介紹六個(gè)需要注意的工業(yè)級(jí)激光系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的誤區(qū)

激光加工是現(xiàn)代制造業(yè)中重要的工具，本文介紹六個(gè)需要注意的工業(yè)級(jí)激光系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中的誤區(qū)，以確保高質(zhì)量的激光加工效果，幫助企業(yè)提高效率，節(jié)能降耗。

激光系統(tǒng)的監(jiān)控有助于確保一致和高質(zhì)量的連接過(guò)程（high-quality joining processes）。

當(dāng)今，激光工藝的可靠性和可重復(fù)性持續(xù)提升，工業(yè)制造商可以不斷地提高生產(chǎn)零部件的數(shù)量，同時(shí)也穩(wěn)定生產(chǎn)品質(zhì)。我們每天都可以看到新的應(yīng)用，從增材制造（additive manufacturing）中的燒結(jié)，電動(dòng)汽車部件加工（e-mobility component processing），激光技術(shù)越來(lái)越強(qiáng)大，使用范圍越來(lái)越廣泛。

但是，在工業(yè)激光器的部署、操作或維護(hù)過(guò)程中仍然存在許多誤區(qū)。在保持一致的激光工藝方面，激光操作員可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的安全感并養(yǎng)成壞習(xí)慣。這些陷阱可歸因于幾個(gè)不同的問(wèn)題，包括：了解激光在材料加工應(yīng)用中的行為方式、現(xiàn)代激光產(chǎn)品與傳統(tǒng)激光產(chǎn)品的不同之處，以及何時(shí)、何地檢測(cè)激光器的性能。

陷阱 1

不要假設(shè)今天的激光工藝非常穩(wěn)定，認(rèn)為激光器系統(tǒng)中不需要太多檢測(cè)，這其實(shí)是個(gè)誤區(qū)。材料加工應(yīng)用在 1950 年代激光問(wèn)世后不久就得到了發(fā)展。二氧化碳激光器可產(chǎn)生 10.6 μm 波長(zhǎng)的激光，憑借其原始功率、相對(duì)低廉的運(yùn)營(yíng)成本和易于維護(hù)，歷來(lái)一直是激光制造的支柱。成千上萬(wàn)的激光操作員耗費(fèi)大量精力，開(kāi)發(fā)了當(dāng)今使用的操作和維護(hù)方法，使得數(shù)十萬(wàn)個(gè)激光器仍在使用中。

1980 年代出現(xiàn)了作為工業(yè)工具的 1 μm 激光器（fiber lasers光纖激光器、direct diode lasers二極管激光器、disk lasers碟片式激光器等），并且繼續(xù)改變著工業(yè)激光制造的格局。1 μm 光纖具有一系列優(yōu)勢(shì)：更高的電光轉(zhuǎn)換效率、更高的光束質(zhì)量和更少的維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。但它最初很昂貴，不能產(chǎn)生足夠高的輸出功率用于工業(yè)激光應(yīng)用，而且難以維護(hù)。

1 μm 激光器的制造商已經(jīng)克服了大部分障礙，現(xiàn)在正在提供更實(shí)用的光源和系統(tǒng)。一個(gè)問(wèn)題是，隨著 1 μm 激光器在工業(yè)環(huán)境中取代 10.6 μm (CO2) 激光器，操作和維護(hù)工作并不是直接被替代。1 μm 激光器不能像 10.6 μm 激光器那樣操作和維護(hù)。

盡管今天的激光系統(tǒng)已經(jīng)變得質(zhì)量較為可靠，但用戶可能會(huì)忽略該系統(tǒng)仍然由具有物理特性的光學(xué)部件組成。激光系統(tǒng)由機(jī)械和電氣組件組成，這些組件在定期使用后會(huì)退化或失效。惡劣工業(yè)環(huán)境會(huì)導(dǎo)致碎片（debirs）產(chǎn)生，會(huì)增加這些組件退化和故障的可能性和頻率。結(jié)果是激光系統(tǒng)效率降低，操作成本更高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在管理工藝中產(chǎn)生的碎片方面發(fā)揮了創(chuàng)造性，但如果不定期檢測(cè)激光系統(tǒng)性能，激光用戶就無(wú)法完全了解這些系統(tǒng)組件退化如何影響激光工藝，也無(wú)法完全了解如何（或何時(shí)）采取措施提高系統(tǒng)效率。

