激光加工中激光束能量分布分析與監(jiān)測

鋼鐵、合金鋼和其它材料的切割、焊接和打標，過去一直采用接觸式加工技術。高功率（平均功率1kW以上）CO2激光器結(jié)構(gòu)設計的最新進展，節(jié)約了這些激光器的購買和使用成本。因此，高功率CO2 激光器在許多原來專門留給其它技術完成的生產(chǎn)過程中獲得了認可。激光焊接與切割提供非接觸式加工所具有的優(yōu)勢使之成為可能，例如，激光焊接可以采用遙控焊接頭進行大面積處理。同接觸式加工相比，激光加工在工件上產(chǎn)生的熱影響區(qū)（HAZ）小得多，這減少了被加工材料的尺寸問題，有助于精密零件制造。只要光束穩(wěn)定并聚焦在工件上，激光加工相對非激光加工來說就有顯著的成本優(yōu)勢。

激光加工過程首先是一個熱變化過程，激光器發(fā)出的能量聚焦于很小的靶區(qū)，并將熱量傳遞給被加工的材料，難怪許多加工過程高度依賴于材料所能吸收的能量。加工過程的效率往往是輻照度的平方或立方的函數(shù)。因而可以斷定，工件上的焦斑總能量和能量空間分布是加工過程的成功關鍵，而且對激光束空間能量分布形狀的變形是非常敏感的。許多CO2激光器不僅僅輸出單橫模光束，因此光束模式的質(zhì)量非常重要。

在激光焊接中，必須完全地保持零件之間的間隙調(diào)整，這就需要把激光束的能量始終對準相同的靶區(qū)而不發(fā)生焦斑漂移。如果進行高速焊接，不良光束結(jié)構(gòu)可以引起焊縫不良的問題。在激光切割中，光束的質(zhì)量和聚焦能力對切口本身的質(zhì)量非常關鍵。質(zhì)量低劣的光束可以造成零件報廢或返修而增加成本。盡管有這些局限性，激光加工依然具有許多優(yōu)勢，足以成為未來材料加工的主流技術。

空間光束能量分布分析是一種測量方法，它把構(gòu)成光束的所有變量合成為一目了然的圖象。這個方法適用于一切激光器，而不僅僅是CO2 激光器。CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式燒蝕法。這個方法把未聚焦的光束引向一個丙烯酸靶塊，光束能量使丙烯酸材料氣化蒸發(fā)，而且焦斑輪廓與光束本身的空間能量分布成正比。材料氣化形成的輪廓描述了激光束在照射丙烯酸靶塊過程中（一般持續(xù)若干秒）的空間能量分布。

盡管這個方法已廣為應用，但是精度和重復精度在很大程度上依賴于操作者的技巧，還在車間里產(chǎn)生大量的易燃有毒蒸氣，必須抽吸出去。而且，采用這個方法無法測量激光束在光路上的瞬時反應，例如可能掩蓋了過程最開始時的變化?？傊?，模式燒蝕法最多只能算是近似描述激光光束的性能。

在過去10年中開發(fā)出了一些效果各異的半電子診斷法，其中大多數(shù)方法試圖對未聚焦的光束取樣，也就是將一小部分有代表性的光束引向某種傳感器，以此獲得主光束的空間能量分布圖。就高功率激光應用而論，取樣不是采用細小空心管上的微米級小孔，就是采用細金屬絲末端的小反射鏡，將一小部分原始光束引向一個熱電式單元素傳感器，然后由這個傳感器把吸收的能量轉(zhuǎn)換為比例電信號。

然而，為了對整個光束取樣，小孔或放射鏡必須反復地通過光束，才能使整個光束再現(xiàn)為一個復合圖象。這樣生成的圖象是對光束進行分時掃描的累加結(jié)果。掃描時間2～10秒，因儀器而異。該方法避免了有毒氣體，但是和丙烯酸模式燒蝕法一樣，也無法提供任何有關激光束瞬時響應的信息。可能存在的一個缺點是：由于取樣器件穿過光束，因此無法肯定地判斷這種測量方法本身是否影響光束的質(zhì)量。

要使電子式光束能量分布測量系統(tǒng)比傳統(tǒng)方法優(yōu)越，它必須能夠?qū)馐M行實時分析，這樣，最終用戶可以隨時調(diào)諧或調(diào)整光束而不必坐等測量儀器作出響應。該系統(tǒng)必須非常牢靠，能在產(chǎn)生粉塵和煙氣的生產(chǎn)環(huán)境下經(jīng)受每天的嚴峻考驗。該系統(tǒng)必須能夠迅速安裝就位，或者永久性地固定在光路上，而且容易操作，即便是不熟練的技工使用，也能提供傳統(tǒng)方法提供不了的詳細的量化信息。最后，該系統(tǒng)不能以任何形式干擾主光束，否則就會把一些假象引入分析過程。

