文/John McCauley

美國第16任總統(tǒng)亞伯拉罕·林肯曾經(jīng)說過：“你可以一時欺騙所有人，也可以永遠欺騙一些人，但你不可能永遠欺騙所有人。”[1] 在監(jiān)測集成到系統(tǒng)中的激光器的性能時，情況也是如此。在工業(yè)生產(chǎn)中，可以在一段時間內(nèi)監(jiān)測整個系統(tǒng)，也可以在所有時間內(nèi)監(jiān)測部分系統(tǒng)，但不可能在所有時間內(nèi)監(jiān)測整個系統(tǒng)。在工業(yè)4.0時代，也就是智能制造時代，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)的進步正在幫助制造商更高效、更快速、更智能地進行工業(yè)生產(chǎn)。要正確應(yīng)用智能機器，就需要采集各種數(shù)據(jù)，并對其進行分析和篩選，以改進工藝流程。數(shù)據(jù)過少會阻礙流程改進，但與此同時，數(shù)據(jù)過多也可能適得其反。

激光加工系統(tǒng)都有其自身的一套運行特點及相關(guān)問題。關(guān)于激光器性能的數(shù)據(jù)太少，無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)過多，則會讓人不知所措、無從下手，其結(jié)果是適得其反。

何時測量激光性能指標(biāo)？

測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。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)定停機時間來測量的，通常是每季度、每半年或每年一次。在此期間，對激光器性能指標(biāo)進行測量，并與之前的測量結(jié)果進行比較，以分析激光器的運行趨勢。

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

第三和第四種方法正是本文所要討論的——In-process監(jiān)測和at-process監(jiān)測。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，必須對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)過程中，哪些激光指標(biāo)的測量是至關(guān)重要的。

激光如何加工材料？

按照高要求來說，無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。理解這一點最簡單的方法是通過激光功率密度。

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”，對連續(xù)（CW）激光器而言其值就是功率值；而對脈沖激光器而言，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，其功率密度為1.27× 103kW/cm2。

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

重要的激光性能指標(biāo)測量

激光光量的測量通常通過功率計來實現(xiàn)。功率計是一種傳感器，它能收集激光，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，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行分析。這一過程通常只需要幾秒鐘，但也會因所使用的技術(shù)而有所不同。這些測量對于數(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，因為數(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程中的應(yīng)用。

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

計算光束直徑時，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)用于加工過程時，激光光束參數(shù)的測量，應(yīng)該由具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的光束輪廓測量系統(tǒng)來完成。

除了光束直徑，在選擇激光器、開發(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，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，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為光束遠場發(fā)散角半角，w為光束束腰半徑）和 K 值（1/M2）也可以用來表示激光光束質(zhì)量。激光源的光束質(zhì)量和效率已經(jīng)有所進步，當(dāng)涉及到不同加工工藝時，不同的激光源各有優(yōu)勢。

對于用戶來說，了解激光在加工過程中的性能指標(biāo)的變化非常重要。測量激光功率、光束尺寸，及其隨時間變化的方式和原因，對于充分了解系統(tǒng)性能和保證更穩(wěn)定的長期性能至關(guān)重要。

In-process監(jiān)測與at-process監(jiān)測

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

與“in-process monitoring”相對應(yīng)的是“at-process monitoring”，即在加工間隙測量激光性能。這兩種監(jiān)測方法都各有其優(yōu)缺點（見圖 1）。

In-process監(jiān)測

In-process監(jiān)測或原位監(jiān)測（in situ monitoring），即在激光器運行和生產(chǎn)時測量激光器的部分性能。激光系統(tǒng)中設(shè)置一個專門的測試子系統(tǒng)，只測量部分激光的性能并對其進行實時分析。

In-process監(jiān)測優(yōu)點顯著。首先，由于子系統(tǒng)與整個系統(tǒng)集成在一起，因此兩者可以很容易地進行通信。有關(guān)激光性能的實時反饋是持續(xù)傳遞的，因此如果需要，可以對整個系統(tǒng)進行快速調(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)計的，而且通常比較簡單，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交互界面上。這些數(shù)據(jù)也可以被存儲、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，或減少廢品率。

In-process監(jiān)測的主要缺點是，這些子系統(tǒng)只能測量整個激光系統(tǒng)的一部分激光性能指標(biāo)。激光束在到達加工區(qū)域之前會被采集一部分樣本，并在加工過程中進行分析。遺憾的是，加工過程中出現(xiàn)的許多問題往往是在采集激光測量樣本之后，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程中發(fā)生退化或失效，用于激光測量的樣本可能會錯過退化或失效，從而向系統(tǒng)提供錯誤反饋。

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

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

At-process監(jiān)測

At-process監(jiān)測通常使用一套獨立的產(chǎn)品，在激光加工區(qū)進行測量，并對整個激光系統(tǒng)進行分析。這些監(jiān)測系統(tǒng)可以由單獨的測量激光功率、能量及光束質(zhì)量分析等產(chǎn)品組成，也可以由能同時測試這些參數(shù)的產(chǎn)品組成（見圖2）。這些檢測系統(tǒng)可以相互依賴，也可以相互獨立，既可以集成到整個系統(tǒng)中，也可以在加工間隙對系統(tǒng)進行定期維護。

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（in situ monitoring）類似，at-process監(jiān)測也有其優(yōu)缺點。at-process監(jiān)測的主要優(yōu)點是對系統(tǒng)內(nèi)的整個激光性能進行更完整的評估。采集 100% 的激光光束進行功率或能量測量，還可以分析聚焦光斑，為用戶提供激光在該時間點的性能的全面分析。這些數(shù)據(jù)可以在整個系統(tǒng)中保存、存儲或記錄，然后就可以訪問這些數(shù)據(jù)，進行趨勢分析，確保在故障發(fā)生后能夠進行系統(tǒng)復(fù)原，并維護到原有的系統(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)測最明顯的缺點是停產(chǎn)。由于測量是對整個激光進行的，因此必須將激光從生產(chǎn)中脫離出來進行測量。如果將激光測量系統(tǒng)集成到機器中，通常不會有太大影響，但時間就是金錢。然而，將激光測量系統(tǒng)集成到整個系統(tǒng)中雖然比較便利，但可能成本比較高，有時甚至被認為是不必要的。如果不集成到整個系統(tǒng)中，激光測量產(chǎn)品可以用作維護工具使用。但是，必須將激光從生產(chǎn)中脫離出來進行測量，并且當(dāng)維護人員不熟悉激工具的操作時，測量起來就會非常耗時，這就可能導(dǎo)致測量頻率達不到要求甚至根本就不會進行測量。

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)對焊接過程進行實時分析。這些系統(tǒng)對焊接過程實施 “進行/不進行”或 “通過/不通過”限制，讓用戶知道系統(tǒng)何時可能出現(xiàn)問題，以保證生產(chǎn)出更高質(zhì)量的產(chǎn)品，減少廢品率。

 確保激光器在整個使用周期內(nèi)性能穩(wěn)定，對于最大限度地提高和保持加工的一致性和效率、延長激光器的使用壽命以及提高系統(tǒng)的投資回報率至關(guān)重要。只有在工作現(xiàn)場對激光器的性能進行實地測量，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)的測量產(chǎn)品在不斷發(fā)展，越來越容易操作，且更加經(jīng)久耐用。通過測量激光的多個關(guān)鍵性能指標(biāo)，用戶會更加容易理解激光的工作原理，并能對激光進行長期的性能維護。