激光(guāng)束能量分(fēn)布分(fēn)析與監測

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鋼鐵、合金鋼和(hé)其它材料的(de)切割、焊接和(hé)打标，過去一直采用(yòng)接觸式加工技術。高(gāo)功率（平均功率1kW以上）CO2激光(guāng)器結構設計的(de)最新進展，節約了(le)這些激光(guāng)器的(de)購買和(hé)使用(yòng)成本。因此，高(gāo)功率CO2 激光(guāng)器在許多(duō)原來專門留給其它技術完成的(de)生産過程中獲得(de)了(le)認可(kě)。激光(guāng)焊接與切割提供非接觸式加工所具有的(de)優勢使之成爲可(kě)能，例如，激光(guāng)焊接可(kě)以采用(yòng)遙控焊接頭進行大(dà)面積處理(lǐ)。同接觸式加工相比，激光(guāng)加工在工件上産生的(de)熱影(yǐng)響區（HAZ）小得(de)多(duō)，這減少了(le)被加工材料的(de)尺寸問題，有助于精密零件制造。隻要光(guāng)束穩定并聚焦在工件上，激光(guāng)加工相對非激光(guāng)加工來說就有顯著的(de)成本優勢。 激光(guāng)加工過程首先是一個熱變化(huà)過程[1] ，激光(guāng)器發出的(de)能量聚焦于很小的(de)靶區，并将熱量傳遞給被加工的(de)材料，難怪許多(duō)加工過程高(gāo)度依賴于材料所能吸收的(de)能量。加工過程的(de)效率往往是輻照(zhào)度的(de)平方或立方的(de)函數[2] 。因而可(kě)以斷定，工件上的(de)焦斑總能量和(hé)能量空間分(fēn)布是加工過程的(de)成功關鍵，而且對激光(guāng)束空間能量分(fēn)布形狀的(de)變形是非常敏感的(de)。許多(duō)CO2激光(guāng)器不僅僅輸出單橫模光(guāng)束 [3] ，因此光(guāng)束模式的(de)質量非常重要。 在激光(guāng)焊接中，必須完全地保持零件之間的(de)間隙調整，這就需要把激光(guāng)束的(de)能量始終對準相同的(de)靶區而不發生焦斑漂移。如果進行高(gāo)速焊接，不良光(guāng)束結構可(kě)以引起焊縫不良的(de)問題。在激光(guāng)切割中，光(guāng)束的(de)質量和(hé)聚焦能力對切口本身的(de)質量非常關鍵。質量低劣的(de)光(guāng)束可(kě)以造成零件報廢或返修而增加成本。盡管有這些局限性，激光(guāng)加工依然具有許多(duō)優勢，足以成爲未來材料加工的(de)主流技術。 空間光(guāng)束能量分(fēn)布分(fēn)析是一種測量方法，它把構成光(guāng)束的(de)所有變量合成爲一目了(le)然的(de)圖象。這個方法适用(yòng)于一切激光(guāng)器，而不僅僅是CO2 激光(guāng)器[4]。CO2激光(guāng)器最常用(yòng)的(de)光(guāng)束能量分(fēn)布分(fēn)析方法是丙烯酸模式燒蝕法。這個方法把未聚焦的(de)光(guāng)束引向一個丙烯酸靶塊，光(guāng)束能量使丙烯酸材料氣化(huà)蒸發，而且焦斑輪廓與光(guāng)束本身的(de)空間能量分(fēn)布成正比。材料氣化(huà)形成的(de)輪廓描述了(le)激光(guāng)束在照(zhào)射丙烯酸靶塊過程中（一般持續若幹秒）的(de)空間能量分(fēn)布。 盡管這個方法已廣爲應用(yòng)，但是精度和(hé)重複精度在很大(dà)程度上依賴于操作者的(de)技巧，還在車間裏産生大(dà)量的(de)易燃有毒蒸氣，必須抽吸出去。而且，采用(yòng)這個方法無法測量激光(guāng)束在光(guāng)路上的(de)瞬時反應，例如可(kě)能掩蓋了(le)過程最開始時的(de)變化(huà)。總之，模式燒蝕法最多(duō)隻能算(suàn)是近似描述激光(guāng)光(guāng)束的(de)性能。 在過去10年中開發出了(le)一些效果各異的(de)半電子診斷法，其中大(dà)多(duō)數方法試圖對未聚焦的(de)光(guāng)束取樣，也(yě)就是将一小部分(fēn)有代表性的(de)光(guāng)束引向某種傳感器，以此獲得(de)主光(guāng)束的(de)空間能量分(fēn)布圖。