红外测温仪用于感应加热和激光加热淬火的非接触式温度测量

 

对于钢铁、铝、铜和用于现代机械、马达的各种合金等金属材料的质量要求在不断上升。材料的性能必须不断改进以满足工业用户切实而且不断增长的需要。加热后处理在提高金属材料的性能方面扮演了重要的角色。热处理使钢构件的抗磨损性能显著提高。这是大量常用配件的基本性能,例如圆柱形机器零件的支承面(回转轴、轮轴、轴承、连杆轴承)、或者特定几何形状的轴承(内外密封圈、圆盘式联轴器、凸轮盘、齿轮、行星齿轮、杠杆和阀门)。

在传统热处理炉中,工件被整个加热,这一过程相对较慢。而现代热处理技术只需要加热工件靠近表面的几毫米区域。因为工件的横断面不受影响并保持较低温度,所以工件本身的热胀冷缩比传统热处理方法中小的多。准确控制的能量被专门瞄准到工件上,因此可以更快、更均匀的加热材料,这一特点为该加热方法带来更大的优势。

高温计是在局域热处理的过程中进行快速、非接触式温度测量的理想选择。

高温计探测被测物体发出的红外辐射或者热能,并将其转换为与温度成正比的输出信号。

高温计必需满足特定的要求才能适用于前面所描述的测量任务:

  • 非常小的测量光斑直径,1-2 mm
  • 点成像系统以给出准确的测量位置
  • 紧凑的尺寸使高温计可以被安装在移动设备上
  • 极短的响应时间,仅仅几毫秒
  • 由于靠近大功率高频电磁场,电磁兼容性(EMC)是首要条件
  • 达到工业级强度的坚固外壳

KELLER HCW为准确热处理应用领域专门设计了一款红外测温仪。红外测温仪 CellaTemp PKL28(图1)基于光学传感器技术。这意味着该设备没有机械移动部件,因此没有磨损,也无需维护。

配有LED光斑照明系统的CellaTemp PQ 27/28高温计

 

图1:配有LED光斑照明系统的CellaTemp PKL28 红外测温仪

该设备和其他纯电子设备一样,使用寿命几乎是不受限制的。

得益于其紧凑的设计(Φ30 × 190 mm),CellaTemp PKL 红外测温仪可以被轻易的安装到狭窄的空间中,或者被安装到移动的机器部件上。镀有宽带增透膜的高精度镜头具有优异的聚焦特性。镜头由特殊选择的玻璃材料制成,并针对红外测温仪测量的光学波长范围进行修正。CellaTemp PKL 红外测温仪可以测量到最小Φ1.5 mm的目标光斑,因此该设备非常适合在局域选择性热处理工艺中进行测量。

红外测温仪的点成像系统结合连续照明的LED,可以给出测量光斑的准确尺寸。这一系统令用户可以始终保持对目标的准确对焦,并简化更换配件之后的红外测温仪对准。

相对于激光瞄准,LED目标光斑指示对人眼没有伤害。而且LED的使用寿命更长,并可以在高达65℃的环境温度中使用。

在感应淬火过程中(图2),通过控制感应场的强度和频率以及处理时间来控制加热工艺。

感应加热工艺

图2:感应加热工艺

配有独立光学探头的红外测温仪(图3)被用在可能存在极强的电磁场或者极高环境温度的场合。不受电磁场干扰的探头探测红外辐射,并将其通过光纤传送到安全放置在远处的电路部分。得益于探头紧凑的尺寸(Φ16×40 mm),CellaTemp PKL 红外测温仪是在难以进入的区域或者安装空间狭窄的生产线上进行测量的理想选择。

 

配有光学探头和光纤的高温计

图3:配有光学探头和光纤的红外测温仪

激光淬火是另一种对工件表面至深度2 mm以内区域进行选择性淬火的方法。这种方法尤其适用于难以接触的位置或者需要准确控制处理区域范围的时候。而且这一工艺可以将热量快速传递到金属表面。材料表面在大约0.1秒内就能达到熔点。因为这种工艺的高速度,需要准确控制激光的强度,才能使工件表面的特定区域达到所需温度,但是不会超出该区域。对于控制系统而言,重要的是借助高温计测量工件的温度作为该系统的输入参量。

由于激光会被金属表面反射并进入高温计的光路,普通高温计会受到激光加热的影响。因此,高温计需要有滤光片来过滤掉多余的辐射信号,该信号可能达到待测信号的109倍。

因为所用的激光二极管的波长与高温计的光谱带宽很接近,所以这一问题为测量带来挑战。

因为激光束和工件上相应的热处理区域的尺寸都非常小,所以高温计还必须具有测量非常小的目标的能力。由于激光表面处理是一种快速工艺,因此温度的测量和控制也必须很迅速。测温仪具有持续照明的点光源也十分重要,以便用户可以直观的控制测量光斑的正确位置。CellaTemp PKL28 单色红外测温仪是为激光淬火工艺中的温度测量而专门设计的。借助其超锐截止型滤光片、≤2 ms(t98)的极短响应时间、能标出测量光斑的准确位置和实际尺寸的LED点光源系统,该设备准确的应对了这一测量任务所提出的挑战。

CellaTemp PKL 28红外测温仪还被用于感应加热和激光加热焊接系统。这些焊接工艺被用于只能部分被加热工件以减小接头,以及单个产品或小批量生产的情况下。焊接温度必须被准确控制以获得高质量的焊点。

结论

成功的金属热处理工艺不仅需要优秀的热源,还需要高精度的温度监测系统。新的传感器技术结合价格合理的红外光学系统和滤光片,同时满足了市场上对于质量和价格的需要。无论单个部件及所用材料有多好。最终产品的质量将取决于每一步生产工艺。