激光系統(tǒng)需要定期維護(hù)才能快速高效地生產(chǎn)零件，但是，這意味著成本提升。要考慮投資回報(bào)和維護(hù)系統(tǒng)所需的時(shí)間之間的關(guān)系。

陷阱 2

依靠他人來(lái)解決激光問(wèn)題，一般代價(jià)高昂。制造商、應(yīng)用工程師、系統(tǒng)集成商等行業(yè)專家保持良好關(guān)系至關(guān)重要。這些專家不斷改進(jìn)將工藝要求轉(zhuǎn)化為工具的方法，以幫助制造商始終如一地生產(chǎn)高質(zhì)量的零件。但是激光工藝可能會(huì)出錯(cuò)。使用隱形工具（an invisible tool）時(shí)，確定問(wèn)題的根源并不總是那么容易。當(dāng)故障排除中不包括激光測(cè)量產(chǎn)品時(shí)，恢復(fù)系統(tǒng)會(huì)浪費(fèi)更多的時(shí)間和金錢(qián)。

在這種情況下，激光檢測(cè)解決方案（laser measurement solutions）可以迅速收回成本。這些解決方案不僅可用于在系統(tǒng)內(nèi)建立激光器的基線性能（baseline performance），還可用于解決激光器問(wèn)題并更有效地將系統(tǒng)恢復(fù)到其基線。集成的激光檢測(cè)產(chǎn)品可以幫助確定激光器狀態(tài)的變化——建立激光器性能趨勢(shì)以幫助操作員開(kāi)發(fā)更有效的維護(hù)工作，并在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)幫助進(jìn)行故障排除。

另一個(gè)挑戰(zhàn)源于CO2激光器和光纖激光器（以及類似的 1 μm激光器）之間的差異。CO2激光器在 10.6 μm 波長(zhǎng)下工作。它們的光學(xué)器件堅(jiān)固耐用，不易受到周圍加工碎屑的損壞，并且更易于維護(hù)。現(xiàn)代，光纖、碟片和半導(dǎo)體激光器的工作波長(zhǎng)接近 1 μm。它們的光學(xué)器件更容易受到惡劣工業(yè)環(huán)境中產(chǎn)生的碎屑的損壞，更換時(shí)必須格外小心。一些激光操作員依賴于更換 CO2激光光學(xué)器件的傳統(tǒng)做法，但如果不格外小心，這些做法最終會(huì)損壞這些 1 μm 波長(zhǎng)的激光器加工頭（processing heads）。

陷阱 3

如果激光功率沒(méi)有達(dá)到運(yùn)行需要的功率，不要僅僅調(diào)高電源。這往往發(fā)生在 CO2激光應(yīng)用中。激光操作員深知時(shí)間就是金錢(qián)，他們的工作績(jī)效通常與所生產(chǎn)的零件的數(shù)量掛鉤。當(dāng)激光器開(kāi)始出現(xiàn)不良行為時(shí)，激光器操作員通常會(huì)采取最快的措施使系統(tǒng)恢復(fù)正常。

例如，在激光切割應(yīng)用，通常直接調(diào)高激光功率以持續(xù)生產(chǎn)零件。但可能導(dǎo)致?lián)p壞的（或舊的、或受污染）的光學(xué)元件引起的激光系統(tǒng)熱效應(yīng)增加。熱效應(yīng)導(dǎo)致聚焦點(diǎn)向上移動(dòng)，導(dǎo)致工作現(xiàn)場(chǎng)的功率密度降低。在切割應(yīng)用中，提高電源功率可以暫時(shí)性解決問(wèn)題，但不能解決掉根本原因。