就高(gāo)功率激光(guāng)應用(yòng)而論，取樣不是采用(yòng)細小空心管上的(de)微米級小孔，就是采用(yòng)細金屬絲末端的(de)小反射鏡，将一小部分(fēn)原始光(guāng)束引向一個熱電式單元素傳感器，然後由這個傳感器把吸收的(de)能量轉換爲比例電信号。 然而，爲了(le)對整個光(guāng)束取樣，小孔或放射鏡必須反複地通(tōng)過光(guāng)束，才能使整個光(guāng)束再現爲一個複合圖象。這樣生成的(de)圖象是對光(guāng)束進行分(fēn)時掃描的(de)累加結果。掃描時間2～10秒，因儀器而異。該方法避免了(le)有毒氣體，但是和(hé)丙烯酸模式燒蝕法一樣，也(yě)無法提供任何有關激光(guāng)束瞬時響應的(de)信息。可(kě)能存在的(de)一個缺點是：由于取樣器件穿過光(guāng)束，因此無法肯定地判斷這種測量方法本身是否影(yǐng)響光(guāng)束的(de)質量。 要使電子式光(guāng)束能量分(fēn)布測量系統比傳統方法優越，它必須能夠對光(guāng)束進行實時分(fēn)析，這樣，最終用(yòng)戶可(kě)以随時調諧或調整光(guāng)束而不必坐(zuò)等測量儀器作出響應。該系統必須非常牢靠，能在産生粉塵和(hé)煙氣的(de)生産環境下(xià)經受每天的(de)嚴峻考驗。該系統必須能夠迅速安裝就位，或者永久性地固定在光(guāng)路上，而且容易操作，即便是不熟練的(de)技工使用(yòng)，也(yě)能提供傳統方法提供不了(le)的(de)詳細的(de)量化(huà)信息。最後，該系統不能以任何形式幹擾主光(guāng)束，否則就會把一些假象引入分(fēn)析過程。 在一些應用(yòng)當中，即使周期性地評估激光(guāng)束模式質量還不足夠，如在醫療器械領域，模式質量的(de)驗證是成功生産醫療設備零件的(de)關鍵。此外還包括其它因不合格零件的(de)記錄而導緻時間損失和(hé)産量降低的(de)操作。 爲了(le)滿足市場日益對高(gāo)功率CO2激光(guāng)束在線監測儀的(de)需要，Spiricon 和(hé)II-VI 聯合開發了(le)強力型、易維護的(de)工業用(yòng)激光(guāng)束監測系統。該系統采用(yòng)現成的(de)光(guāng)學元件，并且可(kě)以通(tōng)過激光(guāng)系統信息采集卡安裝在新型激光(guāng)工作站上，或根據現有的(de)大(dà)多(duō)數工業激光(guāng)系統進行翻新改進。它爲最終用(yòng)戶提供詳細的(de)實時光(guāng)束圖象，并記錄重要的(de)激光(guāng)束參數。任何一個重要參數一旦達到預置極限時，系統便啓動警報信号，提醒操作員故障瀕臨，使操作員能夠采取合适的(de)行動。此外，該系統可(kě)以用(yòng)來診斷一般性激光(guāng)器故障，如輸出耦合器老化(huà)或激光(guāng)諧振腔發生偏離。利用(yòng)該系統的(de)診斷功能，技術人(rén)員可(kě)以在較短的(de)時間内恢複激光(guāng)器的(de)工作狀态，從而使激光(guāng)加工的(de)效益提高(gāo)。 與通(tōng)常可(kě)用(yòng)的(de)其它光(guāng)束分(fēn)析設備不同，這種嵌入系統對照(zhào)射過程來說是完全透明(míng)的(de)，因爲沒有任何中斷光(guāng)束的(de)主動器件，全部光(guāng)學元件是液冷(lěng)式被動反射鏡。機箱本身與主光(guāng)路采用(yòng)相同的(de)淨化(huà)氣體，而且該系統一旦安裝完畢，隻需跟其它光(guāng)學設備一樣地進行維護。由于儀器實時操作，所以很适合于在完成正常維護以後對激光(guāng)器進行調諧和(hé)調節或對實際加工事件進行診斷。 遙控激光(guāng)焊接是一種新型“使能”技術，它與縫焊不同的(de)是，必須把激光(guāng)束的(de)能量引向許多(duō)點，并通(tōng)過快(kuài)門的(de)開關進行焊接。對這樣的(de)焊縫來說，最關鍵的(de)兩個測量結果是光(guāng)束在焊接過程的(de)空間能量分(fēn)布和(hé)光(guāng)束傳播的(de)總能量。