在一些應用當中，即使周期性地評估激光束模式質(zhì)量還不足夠，如在醫(yī)療器械領域，模式質(zhì)量的驗證是成功生產(chǎn)醫(yī)療設備零件的關鍵。此外還包括其它因不合格零件的記錄而導致時間損失和產(chǎn)量降低的操作。

為了滿足市場日益對高功率CO2激光束在線監(jiān)測儀的需要，Spiricon 和II-VI 聯(lián)合開發(fā)了強力型、易維護的工業(yè)用激光束監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用現(xiàn)成的光學元件，并且可以通過激光系統(tǒng)信息采集卡安裝在新型激光工作站上，或根據(jù)現(xiàn)有的大多數(shù)工業(yè)激光系統(tǒng)進行翻新改進。它為最終用戶提供詳細的實時光束圖象，并記錄重要的激光束參數(shù)。任何一個重要參數(shù)一旦達到預置極限時，系統(tǒng)便啟動警報信號，提醒操作員故障瀕臨，使操作員能夠采取合適的行動。此外，該系統(tǒng)可以用來診斷一般性激光器故障，如輸出耦合器老化或激光諧振腔發(fā)生偏離。利用該系統(tǒng)的診斷功能，技術人員可以在較短的時間內(nèi)恢復激光器的工作狀態(tài)，從而使激光加工的效益提高。

與通?？捎玫钠渌馐治鲈O備不同，這種嵌入系統(tǒng)對照射過程來說是完全透明的，因為沒有任何中斷光束的主動器件，全部光學元件是液冷式被動反射鏡。機箱本身與主光路采用相同的凈化氣體，而且該系統(tǒng)一旦安裝完畢，只需跟其它光學設備一樣地進行維護。由于儀器實時操作，所以很適合于在完成正常維護以后對激光器進行調(diào)諧和調(diào)節(jié)或?qū)嶋H加工事件進行診斷。

遙控激光焊接是一種新型“使能”技術，它與縫焊不同的是，必須把激光束的能量引向許多點，并通過快門的開關進行焊接。對這樣的焊縫來說，最關鍵的兩個測量結(jié)果是光束在焊接過程的空間能量分布和光束傳播的總能量。因此，新型過程監(jiān)視系統(tǒng)最適合于這個用途。如果對短時持續(xù)的焊接數(shù)據(jù)進行分析，光束寬度和光束輪廓均在焊接過程中略有變化。

許多爭論出自這樣的理論：未聚焦光束的空間能量分布被“復制”到焦斑上。盡管雙方爭論了許多年，迄今幾乎沒有任何例證支持任一方。在這個在線式系統(tǒng)的鑒定過程中，采用了兩個不同的儀器同時測量未聚焦光束和焦斑。結(jié)果對照清楚地說明，該激光器的未聚焦光束和聚焦光束的空間能量分布幾乎完全一致。在鑒定過程中，還在光路上安裝和卸除該儀器的兩種情況下對焦點輪廓進行了測量和比較，結(jié)果證實該系統(tǒng)不影響焦斑結(jié)構(gòu)。

爭論一方主張：研究未聚焦光束的空間輪廓對焦斑的空間能量分布是毫無實用價值的；而另一方堅持：未聚焦光束的不良結(jié)構(gòu)在聚焦后一定會再現(xiàn)出來。在本例中，未聚焦光束一側(cè)有一個“熱點”，橫模結(jié)構(gòu)是一個“炸面包圈”，即TEM 01橫模，因為其能量分布圖形看起來像一個典型的炸面包圈。焦斑測量也顯示相同的橫模結(jié)構(gòu)，而且“熱點”同樣出現(xiàn)在焦斑上。在這種情況下，原始光束的空間能量分布成了焦斑能量分布的前兆。

隨著激光器的長久使用，連續(xù)監(jiān)測過程可以警告即將發(fā)生故障，須及時進行維修。利用系統(tǒng)中的連續(xù)監(jiān)視器，可以在加工過程中跟蹤重要的光束參數(shù)。

光束能量分布給上述測量方法帶來了經(jīng)濟效益，由于生產(chǎn)率增加、廢品率降低和停機時間減少而節(jié)約成本。隨著加工過程變得更加嚴格，激光能量分布和監(jiān)測技術將會越來越有成本效益。(end)