文/John McCauley

美國(guó)第16任總統(tǒng)亞伯拉罕·林肯曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“你可以一時(shí)欺騙所有人，也可以永遠(yuǎn)欺騙一些人，但你不可能永遠(yuǎn)欺騙所有人。”[1] 在監(jiān)測(cè)集成到系統(tǒng)中的激光器的性能時(shí)，情況也是如此。在工業(yè)生產(chǎn)中，可以在一段時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)，也可以在所有時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)部分系統(tǒng)，但不可能在所有時(shí)間內(nèi)監(jiān)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)。在工業(yè)4.0時(shí)代，也就是智能制造時(shí)代，理解兩者的區(qū)別非常重要。

工業(yè) 4.0 正在改變各行各業(yè)的制造情況。技術(shù)的進(jìn)步正在幫助制造商更高效、更快速、更智能地進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。要正確應(yīng)用智能機(jī)器，就需要采集各種數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行分析和篩選，以改進(jìn)工藝流程。數(shù)據(jù)過(guò)少會(huì)阻礙流程改進(jìn)，但與此同時(shí)，數(shù)據(jù)過(guò)多也可能適得其反。

激光加工系統(tǒng)都有其自身的一套運(yùn)行特點(diǎn)及相關(guān)問(wèn)題。關(guān)于激光器性能的數(shù)據(jù)太少，無(wú)法幫助操作人員充分了解如何管理激光系統(tǒng)內(nèi)的變化。而如果數(shù)據(jù)過(guò)多，則會(huì)讓人不知所措、無(wú)從下手，其結(jié)果是適得其反。

何時(shí)測(cè)量激光性能指標(biāo)？

測(cè)量激光器性能有四種方法。第一種方法是大多數(shù)激光系統(tǒng)操作員所傾向的，即定期維護(hù)。在這種方法中，激光器的性能指標(biāo)是根據(jù)激光器的預(yù)定停機(jī)時(shí)間來(lái)測(cè)量的，通常是每季度、每半年或每年一次。在此期間，對(duì)激光器性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，并與之前的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，以分析激光器的運(yùn)行趨勢(shì)。

第二種方法是在工藝故障期間測(cè)量。例如，激光焊接時(shí)出現(xiàn)焊縫質(zhì)量下降，或者激光切割時(shí)出現(xiàn)切割失敗或不能進(jìn)行切割操作，此時(shí)可以測(cè)量激光器的性能，使激光系統(tǒng)恢復(fù)到設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)。

第三和第四種方法正是本文所要討論的——In-process監(jiān)測(cè)和at-process監(jiān)測(cè)。這兩種方法各有利弊，操作人員在掌握激光器最優(yōu)加工方式的同時(shí)，必須對(duì)這兩種方法的利弊了然于胸。此外，操作人員還必須了解，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，哪些激光指標(biāo)的測(cè)量是至關(guān)重要的。

激光如何加工材料？

按照高要求來(lái)說(shuō)，無(wú)論將激光用于哪種加工工藝，操作人員都必須了解激光是如何加工材料的。例如，要知道哪種類型的激光適用于焊接，甚至得明白激光如何焊接汽車門框。理解這一點(diǎn)最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)激光功率密度。

功率密度的定義是指輻照到單位面積材料上的激光功率。功率密度通常用W/cm2表示，其中“W”代表功率“瓦”，對(duì)連續(xù)（CW）激光器而言其值就是功率值；而對(duì)脈沖激光器而言，是其平均功率值。“cm2”代表工作平面上激光光斑的面積。例如，100 W激光聚焦到 100 mm的光斑尺寸時(shí)，其功率密度為1.27× 103kW/cm2。

激光的功率密度會(huì)受到施加到材料上的激光功率或光束大小變化的影響。激光操作員必須測(cè)量、分析和理解這兩個(gè)變量，以確保激光工藝的有效運(yùn)行。

重要的激光性能指標(biāo)測(cè)量

激光光量的測(cè)量通常通過(guò)功率計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。功率計(jì)是一種傳感器，它能收集激光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后推斷出光束產(chǎn)生的功率或能量，最終將讀數(shù)提供給儀表或電腦進(jìn)行分析。這一過(guò)程通常只需要幾秒鐘，但也會(huì)因所使用的技術(shù)而有所不同。這些測(cè)量對(duì)于數(shù)據(jù)收集和分析非常重要，尤其是在激光器的生產(chǎn)階段，因?yàn)閿?shù)據(jù)可以讓用戶理解激光器的性能是如何變化的，以及這些變化如何影響激光器在加工過(guò)程中的應(yīng)用。

此外，還必須測(cè)量激光光束的直徑。光束直徑的計(jì)算方法有多種，如D4σ法、13.5%峰值法和10/90刀口法，不同方法的計(jì)算結(jié)果相差比較大。不同行業(yè)、不同背景和不同經(jīng)驗(yàn)的人，根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)景采用相應(yīng)的計(jì)算方法。

