鋼鐵、合金鋼和其它材料的切割、焊接和打標(biāo)，過去一直采用接觸式加工技術(shù)。高功率（平均功率1kW以上）CO2激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，節(jié)約了這些激光器的購買和使用成本。因此，高功率CO2 激光器在許多原來專門留給其它技術(shù)完成的生產(chǎn)過程中獲得了認(rèn)可。激光焊接與切割提供非接觸式加工所具有的優(yōu)勢使之成為可能，例如，激光焊接可以采用遙控焊接頭進(jìn)行大面積處理。同接觸式加工相比，激光加工在工件上產(chǎn)生的熱影響區(qū)（HAZ）小得多，這減少了被加工材料的尺寸問題，有助于精密零件制造。只要光束穩(wěn)定并聚焦在工件上，激光加工相對非激光加工來說就有顯著的成本優(yōu)勢。 激光加工過程首先是一個熱變化過程[1] ，激光器發(fā)出的能量聚焦于很小的靶區(qū)，并將熱量傳遞給被加工的材料，難怪許多加工過程高度依賴于材料所能吸收的能量。加工過程的效率往往是輻照度的平方或立方的函數(shù)[2] 。因而可以斷定，工件上的焦斑總能量和能量空間分布是加工過程的成功關(guān)鍵，而且對激光束空間能量分布形狀的變形是非常敏感的。許多CO2激光器不僅僅輸出單橫模光束 [3] ，因此光束模式的質(zhì)量非常重要。 在激光焊接中，必須完全地保持零件之間的間隙調(diào)整，這就需要把激光束的能量始終對準(zhǔn)相同的靶區(qū)而不發(fā)生焦斑漂移。如果進(jìn)行高速焊接，不良光束結(jié)構(gòu)可以引起焊縫不良的問題。在激光切割中，光束的質(zhì)量和聚焦能力對切口本身的質(zhì)量非常關(guān)鍵。質(zhì)量低劣的光束可以造成零件報(bào)廢或返修而增加成本。盡管有這些局限性，激光加工依然具有許多優(yōu)勢，足以成為未來材料加工的主流技術(shù)。 空間光束能量分布分析是一種測量方法，它把構(gòu)成光束的所有變量合成為一目了然的圖象。這個方法適用于一切激光器，而不僅僅是CO2 激光器[4]。CO2激光器最常用的光束能量分布分析方法是丙烯酸模式燒蝕法。這個方法把未聚焦的光束引向一個丙烯酸靶塊，光束能量使丙烯酸材料氣化蒸發(fā)，而且焦斑輪廓與光束本身的空間能量分布成正比。材料氣化形成的輪廓描述了激光束在照射丙烯酸靶塊過程中（一般持續(xù)若干秒）的空間能量分布。 盡管這個方法已廣為應(yīng)用，但是精度和重復(fù)精度在很大程度上依賴于操作者的技巧，還在車間里產(chǎn)生大量的易燃有毒蒸氣，必須抽吸出去。而且，采用這個方法無法測量激光束在光路上的瞬時反應(yīng)，例如可能掩蓋了過程最開始時的變化。總之，模式燒蝕法最多只能算是近似描述激光光束的性能。 在過去10年中開發(fā)出了一些效果各異的半電子診斷法，其中大多數(shù)方法試圖對未聚焦的光束取樣，也就是將一小部分有代表性的光束引向某種傳感器，以此獲得主光束的空間能量分布圖。就高功率激光應(yīng)用而論，取樣不是采用細(xì)小空心管上的微米級小孔，就是采用細(xì)金屬絲末端的小反射鏡，將一小部分原始光束引向一個熱電式單元素傳感器，然后由這個傳感器把吸收的能量轉(zhuǎn)換為比例電信號。 然而，為了對整個光束取樣，小孔或放射鏡必須反復(fù)地通過光束，才能使整個光束再現(xiàn)為一個復(fù)合圖象。這樣生成的圖象是對光束進(jìn)行分時掃描的累加結(jié)果。掃描時間2～10秒，因儀器而異。該方法避免了有毒氣體，但是和丙烯酸模式燒蝕法一樣，也無法提供任何有關(guān)激光束瞬時響應(yīng)的信息。可能存在的一個缺點(diǎn)是：由于取樣器件穿過光束，因此無法肯定地判斷這種測量方法本身是否影響光束的質(zhì)量。 要使電子式光束能量分布測量系統(tǒng)比傳統(tǒng)方法優(yōu)越，它必須能夠?qū)馐M(jìn)行實(shí)時分析，這樣，最終用戶可以隨時調(diào)諧或調(diào)整光束而不必坐等測量儀器作出響應(yīng)。該系統(tǒng)必須非常牢靠，能在產(chǎn)生粉塵和煙氣的生產(chǎn)環(huán)境下經(jīng)受每天的嚴(yán)峻考驗(yàn)。該系統(tǒng)必須能夠迅速安裝就位，或者永久性地固定在光路上，而且容易操作，即便是不熟練的技工使用，也能提供傳統(tǒng)方法提供不了的詳細(xì)的量化信息。最后，該系統(tǒng)不能以任何形式干擾主光束，否則就會把一些假象引入分析過程。 在一些應(yīng)用當(dāng)中，即使周期性地評估激光束模式質(zhì)量還不足夠，如在醫(yī)療器械領(lǐng)域，模式質(zhì)量的驗(yàn)證是成功生產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備零件的關(guān)鍵。此外還包括其它因不合格零件的記錄而導(dǎo)致時間損失和產(chǎn)量降低的操作。 為了滿足市場日益對高功率CO2激光束在線監(jiān)測儀的需要，Spiricon 和II-VI 聯(lián)合開發(fā)了強(qiáng)力型、易維護(hù)的工業(yè)用激光束監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用現(xiàn)成的光學(xué)元件，并且可以通過激光系統(tǒng)信息采集卡安裝在新型激光工作站上，或根據(jù)現(xiàn)有的大多數(shù)工業(yè)激光系統(tǒng)進(jìn)行翻新改進(jìn)。