激光在不同的制造过程中被使用,并且近年来光谱变得越来越宽。无论是传感器技术中的VCSELs,用于焊接电池的蓝色和绿色激光器,增材制造中的强大光纤激光器,还是医疗技术中的量子级联激光器,激光技术目前正在给众多行业带来革命。但有一件事非常突出——即使在现代生产工厂,通过测量激光系统本身来使基于激光的工艺更加可持续的机会往往被忽视。

有许多新技术和仪器有助于提高以激光为基础的工艺的生产质量,同时简化文件和节约资源。如今,在增材制造中,在机器人单元极短的加载时间内或在密封的构造室中,甚至可以用周期时间中立、全自动的测量来表征整个光束焦散线。

风险悖论

多年来,人们一直坚信,激光本身是“免维护的”,因为作为一种工具,它永远不会“变钝”。即使是现在,仍有一些公司投资最先进的生产设备,但测量激光的机会太少,使用的测量技术也过时了。事实上,激光的加工过程随着时间的推移而改变。工业界的人们开始意识到检查聚焦激光束的重要性。除了对零部件质量的要求越来越高和许多公司面临的经济压力外,可持续性也成为一个至关重要的决定因素。但在这里,激光技术和环境意识应该携手并进。目标很简单:

  • 没有放弃;

  • 降低材料消耗;

  • 降低能源消耗;

  • 最小化的返工。

在设计过程时,有一件事必须牢记在心:激光的工作性能取决于它的光束传递。而且随着时间的推移,它的内置组件确实会磨损和变脏。这通常会导致焦点直径整体变大或焦点位置移位,这也会导致光束直径变大。在任何一种情况下,这都降低了处理级别的功率密度。如果不注意这些变化,将产生额外的成本-材料浪费在有缺陷的零件和/或时间和人力浪费在故障排除。为了补偿过程中的变化而不实际固定源,用户求助于降低处理速度和/或增加激光功率。两者都会导致能源和工艺气体的更高消耗。换句话说……现在没有人想要或者负担得起!

注重质量和单位成本

为了增加激光过程的可持续性,可以从几个不同的切入点开始。首先,最重要的是要知道光束聚焦的整体行为,以及激光功率和聚焦位置的任何变化将如何影响过程。这些调查通常在开发过程中进行。

图2。工业制造过程中焦点质量与单位成本的关系。

然而,一旦激光工艺投入使用,测量可以判断激光是否仍然在生产环境中工作,就像它在开发中一样。随着操作的继续,基本的维护工作包括检查光学镜片和保护窗-并在必要时更换它们。如果发生错误和拒绝,建议有一个明确的测量策略,定义如何快速恢复激光系统和再次操作。

以下步骤通常会产生良好的效果:

  1. 检查切割喷嘴的光束调整(如果相关)。
  2. 更换防护窗。
  3. 检查光束路径调整。
  4. 检查激光输出光束的功率和光束轮廓。

需要测量的中心参数是激光功率、聚焦直径、聚焦位置(x、y、z)、聚焦位移、光束轮廓和发散度、光束质量M2、光束参数产品BPP。然而,对于所有这些测量,使用哪种测量技术的问题不应该仅仅根据激光功率来决定;还必须知道激光功率密度。

激光功率密度定义为单位面积功率(瓦特/厘米)2)。聚焦直径的变化——例如,由于未正确冷却的透镜或脏的保护窗——会对激光束的功率密度产生直接影响,并可能产生多种后果:

  • 旅行速度可能不得不降低。

  • 在切割或焊接过程中,加工零件的质量可能会受到影响。

  • 生产时间和电力消耗会增加,处理过程中需要昂贵的气体。

  • 热影响区(HAZ)将更大,需要更多的后处理处理,如矫直,去毛刺,或抛光。在某些情况下,未被发现的产品质量损失可能会导致强度下降——一旦发现这种缺陷,可能会导致代价高昂的召回。

