激光加工是現代制造業中重要的工具，本文介紹六個需要注意的工業級激光系統應用過程中的誤區，以確保高質量的激光加工效果，幫助企業提高效率，節能降耗。

激光系統的監控有助于確保一致和高質量的連接過程（high-quality joining processes）。

當今，激光工藝的可靠性和可重復性持續提升，工業制造商可以不斷地提高生產零部件的數量，同時也穩定生產品質。我們每天都可以看到新的應用，從增材制造（additive manufacturing）中的燒結，電動汽車部件加工（e-mobility component processing），激光技術越來越強大，使用范圍越來越廣泛。

但是，在工業激光器的部署、操作或維護過程中仍然存在許多誤區。在保持一致的激光工藝方面，激光操作員可能會產生錯誤的安全感并養成壞習慣。這些陷阱可歸因于幾個不同的問題，包括：了解激光在材料加工應用中的行為方式、現代激光產品與傳統激光產品的不同之處，以及何時、何地檢測激光器的性能。

陷阱 1

不要假設今天的激光工藝非常穩定，認為激光器系統中不需要太多檢測，這其實是個誤區。材料加工應用在 1950 年代激光問世后不久就得到了發展。二氧化碳激光器可產生 10.6 μm 波長的激光，憑借其原始功率、相對低廉的運營成本和易于維護，歷來一直是激光制造的支柱。成千上萬的激光操作員耗費大量精力，開發了當今使用的操作和維護方法，使得數十萬個激光器仍在使用中。

1980 年代出現了作為工業工具的 1 μm 激光器（fiber lasers光纖激光器、direct diode lasers二極管激光器、disk lasers碟片式激光器等），并且繼續改變著工業激光制造的格局。1 μm 光纖具有一系列優勢：更高的電光轉換效率、更高的光束質量和更少的維護等優勢。但它最初很昂貴，不能產生足夠高的輸出功率用于工業激光應用，而且難以維護。

1 μm 激光器的制造商已經克服了大部分障礙，現在正在提供更實用的光源和系統。一個問題是，隨著 1 μm 激光器在工業環境中取代 10.6 μm (CO2) 激光器，操作和維護工作并不是直接被替代。1 μm 激光器不能像 10.6 μm 激光器那樣操作和維護。

盡管今天的激光系統已經變得質量較為可靠，但用戶可能會忽略該系統仍然由具有物理特性的光學部件組成。激光系統由機械和電氣組件組成，這些組件在定期使用后會退化或失效。惡劣工業環境會導致碎片（debirs）產生，會增加這些組件退化和故障的可能性和頻率。結果是激光系統效率降低，操作成本更高。系統設計人員在管理工藝中產生的碎片方面發揮了創造性，但如果不定期檢測激光系統性能，激光用戶就無法完全了解這些系統組件退化如何影響激光工藝，也無法完全了解如何（或何時）采取措施提高系統效率。

激光系統需要定期維護才能快速高效地生產零件，但是，這意味著成本提升。要考慮投資回報和維護系統所需的時間之間的關系。

陷阱 2

依靠他人來解決激光問題，一般代價高昂。制造商、應用工程師、系統集成商等行業專家保持良好關系至關重要。這些專家不斷改進將工藝要求轉化為工具的方法，以幫助制造商始終如一地生產高質量的零件。但是激光工藝可能會出錯。使用隱形工具（an invisible tool）時，確定問題的根源并不總是那么容易。當故障排除中不包括激光測量產品時，恢復系統會浪費更多的時間和金錢。

在這種情況下，激光檢測解決方案（laser measurement solutions）可以迅速收回成本。這些解決方案不僅可用于在系統內建立激光器的基線性能（baseline performance），還可用于解決激光器問題并更有效地將系統恢復到其基線。集成的激光檢測產品可以幫助確定激光器狀態的變化——建立激光器性能趨勢以幫助操作員開發更有效的維護工作，并在出現問題時幫助進行故障排除。

另一個挑戰源于CO2激光器和光纖激光器（以及類似的 1 μm激光器）之間的差異。CO2激光器在 10.6 μm 波長下工作。它們的光學器件堅固耐用，不易受到周圍加工碎屑的損壞，并且更易于維護。現代，光纖、碟片和半導體激光器的工作波長接近 1 μm。它們的光學器件更容易受到惡劣工業環境中產生的碎屑的損壞，更換時必須格外小心。一些激光操作員依賴于更換 CO2激光光學器件的傳統做法，但如果不格外小心，這些做法最終會損壞這些 1 μm 波長的激光器加工頭（processing heads）。

