工業(yè)激光器：工藝鑒定介紹

從在實(shí)驗(yàn)室條件下在有限數(shù)量的樣品上成功演示一種新的激光工藝，到將該工藝擴(kuò)大到大批量工業(yè)應(yīng)用，這是一個(gè)重要的步驟。特別是，有必要確定工藝參數(shù)的變化如何影響終結(jié)果，以便確定可接受的工藝輸入和操作范圍。

激光材料加工實(shí)際上是一個(gè)的術(shù)語，適用于各種各樣的應(yīng)用。表1總結(jié)了這些用途的主要類別以及為其服務(wù)的激光器。一方面，在汽車、造船和電器生產(chǎn)等行業(yè)，使用千瓦光纖和二氧化碳激光器切割和焊接金屬。在光譜學(xué)另一方面，紫外和超快激光器用于在微電子、顯示器和太陽能電池制造的高精度工藝中鉆出微米大小的孔和刻劃薄膜。

工藝鑒定在所有這些領(lǐng)域都很重要，盡管主要關(guān)注點(diǎn)和主要考慮因素會隨著應(yīng)用范圍的變化而變化。例如，在許多鈑金切割應(yīng)用中，環(huán)境沒有得到很好的控制，并且進(jìn)料中經(jīng)常存在批次間的變化。在這種情況下，重要的是要開發(fā)一種能夠在這些變化的情況下成功運(yùn)行的流程，通常用于自動化、全天候使用，只需少的操作員干預(yù)。

相比之下，高精度工藝的制造環(huán)境通常受到嚴(yán)格控制。但是，保持更嚴(yán)格的機(jī)械公差的需要可能會更加重視精密夾具的開發(fā)。超快過程尤其可能需要更好地控制光學(xué)對準(zhǔn)，以便保持驅(qū)動非線性效應(yīng)所需的高峰值功率。

成本是關(guān)鍵

無論制造任務(wù)的具體情況如何，工藝評定程序的個(gè)輸入是制造商對工藝必須實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)的聲明。具體而言，這涉及到為所有工藝結(jié)果設(shè)置標(biāo)稱值和公差，例如激光鉆孔的直徑、深度和位置。

工藝鑒定的下一個(gè)關(guān)鍵輸入是成本。對于大多數(shù)制造商來說，實(shí)際的衡量標(biāo)準(zhǔn)是每個(gè)零件的成本。必須從一開始就考慮這種投入，因?yàn)槿魏涡碌纳a(chǎn)方法只有在比現(xiàn)有方法更便宜的情況下才能用于完成相同的任務(wù);當(dāng)它提供明顯更大的運(yùn)營靈活性時(shí);或者當(dāng)它允許生產(chǎn)商以提高自己對消費(fèi)者的價(jià)格的方式增加產(chǎn)品的功能或價(jià)值時(shí)。

有幾個(gè)因素會影響每個(gè)零件的成本。明顯的是生產(chǎn)設(shè)備的資本成本及其擁有成本特征，如功耗、其他消耗品和維護(hù)成本。然而，還有許多其他因素。例如，生產(chǎn)率，即在給定時(shí)間段內(nèi)生產(chǎn)的零件數(shù)量，通常是一個(gè)重要的考慮因素，尤其是當(dāng)工藝生產(chǎn)瓶頸時(shí)。此外，機(jī)器的增量容量也可能是一個(gè)考慮因素。具體來說，從風(fēng)險(xiǎn)調(diào)解的角度來看，使用幾個(gè)容量較低的機(jī)器會更好嗎?盡管它們的成本效益較低?工藝產(chǎn)量、所需返工水平或某種形式的后處理(如零件清潔)的需求也直接影響成本。

另一個(gè)重要的成本問題是支持設(shè)備所需的人力。設(shè)備是否需要操作員?如果需要，操作員的技能水平如何?這臺新機(jī)器能很容易地與其他生產(chǎn)設(shè)備集成嗎?如有必要，它是否適用于自動零件裝載和卸載?