它為最終用戶提供詳細(xì)的實(shí)時光束圖象，并記錄重要的激光束參數(shù)。任何一個重要參數(shù)一旦達(dá)到預(yù)置極限時，系統(tǒng)便啟動警報(bào)信號，提醒操作員故障瀕臨，使操作員能夠采取合適的行動。此外，該系統(tǒng)可以用來診斷一般性激光器故障，如輸出耦合器老化或激光諧振腔發(fā)生偏離。利用該系統(tǒng)的診斷功能，技術(shù)人員可以在較短的時間內(nèi)恢復(fù)激光器的工作狀態(tài)，從而使激光加工的效益提高。 與通常可用的其它光束分析設(shè)備不同，這種嵌入系統(tǒng)對照射過程來說是完全透明的，因?yàn)闆]有任何中斷光束的主動器件，全部光學(xué)元件是液冷式被動反射鏡。機(jī)箱本身與主光路采用相同的凈化氣體，而且該系統(tǒng)一旦安裝完畢，只需跟其它光學(xué)設(shè)備一樣地進(jìn)行維護(hù)。由于儀器實(shí)時操作，所以很適合于在完成正常維護(hù)以后對激光器進(jìn)行調(diào)諧和調(diào)節(jié)或?qū)?shí)際加工事件進(jìn)行診斷。 遙控激光焊接是一種新型“使能”技術(shù)，它與縫焊不同的是，必須把激光束的能量引向許多點(diǎn)，并通過快門的開關(guān)進(jìn)行焊接。對這樣的焊縫來說，最關(guān)鍵的兩個測量結(jié)果是光束在焊接過程的空間能量分布和光束傳播的總能量。因此，新型過程監(jiān)視系統(tǒng)最適合于這個用途。如果對短時持續(xù)的焊接數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，光束寬度和光束輪廓均在焊接過程中略有變化（圖1）。 圖1：實(shí)時能量分布顯示，在1/2秒焊接 過程中束寬增大10%，峰值能量減小10%。許多爭論出自這樣的理論：未聚焦光束的空間能量分布被“復(fù)制”到焦斑上。盡管雙方爭論了許多年，迄今幾乎沒有任何例證支持任一方。在這個在線式系統(tǒng)的鑒定過程中，采用了兩個不同的儀器同時測量未聚焦光束和焦斑。結(jié)果對照清楚地說明，該激光器的未聚焦光束和聚焦光束的空間能量分布幾乎完全一致。在鑒定過程中，還在光路上安裝和卸除該儀器的兩種情況下對焦點(diǎn)輪廓進(jìn)行了測量和比較，結(jié)果證實(shí)該系統(tǒng)不影響焦斑結(jié)構(gòu)。圖2是兩個系統(tǒng)拍攝的圖象。 圖2：原始光束的熱點(diǎn)（HOT SPOT）同樣出現(xiàn)在焦斑周圍。爭論一方主張：研究未聚焦光束的空間輪廓對焦斑的空間能量分布是毫無實(shí)用價值的；而另一方堅(jiān)持：未聚焦光束的不良結(jié)構(gòu)在聚焦后一定會再現(xiàn)出來。在本例中，未聚焦光束一側(cè)有一個“熱點(diǎn)”，橫模結(jié)構(gòu)是一個“炸面包圈”，即TEM 01橫模，因?yàn)槠淠芰糠植紙D形看起來像一個典型的炸面包圈。焦斑測量也顯示相同的橫模結(jié)構(gòu)，而且“熱點(diǎn)”同樣出現(xiàn)在焦斑上。在這種情況下，原始光束的空間能量分布成了焦斑能量分布的前兆。 隨著激光器的長久使用，連續(xù)監(jiān)測過程可以警告即將發(fā)生故障，須及時進(jìn)行維修。利用系統(tǒng)中的連續(xù)監(jiān)視器，可以在加工過程中跟蹤重要的光束參數(shù)。 光束能量分布給上述測量方法帶來了經(jīng)濟(jì)效益，由于生產(chǎn)率增加、廢品率降低和停機(jī)時間減少而節(jié)約成本。隨著加工過程變得更加嚴(yán)格，激光能量分布和監(jiān)測技術(shù)將會越來越有成本效益。 Larry Green 是Spiricon 公司 （猶他州洛根城）工業(yè)產(chǎn)品銷售經(jīng)理 參考文獻(xiàn) ◆ 1. Engel, S., "Industrial Laser Processing: Validation with the Use of Beam Diagnostic Instruments," SPIE Workshop, January 2003. ◆ 2. Roundy, C., "Current Technology of Laser Beam Profile Measurements," ICALEO Short Course, September 2000. ◆ 3. Sasnett, M., "Beam Geometry Data Helps Maintain and Improve Laser Processes, Parts 1&2," Industrial Laser Review, August 1993 and May 1994. ◆ 4. Roundy, C., "So, Who Needs Beam Diagnostics?" Lasers & Optronics, April 1994. ◆ 5. Roundy, C., "Pyroelectric Arrays Make Beam Imaging Easy," Lasers & Applications, January 1982. ◆ 6. Green, L., "New Method for Beam Profiling High-Power CO2 Lasers with an IR Camera-Based System," ICALEO, October 2002.