文/John McCauley

美国第16任总统亚伯拉罕·林肯曾经说过：“你可以一时欺骗所有人，也可以永远欺骗一些人，但你不可能永远欺骗所有人。”[1] 在监测集成到系统中的激光器的性能时，情况也是如此。在工业生产中，可以在一段时间内监测整个系统，也可以在所有时间内监测部分系统，但不可能在所有时间内监测整个系统。在工业4.0时代，也就是智能制造时代，理解两者的区别非常重要。

工业 4.0 正在改变各行各业的制造情况。技术的进步正在帮助制造商更高效、更快速、更智能地进行工业生产。要正确应用智能机器，就需要采集各种数据，并对其进行分析和筛选，以改进工艺流程。数据过少会阻碍流程改进，但与此同时，数据过多也可能适得其反。

激光加工系统都有其自身的一套运行特点及相关问题。关于激光器性能的数据太少，无法帮助操作人员充分了解如何管理激光系统内的变化。而如果数据过多，则会让人不知所措、无从下手，其结果是适得其反。

何时测量激光性能指标？

测量激光器性能有四种方法。第一种方法是大多数激光系统操作员所倾向的，即定期维护。在这种方法中，激光器的性能指标是根据激光器的预定停机时间来测量的，通常是每季度、每半年或每年一次。在此期间，对激光器性能指标进行测量，并与之前的测量结果进行比较，以分析激光器的运行趋势。

第二种方法是在工艺故障期间测量。例如，激光焊接时出现焊缝质量下降，或者激光切割时出现切割失败或不能进行切割操作，此时可以测量激光器的性能，使激光系统恢复到设计的运行参数。

第三和第四种方法正是本文所要讨论的——In-process监测和at-process监测。这两种方法各有利弊，操作人员在掌握激光器最优加工方式的同时，必须对这两种方法的利弊了然于胸。此外，操作人员还必须了解，在工业生产过程中，哪些激光指标的测量是至关重要的。

激光如何加工材料？

按照高要求来说，无论将激光用于哪种加工工艺，操作人员都必须了解激光是如何加工材料的。例如，要知道哪种类型的激光适用于焊接，甚至得明白激光如何焊接汽车门框。理解这一点最简单的方法是通过激光功率密度。

功率密度的定义是指辐照到单位面积材料上的激光功率。功率密度通常用W/cm2表示，其中“W”代表功率“瓦”，对连续（CW）激光器而言其值就是功率值；而对脉冲激光器而言，是其平均功率值。“cm2”代表工作平面上激光光斑的面积。例如，100 W激光聚焦到 100 mm的光斑尺寸时，其功率密度为1.27× 103kW/cm2。

激光的功率密度会受到施加到材料上的激光功率或光束大小变化的影响。激光操作员必须测量、分析和理解这两个变量，以确保激光工艺的有效运行。

重要的激光性能指标测量

激光光量的测量通常通过功率计来实现。功率计是一种传感器，它能收集激光，并将其转换为电信号，然后推断出光束产生的功率或能量，最终将读数提供给仪表或电脑进行分析。这一过程通常只需要几秒钟，但也会因所使用的技术而有所不同。这些测量对于数据收集和分析非常重要，尤其是在激光器的生产阶段，因为数据可以让用户理解激光器的性能是如何变化的，以及这些变化如何影响激光器在加工过程中的应用。

此外，还必须测量激光光束的直径。光束直径的计算方法有多种，如D4σ法、13.5%峰值法和10/90刀口法，不同方法的计算结果相差比较大。不同行业、不同背景和不同经验的人，根据其应用场景采用相应的计算方法。

计算光束直径时，必须考虑光束的圆度或椭圆度值。必须理解光束的形状以及能量在光束剖面上的分布情况，是高斯光束还是平顶光束？当试图理解激光是如何应用于加工过程时，激光光束参数的测量，应该由具有行业标准的光束轮廓测量系统来完成。

除了光束直径，在选择激光器、开发激光应用程序，以及将激光光源集成或调试到系统中时，还必须考虑光束质量。在大多数情况下，激光器一旦投入生产，一般就不再分析其光束质量，因此在激光器出厂前完成光束质量分析非常重要。

光束质量可以用 M2 值表示，M2值为1.0时，表示激光光束质量最优。光束参数乘积（BPP=θ×w，其中θ为光束远场发散角半角，w为光束束腰半径）和 K 值（1/M2）也可以用来表示激光光束质量。激光源的光束质量和效率已经有所进步，当涉及到不同加工工艺时，不同的激光源各有优势。

对于用户来说，了解激光在加工过程中的性能指标的变化非常重要。测量激光功率、光束尺寸，及其随时间变化的方式和原因，对于充分了解系统性能和保证更稳定的长期性能至关重要。

