介绍六个需要注意的工业级激光系统应用过程中的误区

激光加工是现代制造业中重要的工具，本文介绍六个需要注意的工业级激光系统应用过程中的误区，以确保高质量的激光加工效果，帮助企业提高效率，节能降耗。

激光系统的监控有助于确保一致和高质量的连接过程（high-quality joining processes）。

当今，激光工艺的可靠性和可重复性持续提升，工业制造商可以不断地提高生产零部件的数量，同时也稳定生产品质。我们每天都可以看到新的应用，从增材制造（additive manufacturing）中的烧结，电动汽车部件加工（e-mobility component processing），激光技术越来越强大，使用范围越来越广泛。

但是，在工业激光器的部署、操作或维护过程中仍然存在许多误区。在保持一致的激光工艺方面，激光操作员可能会产生错误的安全感并养成坏习惯。这些陷阱可归因于几个不同的问题，包括：了解激光在材料加工应用中的行为方式、现代激光产品与传统激光产品的不同之处，以及何时、何地检测激光器的性能。

陷阱 1

不要假设今天的激光工艺非常稳定，认为激光器系统中不需要太多检测，这其实是个误区。材料加工应用在 1950 年代激光问世后不久就得到了发展。二氧化碳激光器可产生 10.6 µm 波长的激光，凭借其原始功率、相对低廉的运营成本和易于维护，历来一直是激光制造的支柱。成千上万的激光操作员耗费大量精力，开发了当今使用的操作和维护方法，使得数十万个激光器仍在使用中。

1980 年代出现了作为工业工具的 1 µm 激光器（fiber lasers光纤激光器、direct diode lasers二极管激光器、disk lasers碟片式激光器等），并且继续改变着工业激光制造的格局。1 µm 光纤具有一系列优势：更高的电光转换效率、更高的光束质量和更少的维护等优势。但它最初很昂贵，不能产生足够高的输出功率用于工业激光应用，而且难以维护。

1 µm 激光器的制造商已经克服了大部分障碍，现在正在提供更实用的光源和系统。一个问题是，随着 1 µm 激光器在工业环境中取代 10.6 µm (CO2) 激光器，操作和维护工作并不是直接被替代。1 µm 激光器不能像 10.6 µm 激光器那样操作和维护。

尽管今天的激光系统已经变得质量较为可靠，但用户可能会忽略该系统仍然由具有物理特性的光学部件组成。激光系统由机械和电气组件组成，这些组件在定期使用后会退化或失效。恶劣工业环境会导致碎片（debirs）产生，会增加这些组件退化和故障的可能性和频率。结果是激光系统效率降低，操作成本更高。系统设计人员在管理工艺中产生的碎片方面发挥了创造性，但如果不定期检测激光系统性能，激光用户就无法完全了解这些系统组件退化如何影响激光工艺，也无法完全了解如何（或何时）采取措施提高系统效率。

激光系统需要定期维护才能快速高效地生产零件，但是，这意味着成本提升。要考虑投资回报和维护系统所需的时间之间的关系。

陷阱 2

依靠他人来解决激光问题，一般代价高昂。制造商、应用工程师、系统集成商等行业专家保持良好关系至关重要。这些专家不断改进将工艺要求转化为工具的方法，以帮助制造商始终如一地生产高质量的零件。但是激光工艺可能会出错。使用隐形工具（an invisible tool）时，确定问题的根源并不总是那么容易。当故障排除中不包括激光测量产品时，恢复系统会浪费更多的时间和金钱。

在这种情况下，激光检测解决方案（laser measurement solutions）可以迅速收回成本。这些解决方案不仅可用于在系统内建立激光器的基线性能（baseline performance），还可用于解决激光器问题并更有效地将系统恢复到其基线。集成的激光检测产品可以帮助确定激光器状态的变化——建立激光器性能趋势以帮助操作员开发更有效的维护工作，并在出现问题时帮助进行故障排除。

另一个挑战源于CO2激光器和光纤激光器（以及类似的 1 µm激光器）之间的差异。CO2激光器在 10.6 µm 波长下工作。它们的光学器件坚固耐用，不易受到周围加工碎屑的损坏，并且更易于维护。现代，光纤、碟片和半导体激光器的工作波长接近 1 µm。它们的光学器件更容易受到恶劣工业环境中产生的碎屑的损坏，更换时必须格外小心。一些激光操作员依赖于更换 CO2激光光学器件的传统做法，但如果不格外小心，这些做法最终会损坏这些 1 µm 波长的激光器加工头（processing heads）。

陷阱 3

如果激光功率没有达到运行需要的功率，不要仅仅调高电源。这往往发生在 CO2激光应用中。激光操作员深知时间就是金钱，他们的工作绩效通常与所生产的零件的数量挂钩。当激光器开始出现不良行为时，激光器操作员通常会采取最快的措施使系统恢复正常。

例如，在激光切割应用，通常直接调高激光功率以持续生产零件。但可能导致损坏的（或旧的、或受污染）的光学元件引起的激光系统热效应增加。热效应导致聚焦点向上移动，导致工作现场的功率密度降低。在切割应用中，提高电源功率可以暂时性解决问题，但不能解决掉根本原因。