機(jī)器的維護(hù)要求也可能影響人力預(yù)算，特別是如果制造商需要配備專業(yè)人員來執(zhí)行系統(tǒng)的日常維護(hù)和調(diào)整。這是基于激光的設(shè)備的一個(gè)特別考慮因素，因?yàn)榧す夂?a target="_blank">光學(xué)調(diào)整可能超出了公司現(xiàn)有維護(hù)人員的專業(yè)知識范圍。當(dāng)然，無論是日常維護(hù)還是維修的停機(jī)時(shí)間，加上維修本身的成本，也會對成本產(chǎn)生重大影響。

過程變量

一旦確定了所有這些因素的目標(biāo)，那么工藝鑒定就涉及到開發(fā)一種滿足這些成本和質(zhì)量限制的生產(chǎn)方法，并且可以大規(guī)模復(fù)制。從本質(zhì)上講，過程鑒定是一門統(tǒng)計(jì)學(xué)學(xué)科。在少量零件上證明給定的工藝是不夠的，因?yàn)檫@將無法顯示當(dāng)工藝擴(kuò)大到更大的數(shù)量時(shí)自然發(fā)生的潛在變化。因此，必須進(jìn)行足夠的測試，以產(chǎn)生足夠大的樣本量，從而可以確定批量生產(chǎn)中預(yù)期的零件間變化水平的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖2:工業(yè)超高速激光器，如Coherent股份有限公司Monaco(400-fs脈寬)，在高精度材料加工中越來越受歡迎。與較長的脈沖寬度相比，它們的高峰值功率和短脈沖寬度可減少熱影響區(qū)(HAZ)，并降低燒蝕閾值，從而實(shí)現(xiàn)對各種金屬、半導(dǎo)體和有機(jī)材料的高精度加工。由Coherent股份有限公司提供。

有幾個(gè)因素導(dǎo)致了剛才提到的過程輸出的變化。一些明顯的因素包括材料、夾具、激光輸出、光束輸送、環(huán)境條件和其他工藝輸入條件，如電源或冷卻水供應(yīng)。值得更詳細(xì)地研究這些因素。

在現(xiàn)實(shí)世界的制造環(huán)境中，材料通常來自多個(gè)供應(yīng)商，即使在單個(gè)供應(yīng)商的產(chǎn)品中，也可能存在批次間或單位間的不一致。這些變體可以大致分為兩類。首先是尺寸變化，如厚度，這顯然會影響切割和鉆孔等過程。

第二種類型的材料變化是固有的，或者是材料本身性質(zhì)的差異，例如吸收或反射特性、折射率、熱導(dǎo)率、內(nèi)應(yīng)力特性、化學(xué)成分等。這些變化可能直接影響激光與材料的相互作用，并改變工藝結(jié)果。

就激光輸出而言，影響工藝結(jié)果的明顯變量是激光功率或脈沖能量。此外，許多工藝對脈沖形狀很敏感，尤其是在決定峰值功率的程度上。這對于超快激光器來說尤其關(guān)鍵，因?yàn)槌旒す馄魍ǔＭㄟ^非線性過程與材料相互作用，而非線性過程必然高度依賴于峰值功率。

周圍環(huán)境條件的變化，特別是溫度和濕度的變化，會以多種方式影響一個(gè)過程。例如，光學(xué)機(jī)械支架和光學(xué)器件本身都可能以改變光束指向或光束形狀的方式對溫度變化做出響應(yīng)。這會更改焦點(diǎn)的幾何圖形或位置，當(dāng)生成較小的特征時(shí)，這一點(diǎn)變得更加關(guān)鍵。同樣，由于燒蝕速率是注量的函數(shù)，因此尺寸以及靶上的注量對于超快激光器來說尤其關(guān)鍵。

即使在沒有任何環(huán)境波動的情況下，機(jī)械零件的性能也總是存在變化。例如，如果零件被裝載到給定的機(jī)械夾具中1000次，那么每次零件實(shí)際所在的位置都會有分布。

現(xiàn)實(shí)中的過程鑒定

理論上，確定每個(gè)過程變量可接受極限的理想方法是單獨(dú)改變每個(gè)參數(shù)，同時(shí)保持所有其他參數(shù)不變，然后觀察這種變化對結(jié)果的影響。

然而，這種方法不切實(shí)際，而且通常是不可能的。這是因?yàn)樵诮o定的過程中通常存在大量的變量，其中一些變量，例如激光脈沖形狀，不能容易地確定地變化。

因此，現(xiàn)實(shí)世界中的過程鑒定通常從系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始。具體而言，這涉及到選擇系統(tǒng)組件，如激光器、光學(xué)支架和零件夾具，這些組件已經(jīng)證明在相關(guān)操作條件下隨時(shí)間推移是穩(wěn)定的。換言之，選擇高度穩(wěn)定的激光源消除了測試激光功率變化或脈沖間穩(wěn)定性影響的過程的需要。

圖3。為加工玻璃零件的長度采集的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由Coherent股份有限公司提供。

此外，在某些情況下，沒有必要測試給定變量的影響。相反，一些開銷只是簡單地添加到流程中，以便它能夠正常工作，即使存在預(yù)期的變化。例如，可以在測試過程中確定，在理想條件下，激光切割過程可以在1m/s的進(jìn)給速率下成功操作。但是，由于已知在生產(chǎn)中會有材料變化，因此將生產(chǎn)進(jìn)給速率設(shè)置為0.8m/s以適應(yīng)這種情況。