計(jì)算光束直徑時(shí)，必須考慮光束的圓度或橢圓度值。必須理解光束的形狀以及能量在光束剖面上的分布情況，是高斯光束還是平頂光束？當(dāng)試圖理解激光是如何應(yīng)用于加工過(guò)程時(shí)，激光光束參數(shù)的測(cè)量，應(yīng)該由具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的光束輪廓測(cè)量系統(tǒng)來(lái)完成。

除了光束直徑，在選擇激光器、開(kāi)發(fā)激光應(yīng)用程序，以及將激光光源集成或調(diào)試到系統(tǒng)中時(shí)，還必須考慮光束質(zhì)量。在大多數(shù)情況下，激光器一旦投入生產(chǎn)，一般就不再分析其光束質(zhì)量，因此在激光器出廠前完成光束質(zhì)量分析非常重要。

光束質(zhì)量可以用 M2 值表示，M2值為1.0時(shí)，表示激光光束質(zhì)量最優(yōu)。光束參數(shù)乘積（BPP=θ×w，其中θ為光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角半角，w為光束束腰半徑）和 K 值（1/M2）也可以用來(lái)表示激光光束質(zhì)量。激光源的光束質(zhì)量和效率已經(jīng)有所進(jìn)步，當(dāng)涉及到不同加工工藝時(shí)，不同的激光源各有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，了解激光在加工過(guò)程中的性能指標(biāo)的變化非常重要。測(cè)量激光功率、光束尺寸，及其隨時(shí)間變化的方式和原因，對(duì)于充分了解系統(tǒng)性能和保證更穩(wěn)定的長(zhǎng)期性能至關(guān)重要。

In-process監(jiān)測(cè)與at-process監(jiān)測(cè)

如今，需要盡可能接近實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)輸入。這需要一種通常被稱為“加工過(guò)程中監(jiān)測(cè)”（in-process monitoring）的技術(shù)，該技術(shù)涉及在激光加工過(guò)程中監(jiān)測(cè)激光性能測(cè)量值。在增材制造領(lǐng)域，這種技術(shù)被稱為“原位監(jiān)測(cè)”。

與“in-process monitoring”相對(duì)應(yīng)的是“at-process monitoring”，即在加工間隙測(cè)量激光性能。這兩種監(jiān)測(cè)方法都各有其優(yōu)缺點(diǎn)（見(jiàn)圖 1）。

In-process監(jiān)測(cè)

In-process監(jiān)測(cè)或原位監(jiān)測(cè)（in situ monitoring），即在激光器運(yùn)行和生產(chǎn)時(shí)測(cè)量激光器的部分性能。激光系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)專門的測(cè)試子系統(tǒng)，只測(cè)量部分激光的性能并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

In-process監(jiān)測(cè)優(yōu)點(diǎn)顯著。首先，由于子系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)集成在一起，因此兩者可以很容易地進(jìn)行通信。有關(guān)激光性能的實(shí)時(shí)反饋是持續(xù)傳遞的，因此如果需要，可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行快速調(diào)整。其次，這些子系統(tǒng)通常是專門為其所集成的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，而且通常比較簡(jiǎn)單，只提供客戶所需的反饋。它們收集的信息，可以很容易地呈現(xiàn)在激光操作員所看到的人機(jī)交互界面上。這些數(shù)據(jù)也可以被存儲(chǔ)、分析，并根據(jù)分析結(jié)果發(fā)出能不能操作的警示，以確保系統(tǒng)和用戶的安全，或減少?gòu)U品率。

In-process監(jiān)測(cè)的主要缺點(diǎn)是，這些子系統(tǒng)只能測(cè)量整個(gè)激光系統(tǒng)的一部分激光性能指標(biāo)。激光束在到達(dá)加工區(qū)域之前會(huì)被采集一部分樣本，并在加工過(guò)程中進(jìn)行分析。遺憾的是，加工過(guò)程中出現(xiàn)的許多問(wèn)題往往是在采集激光測(cè)量樣本之后，由靠近加工區(qū)域元器件的功能退化引起的。如果系統(tǒng)中的元器件在加工過(guò)程中發(fā)生退化或失效，用于激光測(cè)量的樣本可能會(huì)錯(cuò)過(guò)退化或失效，從而向系統(tǒng)提供錯(cuò)誤反饋。

In-process監(jiān)測(cè)的另一個(gè)缺點(diǎn)是難以校準(zhǔn)激光測(cè)量組件。由于子系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)集成在一起，因此通常很難或不能拆下組件進(jìn)行重新校準(zhǔn)。而功率測(cè)量組件必須經(jīng)常校準(zhǔn)（Ophir 建議每 12 個(gè)月校準(zhǔn)一次），以確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。

