激光淬火過程中 Lumasense Impac ISR 12 高溫計的關鍵作用

引言

激光淬火作為一種高效的表面強化工藝，在現代制造中扮演著重要角色。對于工程鋼材如 AISI 4140，通過激光快速加熱并自冷卻，能夠顯著提高表面硬度、耐磨性以及抗疲勞性能。然而，工藝過程中的多次熱循環可能引發復雜的相變動力學與殘余應力演變，其機理尚未明晰。因此，掌握在多循環激光淬火過程中的實時溫度變化，對于理解并優化材料性能至關重要。

實驗目的

本研究旨在探討多循環激光淬火（multi-pass laser hardening）對 AISI 4140 鋼的組織演變、硬度分布及表面殘余應力的影響。具體目標包括：

• 分析不同熱處理狀態下（如淬火回火態、正火鐵素體-珠光體態、退火鐵素體-珠光體態），多次激光掃描對材料相變行為的影響。

• 明確多次激光掃描是否存在累積效應，如何影響表面殘余應力及硬化層深度。

• 探索通過調整激光功率、掃描次數，實現對材料性能的定向調控。

為實現上述目標，實驗需要精確監控試樣表面的瞬時溫度分布及其動態變化。這正是高精度測溫儀器 Lumasense Impac ISR 12 在本研究中的核心作用。

Lumasense Impac ISR 12 的主要作用

Lumasense Impac ISR 12 是一款兩色高溫計（two-color pyrometer），基于不同波長紅外輻射比值原理，可在極短響應時間內測量高溫物體的表面溫度，且對發射率變化不敏感。這一特性對于激光加工尤其關鍵，因為工件表面在受熱后常伴隨熔化、粗糙化及氧化，導致表面發射率波動。

在本實驗中，Lumasense Impac ISR 12 主要承擔以下任務：

• 實時測量表面峰值溫度，為激光工藝參數的設定提供數據依據。

• 捕捉快速熱循環中的 加熱速率 和 冷卻速率，用于分析奧氏體化及馬氏體轉變動力學。

• 計算 保溫時間（soaking time），進一步推導奧氏體-珠光體相變的積分轉變時間（Ima），為研究相變過程提供量化指標。

實驗設置該高溫計對試樣中心直徑約 2 mm 區域進行測量，采樣頻率高達 500 Hz，使研究團隊能夠精準記錄 1 至 16 次激光掃描過程中，溫度的瞬時變化與熱累積效應。

實驗結合與意義

通過 Impac ISR 12 提供的高時效溫度數據，研究揭示了多循環激光淬火中：

• 表面峰值溫度隨循環次數的上升趨勢，以及因表面粗糙化導致的吸收率提高。

• 多次熱循環引起的相變動力學變化，如奧氏體晶粒粗化與馬氏體硬度變化。

• 累積熱效應如何影響殘余應力由壓應力向拉應力轉變的潛在機制。

這為實現 AISI 4140 鋼表面性能的定向設計與優化，提供了關鍵實驗支撐與理論依據。

結論

Lumasense Impac ISR 12 在本研究中不僅是溫度監測工具，更是解碼多循環激光淬火微觀相變與宏觀性能之間關系的關鍵橋梁。其高精度、快速響應與較低發射率依賴性，使實驗團隊能夠在極短時間尺度上捕捉到快速熱過程中的關鍵轉變信息，為今后激光表面處理工藝的精準控制與智能化奠定了堅實基礎。