了解激光切割和激光雕刻中的熱動(dòng)力學(xué)
激光切割和雕刻是加工各種材料（包括金屬、塑料和陶瓷）的高精度和高效方法。這些工藝?yán)眉泄馐ㄍǔ?lái)自 CO? 或光纖激光器）通過(guò)熔化、燃燒或汽化材料來(lái)切割材料。

雖然激光切割具有許多優(yōu)勢(shì)（例如高精度、速度和生產(chǎn)復(fù)雜形狀的能力），但它也帶來(lái)了一些熱挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)可能會(huì)影響操作的質(zhì)量和效率。激光切割機(jī)可以產(chǎn)生溫度，根據(jù)材料的不同，溫度范圍可達(dá) 1000°C 以上，從而嚴(yán)重影響加工材料。

激光切割的主要問(wèn)題之一是熱影響區(qū) (HAZ) 的形成。激光束產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱量會(huì)改變切割周?chē)牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)，可能導(dǎo)致機(jī)械性能下降。研究表明，熱影響區(qū)的大小和嚴(yán)重程度受各種切割參數(shù)的影響，包括激光功率、切割速度和使用的輔助氣體類(lèi)型。例如，高激光功率和低切割速度會(huì)擴(kuò)大熱影響區(qū)，導(dǎo)致材料變形更大，機(jī)械強(qiáng)度降低。

激光切割過(guò)程中的溫度分布與切割的整體質(zhì)量密切相關(guān)。溫度分布不均勻會(huì)導(dǎo)致諸如熔渣形成、表面粗糙度增加和切口寬度變化等問(wèn)題。此外，激光切割中的高溫會(huì)導(dǎo)致熱變形?？焖偌訜岷屠鋮s循環(huán)會(huì)導(dǎo)致翹曲，尤其是在薄或高導(dǎo)熱材料中，這會(huì)影響切割部件的尺寸精度并使裝配過(guò)程復(fù)雜化。

激光切割機(jī)的熱輸出直接影響切割質(zhì)量。過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致材料變形、熔化或燒焦，導(dǎo)致切割不精確或損壞。各種因素，例如激光功率、光放大、焦點(diǎn)大小、等離子體形成、分辨率要求、晶體特性，甚至惰性氣體的使用，都會(huì)影響切割過(guò)程中的熱輸出。

監(jiān)測(cè)激光過(guò)程的熱指紋揭示了優(yōu)化的新見(jiàn)解。



激光應(yīng)用中加工材料的現(xiàn)場(chǎng)精確溫度測(cè)量
發(fā)射率對(duì)于精確的溫度測(cè)量至關(guān)重要，并且會(huì)根據(jù)材料特性、表面質(zhì)量、溫度、波長(zhǎng)、測(cè)量角度和測(cè)量設(shè)置而變化。非金屬表面通常在各個(gè)波長(zhǎng)上具有一致的發(fā)射率，但發(fā)射的輻射比理想的黑體輻射器要少，因此將其歸類(lèi)為灰體。然而，金屬表面的發(fā)射率會(huì)隨溫度和波長(zhǎng)而變化，使其成為選擇性輻射器。

為了精確測(cè)量金屬溫度，建議使用短波操作，因?yàn)榻饘僭谳^短波長(zhǎng)和較高溫度下發(fā)射更多輻射，并且發(fā)射率更高。這減少了由于發(fā)射率變化而導(dǎo)致的潛在測(cè)量誤差。然而，這必須與激光與材料的相互作用保持平衡，因?yàn)楦鶕?jù)基爾霍夫定律，吸收等于發(fā)射率。陷波濾波器是必需的，以阻擋高功率激光并防止可能損壞紅外攝像機(jī)的串?dāng)_。

在激光加工中使用熱像儀進(jìn)行非接觸式溫度測(cè)量時(shí)，熱像儀必須承受激光及其反射的高能量密度。激光工藝通常使用波長(zhǎng)為 1064 nm 的固態(tài)激光器或波長(zhǎng)為 10.6 μm 的 CO? 激光器。即使是最小限度的激光反射也會(huì)對(duì)紅外熱像儀造成嚴(yán)重?fù)p壞。為了防止這種情況發(fā)生，可以采用兩種策略：使用波長(zhǎng)范圍遠(yuǎn)離激光波長(zhǎng)的熱像儀或使用專(zhuān)用濾光片保護(hù)熱像儀。例如，Optris 為 PI 1M 提供陷波濾光片，為 LT 熱像儀提供長(zhǎng)通濾光片，以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

紅外熱像儀（如 PI 08M）可提供全面的工藝洞察，而不像單點(diǎn)高溫計(jì)只能測(cè)量單點(diǎn)溫度。紅外熱像儀的溫度測(cè)量范圍應(yīng)與工藝溫度一致，以確保準(zhǔn)確記錄熱量分布。Optris PI 08M 的測(cè)量波長(zhǎng)為 800 nm，開(kāi)始記錄 575°C 的溫度，使其成為監(jiān)測(cè)高溫加工的金屬和閃亮材料中的熱量分布的理想選擇。另一個(gè)選擇是 PI 640i 紅外熱像儀，它采用帶有二氧化碳濾光片的長(zhǎng)波長(zhǎng)光譜范圍，使其能夠從環(huán)境溫度開(kāi)始測(cè)量溫度分布。

通過(guò)在激光應(yīng)用中集成紅外熱成像技術(shù)，通過(guò)熱管理實(shí)現(xiàn)品質(zhì)
利用紅外熱像儀進(jìn)行監(jiān)控可提供寶貴的熱數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于微調(diào)激光工藝，確保高質(zhì)量切割，同時(shí)最大限度地減少熱損傷。有效管理這些熱挑戰(zhàn)包括優(yōu)化激光功率、切割速度和焦點(diǎn)，以最大限度地減少對(duì)材料的熱影響。

使用紅外熱成像進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)控已被證明在評(píng)估和控制切割質(zhì)量方面非常有效。紅外熱成像在保持最佳條件方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，讓制造商有信心防止缺陷。連續(xù)監(jiān)測(cè)切割前端的溫度可以調(diào)整工藝參數(shù)，有助于保持最佳條件并最大限度地減少缺陷。高分辨率熱成像儀可以檢測(cè)到熱變形的早期跡象，從而及時(shí)糾正切割參數(shù)。

制造商可以通過(guò)將先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)與對(duì)熱動(dòng)力學(xué)的透徹理解相結(jié)合來(lái)克服這些挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)切割質(zhì)量并保持材料完整性。

Optris 提供專(zhuān)為激光應(yīng)用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用紅外熱像儀。PI 紅外熱像儀易于集成到各種系統(tǒng)中，支持模擬和數(shù)字輸出。在一些機(jī)器集成設(shè)置中，制造商將 PI 紅外熱像儀與 Linux 計(jì)算機(jī)一起使用，利用 SDK 開(kāi)發(fā)定制軟件，確保最佳過(guò)程控制和與其他系統(tǒng)的同步。