當(dāng)然，這會對成本產(chǎn)生影響。以較慢的速度運(yùn)行工藝會降低產(chǎn)量，但也可能降低廢品率。因此，工藝鑒定的一個(gè)關(guān)鍵方面是確定哪些因素是關(guān)鍵的。具體來說，什么結(jié)果對成品零件的正確操作是必要的，哪些參數(shù)不那么關(guān)鍵。

后，必須使用測試過程生產(chǎn)足夠數(shù)量的零件，以便對批量生產(chǎn)中預(yù)期的零件間變化水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)有效的確定。

展示玻璃應(yīng)用

回顧一個(gè)實(shí)際的過程鑒定示例可能有助于使這一切更加具體。在一個(gè)案例中，一家顯示器制造商與一家激光器制造商簽訂了合同，以確定使用超快激光器切割小于1毫米的薄玻璃的工藝。

該生產(chǎn)商一直在機(jī)械切割玻璃，但這需要在切割后進(jìn)行研磨和拋光，以提供所需的切割邊緣質(zhì)量。此外，機(jī)械切割不具備產(chǎn)生彎曲切割的能力，也不具備處理非平板玻璃的能力，這兩者都成為該應(yīng)用的要求。超快激光加工提供了克服所有這些缺點(diǎn)的潛力。為了使基于超快激光的工藝成為一種具有成本效益的替代技術(shù)，生產(chǎn)商確定了必要的生產(chǎn)率、公差和產(chǎn)量。

圖4 獲得的加工玻璃零件寬度的歸一化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由Coherent股份有限公司提供。

很快就確定，為了滿足處理時(shí)間要求，需要使用高速、電動XY平臺進(jìn)行零件定位的工作平臺。然后，任務(wù)變成了確定平臺移動的加速度值之間的折衷，該值小化了處理時(shí)間，同時(shí)仍然產(chǎn)生在用戶的尺寸精度規(guī)范范圍內(nèi)的定位誤差。然后，目標(biāo)是找到具成本效益的控制器和階段包，能夠可靠地提供這種級別的性能。

使用不同階段加速度值進(jìn)行了一系列測試運(yùn)行，以確定這些權(quán)衡。連續(xù)三天重復(fù)這些測試，每天重復(fù)幾次，以證明隨著時(shí)間的推移和環(huán)境操作條件的變化，該過程是穩(wěn)定的。測試還利用了幾個(gè)批次的零件來說明材料的批次差異。特別是，客戶已經(jīng)將玻璃內(nèi)部應(yīng)力的變化確定為影響終結(jié)果的問題。

加工后，使用光學(xué)顯微鏡測量零件尺寸。此外，還采用了光學(xué)表面輪廓儀來測量表面質(zhì)量。由此，為切割件的長度和寬度尺寸以及加工邊緣表面粗糙度的分布組裝了結(jié)果的統(tǒng)計(jì)圖(圖3-5)。長度和寬度圖是測量的特定尺寸的直方圖，以及制造商提供的規(guī)格上限(USL)和規(guī)格下限(LSL)。此外，還顯示了測量值分布的理想擬合線。

圖5 已加工玻璃零件的邊緣粗糙度的歸一化統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由Coherent股份有限公司提供。

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計(jì)算出工藝能力的統(tǒng)計(jì)量(Cpk)。Cpk是一個(gè)數(shù)字，它量化了一個(gè)過程相對于過程的自然變異性與規(guī)范限制的執(zhí)行程度。Cpk的值越高，生產(chǎn)的任何給定零件超出規(guī)格限制的可能性就越小。例如，Cpk值1.33表示99.99%的工藝產(chǎn)率。

在本例中，通過在連續(xù)三天的三次運(yùn)行中確定機(jī)械公差的Cpk值，對該過程進(jìn)行了鑒定。這些圖顯示了組合數(shù)據(jù)的能力。更具體地說，它們繪制的是與標(biāo)稱值的偏差，而不是標(biāo)注的實(shí)際值。Cpk值遠(yuǎn)大于2時(shí)，所配置的工藝被證明是高度可行的。此外，測量表面粗糙度，并計(jì)算出Cpk值為1.6。這再次表明，這一過程運(yùn)行得非常好。

總之，工藝鑒定是從“概念驗(yàn)證”階段進(jìn)入生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)的必要步驟。由于終用戶并不總是很好地理解激光加工的細(xì)微差別，因此通?？梢酝ㄟ^與具有進(jìn)行工藝驗(yàn)證研究能力的激光供應(yīng)商合作來好地實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

審核編輯 黃宇