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光束分析在激光工艺验证中的作用
作者:John McCauley    来源:《Industrial Laser Solutions》
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美国作家、工程师、企业家和性能改进顾问詹姆斯·哈林顿 (H. James Harrington)因一句名言而被人记住,“测量是通向控制并最终提高的第一步。如果你不能测量它,你就无法了解它。如果你不能了解它,你就无法控制它。如果你不能控制它,你就无法改进它。”

尽管哈林顿的名言说的是提高一个人工作表现的质量,但也同样适用于维持高质量的激光工艺。理解如何控制激光器的最初步骤就是定量和定性测量激光的性能,以多种方式使用得到的测量数据。

在制造中使用激光工艺的公司需要在工艺的每个步骤中控制激光器。首先,工艺参数的发展是制造工艺的一个重要组成部分,因为它同时需要质量与数量。如果不能理解和控制激光的行为,终端用户最终可能会遭遇工作质量和数量的下降。 其次,一旦开发的参数集从应用实验室转移到工作单元,至关重要的是要了解受影响的激光系统的表现,即使它是工艺参数集完全一样的相同的激光器。第三,该系统交付前的合格检查应该涉及某种形式的工厂验收测试。建立此阶段激光器性能的基线是很重要的,并且在某些情况下是必需的,因此,如果激光器或工艺出现什么问题,比如系统被移动,仍然可以返回到正常状态。最后,一旦采用激光系统,必须经常进行维护。维护活动可以改变系统的性能。只有采用激光测量的工具和技术,你才能充分了解激光在激光系统的生命周期中的每一步行为。

然而,目前激光测量仍然没有得到普遍应用。在某家工厂(该工厂没有计划去支持其激光器产品)讨论激光测量的话题时,最终会产生这样的问题,“激光功率测量或光束分析能为我做什么呢?”或者“我怎么样使用这些从光束轮廓中获取的数据?”。如果没有一个已经应用这些问题的例子,有时很难获取这些问题的答案。

激光工艺验证程序的演变

今年年初,一家面向生物医药行业供应激光焊接零件并提供其他服务的公司的内部激光工艺调整。该公司与其多数医疗设备相关的制造工艺一直不断扩张。作为一家开放式供应商能为全国较大规模医疗设备制造商提供高质量零件, 其成功的关键因素之一是在业界建立良好的声誉。

初期,该公司决定研发激光焊接工艺中的激光监测,该工艺连接两种不同金属的可植入设备,如图1所示。在该接合工艺中,利用灯泵浦掺钕钇铝石榴石晶体(Nd:YAG)激光器,同时在重复脉冲模式下进行自由空间光学操作,该操作被集成到一个小的用于手工焊接的手套式操作箱工作站。这一工艺已经有既定的激光参数,他们认为最好从监测每个脉冲读数的功率开始。然而,在当时,并没有真正的激光质量保证程序到位,读数只是让人了解激光器每天都在工作。

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自那时以后,该公司的声誉和质量承诺,帮助其与更多的医疗设备制造商建立了联系,并且当前客户订购的数量也有所增加。这一成功促使该公司又新建了一座工厂。 随着订单的增多,该公司还额外购买了一台激光系统。

使用这种具有相同的工艺参数的激光器后不久,该公司发现,焊缝开裂了(幸运的是在质量检查时发现,而不是在供应零件后)。这表明,热量投入焊缝过多。要知道激光系统是相同的,应用的激光参数也是相同的,这怎么说得通呢? 很明显,在那时该公司的工艺需要一个更全面的激光测量程序。

有了这些特定的脉冲Nd:YAG激光焊接系统,用户可以设置4种不同的激光参数,以获得不同的结果:激光的峰值功率(相对于激光脉冲持续时间的激光能量)、脉冲宽度(或脉冲持续时间)、脉冲重复频率(脉冲频率)和光斑尺寸。

值得注意的是,在这些测试期内,1号激光器和2号激光器的灯泡使用时间大致相同(约500小时)。

用于这些测量的技术包括:使用Ophir热电堆传感器和仪表来确定激光的平均功率、使用Spiricon高分辨率摄像机和光束衰减装置来测量激光的光斑尺寸和形状,如图2所示。

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简单的实验,提供快速的解决方案
首先,建立了平均功率和光斑尺寸测量值的基线,并记录在用于生产好零件的1号激光器。图3展示了二维和三维的光束轮廓以及一些计算结果。

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其次,在工艺参数相同的2号激光器上进行测量,并且保持相同的软件和相同的光束分析系统的光学参数。图4展示了二维和三维的光束轮廓以及一些计算结果。使用2号激光器在相同的工艺参数下加工工件时,测量的平均输出功率比1号激光器增加了35%。光斑尺寸基本保持不变,但是,功率密度测量值比1号激光器增长15.6%。无论从视觉上还是数据上,可以很容易地看到,两种激光器的光束轮廓和激光功率测量值之间存在着差异,即便是两个激光系统完全相同,激光设置也完全相同。

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由于建立了光束分析系统,该公司对2号激光器的参数做了一些改变,试图获取与1号激光器相近的一组测量值。在约10分钟的持续时间内,发现降低2号激光器的峰值功率和脉冲持续时间,能够获取更接近1号激光器的测量值和图像。图5显示改变这些设置后的结果。同样,无论从视觉上还是数据上,这两个工艺参数上微小改变的结果是显而易见的。在应用这些修改过的工艺参数后,激光器的光束轮廓更接近能够生产可接受零件的激光器的轮廓。接下来,还需要客户负责验证新的参数是否能够产生所希望的结果。

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使用正确的工具

这三张图片说明没有两个激光器在生产出来时是完全一样的。要清楚,不应该认为激光制造商出问题了,提供了有缺陷的产品。有许多因素可能会影响激光系统组件的质量。正因为这样,谁负责确保激光工艺的质量,谁负责保护他们公司的诚信和声誉,谁就应该配备正确的工具,并且应该确切知道,他们的激光工艺在每一批次、每一天、甚至每一个激光系统都应该保持一致。唯一能保证知道这些的方法是使用一个全面的激光特性程序。

John McCauley(电子邮箱为john.mccauley@us.ophiropt.com) 是Ophir光电集团美国中西部地区的销售工程师。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (10/24/2013)
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