紅外熱成像技術(shù)在激光金屬沉積(LMD)過程中的監(jiān)測(cè)與缺陷控制
激光金屬沉積(Laser Metal Deposition, LMD)作為高精度的增材制造工藝,需維持嚴(yán)格的熱控制,以避免氣孔、裂紋與形變等冶金缺陷的產(chǎn)生。然而,LMD過程中存在高度非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)與復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),同時(shí)激光本身產(chǎn)生的強(qiáng)反射干擾了傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)手段。這使得在線缺陷檢測(cè)與過程調(diào)控尤為困難。
紅外熱成像技術(shù),特別是短波紅外相機(jī)結(jié)合激光濾波器的應(yīng)用,能夠在LMD過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、非接觸式的溫度監(jiān)測(cè)。相比傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)溫(如雙波長(zhǎng)高精度紅外計(jì)),熱成像相機(jī)可提供面狀溫度分布信息,極大提升了缺陷檢測(cè)的空間分辨率與靈敏度。例如,使用的IMPAC IGA 320/23-LO單色高溫計(jì)/IMPAC IGAR 12-LO two-color pyrometer(IMP)能在150–1200?°C范圍內(nèi)準(zhǔn)確探測(cè)熱變化,定位并跟蹤微裂紋。
早期檢測(cè)缺陷:溫度曲線波峰與裂紋位置精準(zhǔn)對(duì)應(yīng),能在制造過程中實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)宏/微裂紋,防止缺陷擴(kuò)展;
優(yōu)化過程參數(shù):根據(jù)溫度反饋精細(xì)調(diào)控激光功率、掃描速度等參數(shù),改善熔池結(jié)構(gòu);
降低殘余應(yīng)力與形變:通過動(dòng)態(tài)熱調(diào)節(jié)與溫控反饋系統(tǒng),減少層間熱不均造成的內(nèi)應(yīng)力;
提升制件結(jié)構(gòu)可靠性:實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線質(zhì)量控制,避免后期返工與報(bào)廢;
兼容復(fù)雜幾何與反光金屬表面:短波紅外相機(jī)(如mikron MCS640)結(jié)合帶阻/長(zhǎng)通濾光片,有效屏蔽1064nm或10.6μm激光干擾,確保在鏡面金屬表面下的精準(zhǔn)測(cè)溫。
在對(duì)316L不銹鋼LMD樣品的實(shí)驗(yàn)中,通過設(shè)定不同深度與寬度的裂紋,研究發(fā)現(xiàn)裂紋深度與溫度峰值正相關(guān),而寬度則呈非線性變化趨勢(shì)。IMP在掃描時(shí)準(zhǔn)確輸出四處裂紋位置的熱波峰值,其位置與裂紋分布完全一致,驗(yàn)證了基于溫度變化的缺陷檢測(cè)方法的可行性與穩(wěn)定性。
此外,實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)掃描速度(1.0、5.0、10.0 mm/s)進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)缺陷響應(yīng)的魯棒性,溫度波動(dòng)趨勢(shì)在不同速度下保持一致,為工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
紅外熱成像結(jié)合高能激光濾波器為L(zhǎng)MD過程提供了高效、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)的缺陷檢測(cè)與工藝控制方案。相比傳統(tǒng)無損檢測(cè)手段(X射線、磁粉、AE),紅外系統(tǒng)具備無輻射、高響應(yīng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出優(yōu)勢(shì),尤其適合于LMD這種熱源動(dòng)態(tài)變化劇烈的復(fù)雜場(chǎng)景。