光束分析儀器（Beam profiling instrumentation）允許用戶調(diào)整他們的激光工藝，以達(dá)到足以完成任務(wù)的精確輻照度，但又不會(huì)太過(guò)強(qiáng)烈以至于焊接過(guò)熱。今天的激光測(cè)量解決方案能夠更好地了解激光的性能，并比以往任何時(shí)候都更有效地進(jìn)行系統(tǒng)的操作和維護(hù)。

陷阱 4

不要認(rèn)為對(duì)激光系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)太昂貴。定期檢測(cè)激光系統(tǒng)的投資回報(bào)率低，是一個(gè)誤區(qū)。這源于一種誤解，即激光檢測(cè)方案的購(gòu)買成本很高，而且難以設(shè)置和使用。還有一種心態(tài)，雖然激光檢測(cè)設(shè)備很好，但它可能無(wú)法直接為應(yīng)用程序提供有用或相關(guān)的信息（集成化或者信息化水平未達(dá)到要求）。

過(guò)去，購(gòu)買激光檢測(cè)的解決方案確實(shí)成本很高。

而今，隨著相機(jī)技術(shù)、光學(xué)元件、網(wǎng)絡(luò)、通信、計(jì)算能力和軟件的進(jìn)步，激光檢測(cè)產(chǎn)品體積變得更小、效率更快、更便宜，并提供了與激光相關(guān)的信息。激光功率計(jì)（Laser power meters）和光束分析（beam profiling）產(chǎn)品已發(fā)展成為具有成本效益的維護(hù)工具，可以直接集成到激光工作單元中。

例如，在傳動(dòng)部件、電池組件或座椅組件的焊接中，激光必須始終如一地與設(shè)計(jì)過(guò)程相互作用。汽車制造商越來(lái)越普遍地將工業(yè)組合功率測(cè)量和光束分析設(shè)備集成到他們的工作單元中，以定期監(jiān)測(cè)激光器性能以進(jìn)行趨勢(shì)分析、過(guò)程可追溯性和更智能的維護(hù)預(yù)測(cè)。使用這些工具的人很快就會(huì)意識(shí)到投資回報(bào)率的提高。

除了成本改進(jìn)之外，還有多項(xiàng)改進(jìn)使這些產(chǎn)品的操作更加容易。激光檢測(cè)系統(tǒng)考慮了系統(tǒng)集成商以及操作員和維護(hù)人員的需求。例如，它們使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，并設(shè)計(jì)有牢靠的工業(yè)硬件連接。還包括安全增強(qiáng)功能，以防止加工碎片、環(huán)境過(guò)熱等造成的損壞。這些激光功率計(jì)和光束分析產(chǎn)品已經(jīng)非常廣泛用于科學(xué)研究領(lǐng)域，現(xiàn)在這些產(chǎn)品也被應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，設(shè)計(jì)已經(jīng)適應(yīng)了更惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。

陷阱 5

沒(méi)有激光檢測(cè)就無(wú)法管理激光工藝。在某些情況下，開(kāi)發(fā)、部署激光應(yīng)用程序，并且簡(jiǎn)單地假設(shè)性能保持一致；除非過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，它才會(huì)被想起。

消費(fèi)類產(chǎn)品行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，考慮可靠和安全的產(chǎn)品同時(shí)，必須維持相對(duì)低的運(yùn)營(yíng)成本。但由于許多激光應(yīng)用的參數(shù)嚴(yán)格，例如焊接高反射材料的快速聚焦/高激光功率應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)一致的激光工藝并不總是那么容易。為確保激光器在一段時(shí)間內(nèi)始終如一地運(yùn)行，必須進(jìn)行關(guān)鍵性能定期檢測(cè)、分析并主動(dòng)采取行動(dòng)。當(dāng)這些激光參數(shù)未被定期測(cè)量導(dǎo)致數(shù)據(jù)不清，制造過(guò)程可能會(huì)漂移，并最終導(dǎo)致零件報(bào)廢。