In-process监测与at-process监测

如今，需要尽可能接近实时的数据输入。这需要一种通常被称为“加工过程中监测”（in-process monitoring）的技术，该技术涉及在激光加工过程中监测激光性能测量值。在增材制造领域，这种技术被称为“原位监测”。

与“in-process monitoring”相对应的是“at-process monitoring”，即在加工间隙测量激光性能。这两种监测方法都各有其优缺点（见图 1）。

In-process监测

In-process监测或原位监测（in situ monitoring），即在激光器运行和生产时测量激光器的部分性能。激光系统中设置一个专门的测试子系统，只测量部分激光的性能并对其进行实时分析。

In-process监测优点显著。首先，由于子系统与整个系统集成在一起，因此两者可以很容易地进行通信。有关激光性能的实时反馈是持续传递的，因此如果需要，可以对整个系统进行快速调整。其次，这些子系统通常是专门为其所集成的系统而设计的，而且通常比较简单，只提供客户所需的反馈。它们收集的信息，可以很容易地呈现在激光操作员所看到的人机交互界面上。这些数据也可以被存储、分析，并根据分析结果发出能不能操作的警示，以确保系统和用户的安全，或减少废品率。

In-process监测的主要缺点是，这些子系统只能测量整个激光系统的一部分激光性能指标。激光束在到达加工区域之前会被采集一部分样本，并在加工过程中进行分析。遗憾的是，加工过程中出现的许多问题往往是在采集激光测量样本之后，由靠近加工区域元器件的功能退化引起的。如果系统中的元器件在加工过程中发生退化或失效，用于激光测量的样本可能会错过退化或失效，从而向系统提供错误反馈。

In-process监测的另一个缺点是难以校准激光测量组件。由于子系统与整个系统集成在一起，因此通常很难或不能拆下组件进行重新校准。而功率测量组件必须经常校准（Ophir 建议每 12 个月校准一次），以确保测量的准确性。

此类测量子系统还会向激光系统提供其他感知反馈，以显示激光器的性能，而不依赖于对激光性能的实际测量。例如，在靠近加工区域用以保护激光元器件的盖板玻璃上安装一个温度监测器，当盖板玻璃上的加工碎屑过多，碎屑吸收激光能量导致温度升高时，该温度监测器就会提醒激光用户，为系统和用户提供有价值的信息。

At-process监测

At-process监测通常使用一套独立的产品，在激光加工区进行测量，并对整个激光系统进行分析。这些监测系统可以由单独的测量激光功率、能量及光束质量分析等产品组成，也可以由能同时测试这些参数的产品组成（见图2）。这些检测系统可以相互依赖，也可以相互独立，既可以集成到整个系统中，也可以在加工间隙对系统进行定期维护。

图 2：MKS Ophir最新的综合性工业光束轮廓分析系统BeamPeek。

与原位监测（in situ monitoring）类似，at-process监测也有其优缺点。at-process监测的主要优点是对系统内的整个激光性能进行更完整的评估。采集 100% 的激光光束进行功率或能量测量，还可以分析聚焦光斑，为用户提供激光在该时间点的性能的全面分析。这些数据可以在整个系统中保存、存储或记录，然后就可以访问这些数据，进行趋势分析，确保在故障发生后能够进行系统复原，并维护到原有的系统效率。使用这种方法收集数据，最终可以让用户全面了解激光的使用情况，但这需要一些成本。

at-process监测最明显的缺点是停产。由于测量是对整个激光进行的，因此必须将激光从生产中脱离出来进行测量。如果将激光测量系统集成到机器中，通常不会有太大影响，但时间就是金钱。然而，将激光测量系统集成到整个系统中虽然比较便利，但可能成本比较高，有时甚至被认为是不必要的。如果不集成到整个系统中，激光测量产品可以用作维护工具使用。但是，必须将激光从生产中脱离出来进行测量，并且当维护人员不熟悉激工具的操作时，测量起来就会非常耗时，这就可能导致测量频率达不到要求甚至根本就不会进行测量。

除此以外，还有其他一些产品可以为用户提供有关加工过程的信息。例如，有几家公司提供的产品可以利用多种技术对焊接过程进行实时分析。这些系统对焊接过程实施 “进行/不进行”或 “通过/不通过”限制，让用户知道系统何时可能出现问题，以保证生产出更高质量的产品，减少废品率。

 确保激光器在整个使用周期内性能稳定，对于最大限度地提高和保持加工的一致性和效率、延长激光器的使用寿命以及提高系统的投资回报率至关重要。只有在工作现场对激光器的性能进行实地测量，用户才能确切地知道激光器的工作状态。

in-process和at-process这两种测量方法各有利弊，但这两种方法都可以提供重要的激光加工信息。激光性能指标的测量产品在不断发展，越来越容易操作，且更加经久耐用。通过测量激光的多个关键性能指标，用户会更加容易理解激光的工作原理，并能对激光进行长期的性能维护。