提升激光制造工艺可持续性

激光用于多样制造工艺，近年光谱越来越宽。无论传感技术中VCSEL、焊接电池单元的蓝绿激光、增材制造高功率光纤激光、医疗技术量子级联激光，激光技术正革新众多行业。但现代工厂中，常被忽视的是：通过测量激光系统本身，让基于激光的工艺更可持续的机会。

许多新技术仪器在简化文档、节约资源的同时提升激光工艺生产质量。如今甚至能在机器人单元极短上料时间或增材制造密封腔室中，以周期时间中性、全自动方式表征整个光束准直参数。

带风险的悖论

多年持续认为激光束本身“免维护”，因不像刀具“变钝”。即使现在，仍有公司投资最先进生产设施却极少测量激光，且用过时测量技术。现实是激光工艺随时间变化。业界开始意识到检查聚焦激光束多重要。除零部件质量要求提高、企业面临经济压力，可持续性成关键决策因素。但激光技术与环保意识应携手并进。目标直白：

• 零废料；
• 减少材料消耗；
• 降低能耗；
• 最小化返工。

设计工艺时须记一点：激光只能像其光束传输那样好。内置组件随时间磨损脏污。常导致聚焦直径整体变大或聚焦位置偏移，致使光束直径变大。任一情况都降低加工点功率密度。若变化未被察觉，将产生额外成本——废品材料浪费和/或排查问题的时间人力浪费。为补偿工艺变化而不修源头，用户只能降低加工速度和/或增加激光功率。两者均导致能耗和工艺气体消耗增加。换言之……非谁想要或负担得起！

聚焦质量与单件成本

提升激光工艺可持续性，可从几个切入点开始。首要是知晓光束聚焦整体表现，及激光功率和聚焦位置变化如何影响工艺。这些调查通常在开发阶段进行。

激光工艺投产后，测量可知激光在生产环境是否仍如开发时工作。运行持续中，关键维护任务包括检查光学透镜和保护窗——必要时更换。若出现误差和废品，建议有明确测量策略，定义如何快速恢复激光系统运行。

以下流程通常效果好：

1. 检查切割喷嘴处光束调整（如相关）。
2. 更换保护窗。
3. 检查光路调整。
4. 检查激光输出光束功率和光束轮廓。

核心测量参数：激光功率、聚焦直径、聚焦位置（x,y,z）、聚焦偏移、光束轮廓和发散角、光束质量M²、BPP（光束参数乘积）。但所有测量，测量技术选择不应仅基于激光功率；必须知激光功率密度。

激光功率密度定义为单位面积功率（W/cm²）。聚焦直径变化——如因透镜冷却不当或保护窗脏污——直接影响激光束功率密度，多重后果：

• 可能须降低移动速度。
• 切割焊接工艺中加工件质量可能受损。
• 生产时间和功耗增加，昂贵工艺气体需求增加。
• 热影响区（HAZ）变大，需更多后处理如矫直、去毛刺、抛光。特定情况下未被察觉的产品质量下降可导致强度减弱——一旦识别可能导致昂贵召回。

这些技术效应不可避免地显著增加成本并损害可持续性。加工点光束质量偏差越大，能源和工艺气体花费越多。

高效功率测量

尽管相关性明确，批评者常称测量激光束太贵、仪器太脆弱。但有最适配工业应用的新技术。

例如MKS Instruments近期推出新功率计，不只覆盖宽激光应用范围，还小巧紧凑坚固。Ophir Ariel基于快速能量测量确定高达8kW激光功率。连续模式下也可测500W。不同波长范围——440-550nm、900-1100nm、10.6μm和2.94μm——可单设备校准测量。附带扩散器易安装，使仪器也适用高功率密度（如光束直径小）。

鉴于激光测量用工业环境，系统设计须鲁棒；最好防震、防尘、防溅；无需水冷或风冷。允许在密封建造腔测量，如增材制造或机器人单元常需。测量值可通过蓝牙用App或PC读取，直接显示高分辨率屏幕。或存内部存储器经USB-C传输。开发者、操作员、服务技师可用此类紧凑仪器快速测定激光功率，获工艺质量第一印象。

自动化流程

自动化激光生产系统性能测量，也有紧凑鲁棒系统无需水冷。此类系统快速可靠测量激光束，经适当网络接口传数据至中央存储。含标准RS232接口。更现代系统如Ophir Helios Plus，还具Profinet或EtherNet/IP接口。用热测量法，此类设备几秒内测定高达10kW+激光功率。

即使极复杂工艺如焊接电池包、制造燃料电池，主动测量激光功能也能快速精准。但注意测量激光功率仅提供复杂工艺第一瞥。

为可靠推断激光束准直参数，需基于相机测量系统或非接触测量法。图3左显示基于相机测量装置，须沿Z轴移动通过确定光束轮廓找到聚焦位置。聚焦位置快速变化因此难检测。右图示意非接触测量技术，一次记录整个光束准直参数。聚焦位置变化即时显现并时空解析。

尤其是自动化生产领域，激光束非接触测量前景光明。敏感领域如齿轮箱、电池包制造，新产品在单系统结合多测量法。如Ophir BeamWatch Integrated系统：用非接触技术记录光束准直参数；水冷测量头测高功率激光功率；测量数据经集成接口（Profinet、EtherNet/IP、CC-Link、GigE）传生产网络。也可测试不同焊接头和参数. 以视频帧率捕获光束，可近实时检测聚焦偏移，如图4所示。此处脏污保护窗导致聚焦偏移。

更高可持续性

激光系统是多种复杂制造工艺核心。得益于测量技术新创新，制造商和用户现有广泛选项主动测量激光束。关键激光参数可快速准确记录调整。这确保工艺最佳条件运行，无额外成本因浪费能源材料，制造产品满足最高质量要求。激光测量技术从而显著促进可持续生产。

本文由Ophir业务发展总监Christian Dini（犹他州北洛根）撰写。更多信息请访问here .