例如，如果銅材料的焊接應(yīng)用中，聚焦點(diǎn)偏離其設(shè)計(jì)位置，則過(guò)程中光束尺寸增加會(huì)導(dǎo)致焊接熔深損失（loss of weld penetration）。如果跟蹤激光系統(tǒng)上的焦點(diǎn)偏移量，則可以避免這種漂移問(wèn)題。

可持續(xù)性發(fā)展是一個(gè)全球共同思考的議題。現(xiàn)如今，已經(jīng)擁有很多智慧的制造方式，避免了大量的資源消耗，減少對(duì)地球的影響。任何參與過(guò)這些計(jì)劃的人都知道，流程的每一個(gè)小改進(jìn)都會(huì)有所幫助（every little improvement to a process helps）。檢測(cè)、趨勢(shì)分析和分析激光性能，并采取措施保持一致的激光輸出性能會(huì)有所幫助。對(duì)激光系統(tǒng)將維護(hù)得當(dāng)，消耗更少的功率并最大限度地提高制造能力，這不僅有利于降低運(yùn)營(yíng)成本，也有利于我們的星球。

陷阱 6

并非所有傳統(tǒng)的激光檢測(cè)技術(shù)都經(jīng)過(guò)了時(shí)間考驗(yàn)，并提供有關(guān)激光的足夠信息。一些激光服務(wù)人員仍然使用非常簡(jiǎn)單的工具來(lái)維護(hù)和解決問(wèn)題。例如一些快捷且易于使用的工具產(chǎn)品，激光“power pucks”、亞克力塊和熒光涂層熒光板（phosphor-coated fluorescent plates）?？墒牵@些產(chǎn)品所描繪的激光系統(tǒng)信息并不完整。

使用上述這些方法，將激光射入體熱設(shè)備（bulk thermal device）幾秒鐘，從而產(chǎn)生與輸出功率相對(duì)應(yīng)的單個(gè)數(shù)字。激光束被成像到丙烯酸塊或熒光板上，并在沒(méi)有任何趨勢(shì)數(shù)據(jù)或行業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的情況下進(jìn)行主觀分析。當(dāng)今的電子激光檢測(cè)產(chǎn)品提供基于時(shí)間的測(cè)量，允許對(duì)激光性能進(jìn)行短期或長(zhǎng)期趨勢(shì)分析，根據(jù) NIST 可追溯標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，并使用符合 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的光束測(cè)量方法。這提供了更全面的激光特性分析和對(duì)測(cè)量精度的信心。

隨著工業(yè) 4.0時(shí)代到來(lái)，機(jī)床具備了良好的信息化功能和反饋機(jī)制，被證明對(duì)于改進(jìn)工業(yè)加工非常有價(jià)值。激光器也不例外。現(xiàn)在可以通過(guò)幾種不同的方法提供有關(guān)激光器性能特征的信息。過(guò)程中或原位檢測(cè)可以提供有關(guān)激光器運(yùn)行方式的實(shí)時(shí)反饋，但通常只分析系統(tǒng)的一部分，限制了所提供信息的全面性。另一方面，在過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)可以更全面地分析激光系統(tǒng)在每個(gè)加工點(diǎn)的性能，但這些產(chǎn)品必須在零件運(yùn)行之間（between part runs）使用，因此本質(zhì)上，并不是實(shí)時(shí)操作。

應(yīng)鼓勵(lì)當(dāng)今的激光用戶不斷改進(jìn)其流程。不斷地優(yōu)化的過(guò)程，是在制造業(yè)工作的人們不斷追求的目標(biāo)。節(jié)省時(shí)間和降低成本可以直接提高公司的業(yè)績(jī)。通過(guò)獨(dú)立檢測(cè)或集成化檢測(cè)激光器的性能是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最佳方式之一。這是對(duì)企業(yè)、對(duì)我們的地球和對(duì)自己負(fù)責(zé)的事情。

審核編輯：劉清