介紹六個需要注意的工業(yè)級激光系統(tǒng)應用過程中的誤區(qū)

激光加工是現(xiàn)代制造業(yè)中重要的工具，本文介紹六個需要注意的工業(yè)級激光系統(tǒng)應用過程中的誤區(qū)，以確保高質量的激光加工效果，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量的連接過程（high-quality joining processes）。

當今，激光工藝的可靠性和可重復性持續(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，同時也穩(wěn)定生產(chǎn)品質。我們每天都可以看到新的應用，從增材制造（additive manufacturing）中的燒結，電動汽車部件加工（e-mobility component processing），激光技術越來越強大，使用范圍越來越廣泛。

但是，在工業(yè)激光器的部署、操作或維護過程中仍然存在許多誤區(qū)。在保持一致的激光工藝方面，激光操作員可能會產(chǎn)生錯誤的安全感并養(yǎng)成壞習慣。這些陷阱可歸因于幾個不同的問題，包括：了解激光在材料加工應用中的行為方式、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、何地檢測激光器的性能。

陷阱 1

不要假設今天的激光工藝非常穩(wěn)定，認為激光器系統(tǒng)中不需要太多檢測，這其實是個誤區(qū)。材料加工應用在 1950 年代激光問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 波長的激光，憑借其原始功率、相對低廉的運營成本和易于維護，歷來一直是激光制造的支柱。成千上萬的激光操作員耗費大量精力，開發(fā)了當今使用的操作和維護方法，使得數(shù)十萬個激光器仍在使用中。

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：更高的電光轉換效率、更高的光束質量和更少的維護等優(yōu)勢。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)激光應用，而且難以維護。

1 μm 激光器的制造商已經(jīng)克服了大部分障礙，現(xiàn)在正在提供更實用的光源和系統(tǒng)。一個問題是，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。

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

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

陷阱 2

依靠他人來解決激光問題，一般代價高昂。制造商、應用工程師、系統(tǒng)集成商等行業(yè)專家保持良好關系至關重要。這些專家不斷改進將工藝要求轉化為工具的方法，以幫助制造商始終如一地生產(chǎn)高質量的零件。但是激光工藝可能會出錯。使用隱形工具（an invisible tool）時，確定問題的根源并不總是那么容易。當故障排除中不包括激光測量產(chǎn)品時，恢復系統(tǒng)會浪費更多的時間和金錢。

在這種情況下，激光檢測解決方案（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題并更有效地將系統(tǒng)恢復到其基線。集成的激光檢測產(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以幫助操作員開發(fā)更有效的維護工作，并在出現(xiàn)問題時幫助進行故障排除。

另一個挑戰(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 波長下工作。它們的光學器件堅固耐用，不易受到周圍加工碎屑的損壞，并且更易于維護。現(xiàn)代，光纖、碟片和半導體激光器的工作波長接近 1 μm。它們的光學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，更換時必須格外小心。一些激光操作員依賴于更換 CO2激光光學器件的傳統(tǒng)做法，但如果不格外小心，這些做法最終會損壞這些 1 μm 波長的激光器加工頭（processing heads）。

陷阱 3

如果激光功率沒有達到運行需要的功率，不要僅僅調(diào)高電源。這往往發(fā)生在 CO2激光應用中。激光操作員深知時間就是金錢，他們的工作績效通常與所生產(chǎn)的零件的數(shù)量掛鉤。當激光器開始出現(xiàn)不良行為時，激光器操作員通常會采取最快的措施使系統(tǒng)恢復正常。

例如，在激光切割應用，通常直接調(diào)高激光功率以持續(xù)生產(chǎn)零件。但可能導致?lián)p壞的（或舊的、或受污染）的光學元件引起的激光系統(tǒng)熱效應增加。熱效應導致聚焦點向上移動，導致工作現(xiàn)場的功率密度降低。在切割應用中，提高電源功率可以暫時性解決問題，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，以達到足以完成任務的精確輻照度，但又不會太過強烈以至于焊接過熱。今天的激光測量解決方案能夠更好地了解激光的性能，并比以往任何時候都更有效地進行系統(tǒng)的操作和維護。

陷阱 4

不要認為對激光系統(tǒng)進行檢測太昂貴。定期檢測激光系統(tǒng)的投資回報率低，是一個誤區(qū)。這源于一種誤解，即激光檢測方案的購買成本很高，而且難以設置和使用。還有一種心態(tài)，雖然激光檢測設備很好，但它可能無法直接為應用程序提供有用或相關的信息（集成化或者信息化水平未達到要求）。