光束分析仪器（Beam profiling instrumentation）允许用户调整他们的激光工艺，以达到足以完成任务的精确辐照度，但又不会太过强烈以至于焊接过热。今天的激光测量解决方案能够更好地了解激光的性能，并比以往任何时候都更有效地进行系统的操作和维护。

陷阱 4

不要认为对激光系统进行检测太昂贵。定期检测激光系统的投资回报率低，是一个误区。这源于一种误解，即激光检测方案的购买成本很高，而且难以设置和使用。还有一种心态，虽然激光检测设备很好，但它可能无法直接为应用程序提供有用或相关的信息（集成化或者信息化水平未达到要求）。

过去，购买激光检测的解决方案确实成本很高。

而今，随着相机技术、光学元件、网络、通信、计算能力和软件的进步，激光检测产品体积变得更小、效率更快、更便宜，并提供了与激光相关的信息。激光功率计（Laser power meters）和光束分析（beam profiling）产品已发展成为具有成本效益的维护工具，可以直接集成到激光工作单元中。

例如，在传动部件、电池组件或座椅组件的焊接中，激光必须始终如一地与设计过程相互作用。汽车制造商越来越普遍地将工业组合功率测量和光束分析设备集成到他们的工作单元中，以定期监测激光器性能以进行趋势分析、过程可追溯性和更智能的维护预测。使用这些工具的人很快就会意识到投资回报率的提高。

除了成本改进之外，还有多项改进使这些产品的操作更加容易。激光检测系统考虑了系统集成商以及操作员和维护人员的需求。例如，它们使用行业标准通信协议，并设计有牢靠的工业硬件连接。还包括安全增强功能，以防止加工碎片、环境过热等造成的损坏。这些激光功率计和光束分析产品已经非常广泛用于科学研究领域，现在这些产品也被应用于工业领域，设计已经适应了更恶劣的生产环境。

陷阱 5

没有激光检测就无法管理激光工艺。在某些情况下，开发、部署激光应用程序，并且简单地假设性能保持一致；除非过程出现问题，它才会被想起。

消费类产品行业竞争激烈，考虑可靠和安全的产品同时，必须维持相对低的运营成本。但由于许多激光应用的参数严格，例如焊接高反射材料的快速聚焦/高激光功率应用，实现一致的激光工艺并不总是那么容易。为确保激光器在一段时间内始终如一地运行，必须进行关键性能定期检测、分析并主动采取行动。当这些激光参数未被定期测量导致数据不清，制造过程可能会漂移，并最终导致零件报废。

例如，如果铜材料的焊接应用中，聚焦点偏离其设计位置，则过程中光束尺寸增加会导致焊接熔深损失（loss of weld penetration）。如果跟踪激光系统上的焦点偏移量，则可以避免这种漂移问题。

可持续性发展是一个全球共同思考的议题。现如今，已经拥有很多智慧的制造方式，避免了大量的资源消耗，减少对地球的影响。任何参与过这些计划的人都知道，流程的每一个小改进都会有所帮助（every little improvement to a process helps）。检测、趋势分析和分析激光性能，并采取措施保持一致的激光输出性能会有所帮助。对激光系统将维护得当，消耗更少的功率并最大限度地提高制造能力，这不仅有利于降低运营成本，也有利于我们的星球。

陷阱 6

并非所有传统的激光检测技术都经过了时间考验，并提供有关激光的足够信息。一些激光服务人员仍然使用非常简单的工具来维护和解决问题。例如一些快捷且易于使用的工具产品，激光“power pucks”、亚克力块和荧光涂层荧光板（phosphor-coated fluorescent plates）。可是，这些产品所描绘的激光系统信息并不完整。

使用上述这些方法，将激光射入体热设备（bulk thermal device）几秒钟，从而产生与输出功率相对应的单个数字。激光束被成像到丙烯酸块或荧光板上，并在没有任何趋势数据或行业测量标准的情况下进行主观分析。当今的电子激光检测产品提供基于时间的测量，允许对激光性能进行短期或长期趋势分析，根据 NIST 可追溯标准进行校准，并使用符合 ISO 标准的光束测量方法。这提供了更全面的激光特性分析和对测量精度的信心。

随着工业 4.0时代到来，机床具备了良好的信息化功能和反馈机制，被证明对于改进工业加工非常有价值。激光器也不例外。现在可以通过几种不同的方法提供有关激光器性能特征的信息。过程中或原位检测可以提供有关激光器运行方式的实时反馈，但通常只分析系统的一部分，限制了所提供信息的全面性。另一方面，在过程中，对产品检测可以更全面地分析激光系统在每个加工点的性能，但这些产品必须在零件运行之间（between part runs）使用，因此本质上，并不是实时操作。

应鼓励当今的激光用户不断改进其流程。不断地优化的过程，是在制造业工作的人们不断追求的目标。节省时间和降低成本可以直接提高公司的业绩。通过独立检测或集成化检测激光器的性能是实现这些目标的最佳方式之一。这是对企业、对我们的地球和对自己负责的事情。

审核编辑：刘清