温度、波长、测量角度和测量设置而变化。非金属表面通常在各个波长上具有一致的发射率，但发射的辐射比理想的黑体辐射器要少，因此将其归类为灰体。然而，金属表面的发射率会随温度和波长而变化，使其成为选择性辐射器。

为了精确测量金属温度，建议使用短波操作，因为金属在较短波长和较高温度下发射更多辐射，并且发射率更高。这减少了由于发射率变化而导致的潜在测量误差。然而，这必须与激光与材料的相互作用保持平衡，因为根据基尔霍夫定律，吸收等于发射率。陷波滤波器是必需的，以阻挡高功率激光并防止可能损坏红外摄像机的串扰。

在激光加工中使用热像仪进行非接触式温度测量时，热像仪必须承受激光及其反射的高能量密度。激光工艺通常使用波长为 1064 nm 的固态激光器或波长为 10.6 μm 的 CO₂ 激光器。即使是最小限度的激光反射也会对红外热像仪造成严重损坏。为了防止这种情况发生，可以采用两种策略：使用波长范围远离激光波长的热像仪或使用专用滤光片保护热像仪。例如，Optris 为 PI 1M 提供陷波滤光片，为 LT 热像仪提供长通滤光片，以应对这一挑战。

红外热像仪（如 PI 08M）可提供全面的工艺洞察，而不像单点高温计只能测量单点温度。红外热像仪的温度测量范围应与工艺温度一致，以确保准确记录热量分布。Optris PI 08M 的测量波长为 800 nm，开始记录 575°C 的温度，使其成为监测高温加工的金属和闪亮材料中的热量分布的理想选择。另一个选择是 PI 640i 红外热像仪，它采用带有二氧化碳滤光片的长波长光谱范围，使其能够从环境温度开始测量温度分布。