過去，購買激光檢測的解決方案確實成本很高。

而今，隨著相機技術、光學元件、網(wǎng)絡、通信、計算能力和軟件的進步，激光檢測產(chǎn)品體積變得更小、效率更快、更便宜，并提供了與激光相關的信息。激光功率計（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工具，可以直接集成到激光工作單元中。

例如，在傳動部件、電池組件或座椅組件的焊接中，激光必須始終如一地與設計過程相互作用。汽車制造商越來越普遍地將工業(yè)組合功率測量和光束分析設備集成到他們的工作單元中，以定期監(jiān)測激光器性能以進行趨勢分析、過程可追溯性和更智能的維護預測。使用這些工具的人很快就會意識到投資回報率的提高。

除了成本改進之外，還有多項改進使這些產(chǎn)品的操作更加容易。激光檢測系統(tǒng)考慮了系統(tǒng)集成商以及操作員和維護人員的需求。例如，它們使用行業(yè)標準通信協(xié)議，并設計有牢靠的工業(yè)硬件連接。還包括安全增強功能，以防止加工碎片、環(huán)境過熱等造成的損壞。這些激光功率計和光束分析產(chǎn)品已經(jīng)非常廣泛用于科學研究領域，現(xiàn)在這些產(chǎn)品也被應用于工業(yè)領域，設計已經(jīng)適應了更惡劣的生產(chǎn)環(huán)境。

陷阱 5

沒有激光檢測就無法管理激光工藝。在某些情況下，開發(fā)、部署激光應用程序，并且簡單地假設性能保持一致；除非過程出現(xiàn)問題，它才會被想起。

消費類產(chǎn)品行業(yè)競爭激烈，考慮可靠和安全的產(chǎn)品同時，必須維持相對低的運營成本。但由于許多激光應用的參數(shù)嚴格，例如焊接高反射材料的快速聚焦/高激光功率應用，實現(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間內(nèi)始終如一地運行，必須進行關鍵性能定期檢測、分析并主動采取行動。當這些激光參數(shù)未被定期測量導致數(shù)據(jù)不清，制造過程可能會漂移，并最終導致零件報廢。

例如，如果銅材料的焊接應用中，聚焦點偏離其設計位置，則過程中光束尺寸增加會導致焊接熔深損失（loss of weld penetration）。如果跟蹤激光系統(tǒng)上的焦點偏移量，則可以避免這種漂移問題。

可持續(xù)性發(fā)展是一個全球共同思考的議題?，F(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，減少對地球的影響。任何參與過這些計劃的人都知道，流程的每一個小改進都會有所幫助（every little improvement to a process helps）。檢測、趨勢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有所幫助。對激光系統(tǒng)將維護得當，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營成本，也有利于我們的星球。

陷阱 6

并非所有傳統(tǒng)的激光檢測技術都經(jīng)過了時間考驗，并提供有關激光的足夠信息。一些激光服務人員仍然使用非常簡單的工具來維護和解決問題。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，將激光射入體熱設備（bulk thermal device）幾秒鐘，從而產(chǎn)生與輸出功率相對應的單個數(shù)字。激光束被成像到丙烯酸塊或熒光板上，并在沒有任何趨勢數(shù)據(jù)或行業(yè)測量標準的情況下進行主觀分析。當今的電子激光檢測產(chǎn)品提供基于時間的測量，允許對激光性能進行短期或長期趨勢分析，根據(jù) NIST 可追溯標準進行校準，并使用符合 ISO 標準的光束測量方法。這提供了更全面的激光特性分析和對測量精度的信心。

隨著工業(yè) 4.0時代到來，機床具備了良好的信息化功能和反饋機制，被證明對于改進工業(yè)加工非常有價值。激光器也不例外。現(xiàn)在可以通過幾種不同的方法提供有關激光器性能特征的信息。過程中或原位檢測可以提供有關激光器運行方式的實時反饋，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，在過程中，對產(chǎn)品檢測可以更全面地分析激光系統(tǒng)在每個加工點的性能，但這些產(chǎn)品必須在零件運行之間（between part runs）使用，因此本質上，并不是實時操作。

應鼓勵當今的激光用戶不斷改進其流程。不斷地優(yōu)化的過程，是在制造業(yè)工作的人們不斷追求的目標。節(jié)省時間和降低成本可以直接提高公司的業(yè)績。通過獨立檢測或集成化檢測激光器的性能是實現(xiàn)這些目標的最佳方式之一。這是對企業(yè)、對我們的地球和對自己負責的事情。

審核編輯：劉清