根据焊接工艺选择 SWIR 和 NIR 红外热像仪

在当前市场环境下，面对琳琅满目的红外热像仪产品，为特定应用场景尤其是金属热加工工艺挑选合适的红外热像仪是一项颇具挑战性的任务。本文将深入探讨热像仪的各项特性及其在金属热加工，例如焊接及丝基金属增材制造等领域的表现。

近年来，近红外(NIR)与短波红外(SWIR)红外热像仪在各类工业应用中崭露头角，有力地挑战了传统中波(MWIR)和长波(LWIR)红外摄像机的地位，这得益于其宽泛的温度检测范围、高精准度以及相对较低的成本优势。

近红外和短波红外热像仪的另一显著优点在于，其在面临因发射率设置不准确导致的测量误差方面表现出色。在任何红外温度测量过程中，准确掌握被测热金属表面的发射率至关重要，然而发射率值会随着表面状态（如纹理、氧化程度等）及温度变化而变化。相较于中波和长波红外热像仪，近红外和短波红外热像仪受错误发射率值影响的程度要小上十倍，从而能够实现精准且无接触的温度测量，尤其适合在严苛环境下对金属加工应用进行有效监控。此外，近红外热像仪和短波红外热像仪的工作波长区间更为接近，其中，近红外热像仪的工作波长通常介于800至1000纳米之间，而短波红外热像仪的波长范围则在900至1700纳米之间，这一差异主要源于两者所使用的传感器类型——SWIR热像仪配备InGaAs传感器，而近红外热像仪则采用CMOS传感器。

近红外热像仪和短波红外热像仪均适用于焊接过程的温度监控。以Xiris公司的XIR-1800红外热像仪为例，这款SWIR热像仪凭借其卓越性能，已在包括钢管焊接至电弧增材制造(WAAM)在内的多种金属加工领域得到广泛应用，深受原始设备制造商、科研人员以及终端用户的青睐。

近红外热像仪在诸如金属铸造等特定热处理工艺中已彰显出其卓越效能，但在焊接及电弧增材制造（WAAM）等其他工艺中是否也能同样发挥高效功能呢？接下来，我们将对此展开细致剖析。

依据热像仪所采用的SWIR（短波红外）或NIR（近红外）波长范围，它们在对焊接过程中的关键因素捕捉上呈现出不同特点，具体表现在：

加热工件（如焊缝）自身的辐射强度；
针对电弧焊接工艺，电弧产生的辐射干扰程度。

首要的技术差异体现在对目标温度下限的测量能力上。

根据普朗克定律，加热物体依据其温度发出相应波段的红外辐射。对于钢、钛和镍合金等材料在其熔点附近，近红外和远红外光谱范围内的辐射强度相近。然而，随着温度逐渐下降，两种光谱在响应上的差距逐渐增大。SWIR红外热像仪具备探测低温的能力，可以轻松测量至350°C甚至在特定条件下达到250°C的低温区域。相比之下，近红外热像仪在保证图像清晰度的前提下，其典型的最低可测温度约为450°C，确保在较高温度区间的测量依然准确可靠。

因此，在选择适合焊接及WAAM工艺的红外热像仪时，必须考虑它们在不同温度范围内的敏感性和适应性，以及在复杂焊接环境中排除电弧干扰的能力，以确保在不同温度阶段都能进行有效的非接触温度测量与过程监控。

图 2. 短路模式下的 GMAW。近红外热像仪（左）和 SWIR 焊接热像仪（右）拍摄的热图像。这些图像几乎是同时拍摄的。请注意焊道末端温度灵敏度较低的根本区别。在近红外图像中，热数据在一个熔池长度后就消失了，而在 SWIR 热图像中，整个焊缝都清晰可见。

另一项至关重要的考量因素在于焊接电弧的影响。作为一种高强度光源，焊接电弧的能量输出之大，以至于即便采用先进的高动态范围（HDR）传感器，仍可能导致图像过曝和信息丢失。如下附图所示，确保相机能够捕捉到被监测区域从最冷至最热的所有温度变化，同时克服电弧造成的潜在饱和效应，是一项颇具挑战性的任务。通常情况下，采用近红外摄像机记录的焊接场景，由于电弧的亮度极高，往往会在图像中形成饱和区域，而且这一区域的大小随不同焊接工艺而变化。

相比之下，短波红外（SWIR）热像仪在应对电弧问题上表现更优：正如下图所示，SWIR成像系统较少遇到饱和现象，从而能够更加精准地记录细节。不仅如此，相较于近红外摄像机，SWIR摄像机能够在更低的温度阈值下实现有效测量。SWIR成像技术生成的图像清晰地凸显了焊接过程中至关重要的各种特征，例如熔池的前沿和后沿、填充焊丝的确切位置及其状态（包括液滴形态的形成），以及熔池与接缝相对位置关系等微细结构。而在近红外波段，由于电弧在此区间内极其明亮并造成穿透性干扰，这些关键特征可能会变得模糊不清甚至完全不可见。

图 4. FCAW-S（自保护药芯焊丝）。近红外（左）和短波红外（右）热图像。注意使用滚动快门拍摄的近红外图像中的饱和度。在使用全局快门拍摄的 SWIR 图像中，熔池和冷却焊道清晰可见/可测量。电弧几乎是透明的。

结论：

近红外和短波红外（SWIR）热像仪作为传统中波红外及部分低波长红外热像仪技术的创新替代方案，均能提供精确的多温度范围检测。然而，在实际应用中，尤其是焊接和增材制造领域如WAAM（Wire Arc Additive Manufacturing）中，选用何种红外热像仪则取决于具体的工艺需求。

当涉及对低温范围（如约500°C以下）细微特征进行高精度温度测量时，SWIR红外热像仪如Xiris XIR-1800系列就显得尤为出色，其能够在较低温条件下提供卓越的成像效果。

对于那些容易受到焊接电弧强烈光照导致图像饱和的问题，或是生产环境中存在大量烟雾和飞溅影响成像质量的情况，SWIR红外热像仪再次展示出其优越性，因其能在很大程度上减少此类干扰因素的影响，从而获取更为清晰稳定的观察画面。

另一方面，在一些特定场景下，近红外热像仪如Xiris XVC750虽然在热成像性能上可能不及SWIR热像仪在上述复杂条件下的适应能力，但仍可在一定程度上利用热辐射数据实现基本的温度成像，并通过优化对比度增强对关键过程区域的可视化监控。这意味着尽管近红外热像仪可能无法提供同等的低温度灵敏度或抗干扰性，但在满足一定应用要求的前提下，也能为用户提供有价值的过程监控信息。