这些技术影响不可避免地对成本和可持续性造成重大损失。在处理点的光束质量偏差越大,消耗的能量和过程气体就越多。

高效的功率测量

即使有了这些明显的关联,批评人士经常声称,测量激光束太昂贵,仪器太脆弱。但是新技术是最适合工业应用的。

例如,MKS Instruments最近推出了一种新的功率计,它不仅适用于广泛的激光应用,而且非常小、紧凑和坚固。俄斐Ariel确定激光功率高达8千瓦基于一个快速测量的能量。即使在连续模式,功率水平高达500W可以测量。不同的波长范围- 440-550nm, 900-1100nm, 10.6 μm和2.94 μm可以用一个设备校准和测量。所包括的扩散器可以很容易地附加,因此仪器也可以在高功率密度下工作,比如当光束直径很小的时候。

考虑到使用激光测量的工业环境,系统设计需要稳健;防震、防尘、防溅;不需要水或空气冷却。这允许在封闭的施工室内进行测量,这通常是增材制造或机器人单元的需要。测量结果应该通过应用程序或电脑上的蓝牙可读,并直接显示在高分辨率显示器上。或者,它们可以存储在内部内存中,并通过USB-C接口传输。开发人员、操作人员和服务技术人员可以通过使用这种紧凑的仪器快速确定激光功率,从而对工艺质量有一个第一印象。

自动化过程

对于自动化激光生产系统的性能测量,也有紧凑和可靠的系统,无需水冷却即可运行。这种系统快速可靠地测量激光束,并通过适当的网络接口将数据传输到中央数据存储系统。这些系统包括一个标准的RS232接口。更现代的系统,如Ophir Helios Plus,也有Profinet或以太网/IP接口。使用热测量方法,这种设备可以在几秒钟内测定高达10kw或更多的激光功率。

即使在非常复杂的过程中,如焊接电池组或制造燃料电池,激光功率的主动测量可以既快速又精确。然而,应该注意的是,测量激光功率只提供了更复杂过程的第一个一瞥。

为了得出关于激光光束焦散线的可靠结论,需要一个基于摄像机的测量系统或非接触测量方法。图3(左)显示了一个基于摄像机的测量装置,为了通过确定的光束轮廓找到焦点位置,必须沿着z轴移动。因此,焦点位置的快速变化很难检测到。右边是一个非接触测量技术的原理图,它显示了整个光束的焦散度一次被记录下来。在这里,焦点位置的变化立即显示出来,并在空间和时间上解决。

图3。基于相机和基于光束的测量技术的原理图比较。

特别是在自动化生产领域,激光光束的非接触式测量具有广阔的发展前景。在敏感领域,如齿轮箱或电池组的制造,新产品将多种测量方法结合在一个单一的系统。例如,在Ophir BeamWatch集成系统中,可以使用非接触测量技术记录光束焦散;水冷式高功率激光测量头决定了激光功率;测量数据通过集成接口(Profinet、Ethernet/IP、CC-Link、GigE)传递到生产网络。不同的焊接头和参数也可以测试。通过以视频帧速率捕获光束,可以近乎实时地检测到焦点偏移,如图4所示。在这里,一个肮脏的保护性窗户是焦点转移的原因。

图4。Ophir BeamWatch集成仪器显示了由脏玻璃引起的焦点偏移(下图),而玻璃干净时的测量结果(上图)。

更大的可持续性

激光系统是各种复杂制造过程的中心。由于测量技术的创新,制造商和用户现在有广泛的选择主动测量激光束。可快速准确地记录和调整激光关键参数。这确保了工艺在最佳条件下运行,没有由于能源和材料的浪费而产生的额外成本,并且所生产的产品满足最高质量要求。因此,激光测量技术为可持续生产做出了重要贡献。

本文由Ophir (North Logan, UT)业务发展总监Christian Dini撰写。欲了解更多信息,请访问在这里


光子与成像技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号光子与成像技术杂志。

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