Influence of Emissivity Calibration on Thermal History and Process–Property Relationships in Arc-Based Directed Energy Deposition
本研究表明，实施基于电弧的定向能量沉积原位发射率校准能显著提高温度测量精度，从而实现层间热历程与力学性能的精确关联，并揭示了由于层间时间过短导致的过度热积累会降低 ER70S-6 碳钢壁材的抗拉强度。
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通过逐层堆叠大型金属部件来构建零件的过程，已经改变了工程师对制造业的思考方式。这种被称为基于电弧的定向能量沉积技术，利用机械臂带动焊接火炬熔化金属丝，通过逐层沉积焊缝来形成坚固的结构。这是一种快速且廉价地制造中大型部件的强大方法，但它隐藏着一个风险：热量。随着每一层新材料的加入，下方的金属会保留来自前一次熔焊的热量。如果这些热量没有得到仔细管理，就会不断累积，从而改变金属冷却和凝固的方式。这种热历程决定了材料的内部结构，进而决定了最终部件是足够强壮以支撑一座桥梁，还是脆弱到在压力下发生失效。为了控制这一点，制造商需要知道金属在冷却过程中的精确温度。他们通常使用红外相机——这种相机将热量视为光进行观测——来实时监测整个过程。然而，这些相机依赖于一个称为“发射率”的设置——即表面辐射热量的能力——而在高温、粗糙的金属表面上，确定这个数值是非常棘手的。如果对这一设置的估算错误，温度读数可能会出现巨大偏差，导致关于如何构建部件的决策失误。
科英布拉大学与科英布拉理工学院的研究团队致力于解决这个“靠猜”的问题。他们想知道，对发射率的错误估算会在多大程度上扭曲金属热历程的图像，并最终如何影响对部件强度的理解。为了验证这一点，他们利用机器人焊接系统制造了三面完全相同的碳钢墙。随后，他们应用了三种不同的规则来决定每层之间等待的时间。其中两面墙采用了严格的温度限制：机器人会暂停并等待，直到金属冷却至摄氏 150 度或 250 度后再添加下一层。第三面墙则采用了严格的时间限制：无论金属实际温度如何，机器人在每层之间都会精确等待 30 秒。
研究人员使用红外相机观察这些墙体的生长过程，同时也在金属内部嵌入了微型温度传感器，以获取真实的“地面真值”。通过对比相机的观测结果与传感器的读数，他们发现金属的散热能力并非一个固定数值。相反，它会随着金属变热或变冷而发生变化。他们发现，使用单一且恒定的发射率估算值会导致巨大的测量误差，尤其是在金属非常热的时候。通过建立一个能根据当前温度调整设置的模型，他们将测量误差降低到了 4% 以下。这种校准使他们能够看清每面墙真实的热历程。
结果揭示了不同策略之间的显著差异。采用温度控制建造的两面墙呈现出稳定且可预测的冷却节奏。金属有足够的时间散发热量，从而形成了细密且均匀的内部结构。这些墙体的特定冷却时间（以从 800 度降至 500 度所需的时间衡量）约为 22 至 27 秒。相比之下，采用 30 秒定时器建造的墙体则遭受了严重的蓄热问题。由于机器人没有等待金属冷却，温度不断上升，最终稳定在灼热的 730 摄氏度。金属从未有过充分冷却的机会，研究人员甚至无法测量其上层结构的标准冷却时间，因为金属从未降至 500 度以下。
这种热历程的差异直接且可衡量地影响了金属的强度。两面通过温度控制建造的墙体表现得非常相似且强韧，其最大抗拉强度约为 515 兆帕，内部晶粒细小且排列紧密。然而，那面采用 30 秒定时器建造的墙体明显较弱，其最大强度仅为 470 兆帕。由于金属保持高温时间过长，其内部结构变得粗大且不均匀，形成了较大的晶粒。虽然这面较弱的墙具有稍好的延展性，但它缺乏其他墙体的稳固强度。研究得出结论，对于这种材料而言，30 秒定时器是一种糟糕的策略，因为它导致的质量损失是简单的基于时间的规则无法预防的。
或许最关键的发现在于“错误数据”的危险性。研究人员表明，如果工程师使用标准的、未经校准的发射率估算值，他们计算出的弱质墙体的热历程将会完全不同。他们可能会认为金属正在以正常速率冷却，而实际上它正处于危险的高温状态。这种误差会导致他们误以为金属性能正常，从而可能批准一个结构不稳固的部件投入使用。这项工作证明，为了使这种类型的制造工艺变得可靠，必须对红外相机进行精细校准，以适应不断变化的炽热金属。如果没有这种精确的校准，机器所看到的温度与部件所具备的强度之间的联系就会断裂，让工程师在构建结构安全时只能靠猜测。
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