此類測(cè)量子系統(tǒng)還會(huì)向激光系統(tǒng)提供其他感知反饋，以顯示激光器的性能，而不依賴于對(duì)激光性能的實(shí)際測(cè)量。例如，在靠近加工區(qū)域用以保護(hù)激光元器件的蓋板玻璃上安裝一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)器，當(dāng)蓋板玻璃上的加工碎屑過(guò)多，碎屑吸收激光能量導(dǎo)致溫度升高時(shí)，該溫度監(jiān)測(cè)器就會(huì)提醒激光用戶，為系統(tǒng)和用戶提供有價(jià)值的信息。

At-process監(jiān)測(cè)

At-process監(jiān)測(cè)通常使用一套獨(dú)立的產(chǎn)品，在激光加工區(qū)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)整個(gè)激光系統(tǒng)進(jìn)行分析。這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以由單獨(dú)的測(cè)量激光功率、能量及光束質(zhì)量分析等產(chǎn)品組成，也可以由能同時(shí)測(cè)試這些參數(shù)的產(chǎn)品組成（見(jiàn)圖2）。這些檢測(cè)系統(tǒng)可以相互依賴，也可以相互獨(dú)立，既可以集成到整個(gè)系統(tǒng)中，也可以在加工間隙對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)。

圖 2：MKS Ophir最新的綜合性工業(yè)光束輪廓分析系統(tǒng)BeamPeek。

與原位監(jiān)測(cè)（in situ monitoring）類似，at-process監(jiān)測(cè)也有其優(yōu)缺點(diǎn)。at-process監(jiān)測(cè)的主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的整個(gè)激光性能進(jìn)行更完整的評(píng)估。采集 100% 的激光光束進(jìn)行功率或能量測(cè)量，還可以分析聚焦光斑，為用戶提供激光在該時(shí)間點(diǎn)的性能的全面分析。這些數(shù)據(jù)可以在整個(gè)系統(tǒng)中保存、存儲(chǔ)或記錄，然后就可以訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，進(jìn)行趨勢(shì)分析，確保在故障發(fā)生后能夠進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)原，并維護(hù)到原有的系統(tǒng)效率。使用這種方法收集數(shù)據(jù)，最終可以讓用戶全面了解激光的使用情況，但這需要一些成本。

at-process監(jiān)測(cè)最明顯的缺點(diǎn)是停產(chǎn)。由于測(cè)量是對(duì)整個(gè)激光進(jìn)行的，因此必須將激光從生產(chǎn)中脫離出來(lái)進(jìn)行測(cè)量。如果將激光測(cè)量系統(tǒng)集成到機(jī)器中，通常不會(huì)有太大影響，但時(shí)間就是金錢。然而，將激光測(cè)量系統(tǒng)集成到整個(gè)系統(tǒng)中雖然比較便利，但可能成本比較高，有時(shí)甚至被認(rèn)為是不必要的。如果不集成到整個(gè)系統(tǒng)中，激光測(cè)量產(chǎn)品可以用作維護(hù)工具使用。但是，必須將激光從生產(chǎn)中脫離出來(lái)進(jìn)行測(cè)量，并且當(dāng)維護(hù)人員不熟悉激工具的操作時(shí)，測(cè)量起來(lái)就會(huì)非常耗時(shí)，這就可能導(dǎo)致測(cè)量頻率達(dá)不到要求甚至根本就不會(huì)進(jìn)行測(cè)量。

除此以外，還有其他一些產(chǎn)品可以為用戶提供有關(guān)加工過(guò)程的信息。例如，有幾家公司提供的產(chǎn)品可以利用多種技術(shù)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。這些系統(tǒng)對(duì)焊接過(guò)程實(shí)施 “進(jìn)行/不進(jìn)行”或 “通過(guò)/不通過(guò)”限制，讓用戶知道系統(tǒng)何時(shí)可能出現(xiàn)問(wèn)題，以保證生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品，減少?gòu)U品率。

 確保激光器在整個(gè)使用周期內(nèi)性能穩(wěn)定，對(duì)于最大限度地提高和保持加工的一致性和效率、延長(zhǎng)激光器的使用壽命以及提高系統(tǒng)的投資回報(bào)率至關(guān)重要。只有在工作現(xiàn)場(chǎng)對(duì)激光器的性能進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，用戶才能確切地知道激光器的工作狀態(tài)。

in-process和at-process這兩種測(cè)量方法各有利弊，但這兩種方法都可以提供重要的激光加工信息。激光性能指標(biāo)的測(cè)量產(chǎn)品在不斷發(fā)展，越來(lái)越容易操作，且更加經(jīng)久耐用。通過(guò)測(cè)量激光的多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，用戶會(huì)更加容易理解激光的工作原理，并能對(duì)激光進(jìn)行長(zhǎng)期的性能維護(hù)。