因此，新型過程監視系統最适合于這個用(yòng)途。如果對短時持續的(de)焊接數據進行分(fēn)析，光(guāng)束寬度和(hé)光(guāng)束輪廓均在焊接過程中略有變化(huà)（圖1）。 圖1：實時能量分(fēn)布顯示，在1/2秒焊接 過程中束寬增大(dà)10%，峰值能量減小10%。許多(duō)争論出自這樣的(de)理(lǐ)論：未聚焦光(guāng)束的(de)空間能量分(fēn)布被“複制”到焦斑上。盡管雙方争論了(le)許多(duō)年，迄今幾乎沒有任何例證支持任一方。在這個在線式系統的(de)鑒定過程中，采用(yòng)了(le)兩個不同的(de)儀器同時測量未聚焦光(guāng)束和(hé)焦斑。結果對照(zhào)清楚地說明(míng)，該激光(guāng)器的(de)未聚焦光(guāng)束和(hé)聚焦光(guāng)束的(de)空間能量分(fēn)布幾乎完全一緻。在鑒定過程中，還在光(guāng)路上安裝和(hé)卸除該儀器的(de)兩種情況下(xià)對焦點輪廓進行了(le)測量和(hé)比較，結果證實該系統不影(yǐng)響焦斑結構。圖2是兩個系統拍(pāi)攝的(de)圖象。 圖2：原始光(guāng)束的(de)熱點（HOT SPOT）同樣出現在焦斑周圍。争論一方主張：研究未聚焦光(guāng)束的(de)空間輪廓對焦斑的(de)空間能量分(fēn)布是毫無實用(yòng)價值的(de)；而另一方堅持：未聚焦光(guāng)束的(de)不良結構在聚焦後一定會再現出來。在本例中，未聚焦光(guāng)束一側有一個“熱點”，橫模結構是一個“炸面包圈”，即TEM 01橫模，因爲其能量分(fēn)布圖形看起來像一個典型的(de)炸面包圈。焦斑測量也(yě)顯示相同的(de)橫模結構，而且“熱點”同樣出現在焦斑上。在這種情況下(xià)，原始光(guāng)束的(de)空間能量分(fēn)布成了(le)焦斑能量分(fēn)布的(de)前兆。 随著(zhe)激光(guāng)器的(de)長久使用(yòng)，連續監測過程可(kě)以警告即将發生故障，須及時進行維修。利用(yòng)系統中的(de)連續監視器，可(kě)以在加工過程中跟蹤重要的(de)光(guāng)束參數。 光(guāng)束能量分(fēn)布給上述測量方法帶來了(le)經濟效益，由于生産率增加、廢品率降低和(hé)停機時間減少而節約成本。随著(zhe)加工過程變得(de)更加嚴格，激光(guāng)能量分(fēn)布和(hé)監測技術将會越來越有成本效益。 Larry Green 是Spiricon 公司 （猶他(tā)州洛根城(chéng)）工業産品銷售經理(lǐ) 參考文獻 ◆ 1. Engel, S., "Industrial Laser Processing: Validation with the Use of Beam Diagnostic Instruments," SPIE Workshop, January 2003. ◆ 2. Roundy, C., "Current Technology of Laser Beam Profile Measurements," ICALEO Short Course, September 2000. ◆ 3. Sasnett, M., "Beam Geometry Data Helps Maintain and Improve Laser Processes, Parts 1&2," Industrial Laser Review, August 1993 and May 1994. ◆ 4. Roundy, C., "So, Who Needs Beam Diagnostics?" Lasers & Optronics, April 1994. ◆ 5. Roundy, C., "Pyroelectric Arrays Make Beam Imaging Easy," Lasers & Applications, January 1982. ◆ 6. Green, L., "New Method for Beam Profiling High-Power CO2 Lasers with an IR Camera-Based System," ICALEO, October 2002.