陷阱 3

如果激光功率沒有達到運行需要的功率，不要僅僅調高電源。這往往發生在 CO2激光應用中。激光操作員深知時間就是金錢，他們的工作績效通常與所生產的零件的數量掛鉤。當激光器開始出現不良行為時，激光器操作員通常會采取最快的措施使系統恢復正常。

例如，在激光切割應用，通常直接調高激光功率以持續生產零件。但可能導致損壞的（或舊的、或受污染）的光學元件引起的激光系統熱效應增加。熱效應導致聚焦點向上移動，導致工作現場的功率密度降低。在切割應用中，提高電源功率可以暫時性解決問題，但不能解決掉根本原因。

光束分析儀器（Beam profiling instrumentation）允許用戶調整他們的激光工藝，以達到足以完成任務的精確輻照度，但又不會太過強烈以至于焊接過熱。今天的激光測量解決方案能夠更好地了解激光的性能，并比以往任何時候都更有效地進行系統的操作和維護。

陷阱 4

不要認為對激光系統進行檢測太昂貴。定期檢測激光系統的投資回報率低，是一個誤區。這源于一種誤解，即激光檢測方案的購買成本很高，而且難以設置和使用。還有一種心態，雖然激光檢測設備很好，但它可能無法直接為應用程序提供有用或相關的信息（集成化或者信息化水平未達到要求）。

過去，購買激光檢測的解決方案確實成本很高。

而今，隨著相機技術、光學元件、網絡、通信、計算能力和軟件的進步，激光檢測產品體積變得更小、效率更快、更便宜，并提供了與激光相關的信息。激光功率計（Laser power meters）和光束分析（beam profiling）產品已發展成為具有成本效益的維護工具，可以直接集成到激光工作單元中。

例如，在傳動部件、電池組件或座椅組件的焊接中，激光必須始終如一地與設計過程相互作用。汽車制造商越來越普遍地將工業組合功率測量和光束分析設備集成到他們的工作單元中，以定期監測激光器性能以進行趨勢分析、過程可追溯性和更智能的維護預測。使用這些工具的人很快就會意識到投資回報率的提高。

除了成本改進之外，還有多項改進使這些產品的操作更加容易。激光檢測系統考慮了系統集成商以及操作員和維護人員的需求。例如，它們使用行業標準通信協議，并設計有牢靠的工業硬件連接。還包括安全增強功能，以防止加工碎片、環境過熱等造成的損壞。這些激光功率計和光束分析產品已經非常廣泛用于科學研究領域，現在這些產品也被應用于工業領域，設計已經適應了更惡劣的生產環境。

陷阱 5

沒有激光檢測就無法管理激光工藝。在某些情況下，開發、部署激光應用程序，并且簡單地假設性能保持一致；除非過程出現問題，它才會被想起。

消費類產品行業競爭激烈，考慮可靠和安全的產品同時，必須維持相對低的運營成本。但由于許多激光應用的參數嚴格，例如焊接高反射材料的快速聚焦/高激光功率應用，實現一致的激光工藝并不總是那么容易。為確保激光器在一段時間內始終如一地運行，必須進行關鍵性能定期檢測、分析并主動采取行動。當這些激光參數未被定期測量導致數據不清，制造過程可能會漂移，并最終導致零件報廢。

例如，如果銅材料的焊接應用中，聚焦點偏離其設計位置，則過程中光束尺寸增加會導致焊接熔深損失（loss of weld penetration）。如果跟蹤激光系統上的焦點偏移量，則可以避免這種漂移問題。

可持續性發展是一個全球共同思考的議題。現如今，已經擁有很多智慧的制造方式，避免了大量的資源消耗，減少對地球的影響。任何參與過這些計劃的人都知道，流程的每一個小改進都會有所幫助（every little improvement to a process helps）。檢測、趨勢分析和分析激光性能，并采取措施保持一致的激光輸出性能會有所幫助。對激光系統將維護得當，消耗更少的功率并最大限度地提高制造能力，這不僅有利于降低運營成本，也有利于我們的星球。

陷阱 6

并非所有傳統的激光檢測技術都經過了時間考驗，并提供有關激光的足夠信息。一些激光服務人員仍然使用非常簡單的工具來維護和解決問題。例如一些快捷且易于使用的工具產品，激光“power pucks”、亞克力塊和熒光涂層熒光板（phosphor-coated fluorescent plates）。可是，這些產品所描繪的激光系統信息并不完整。

使用上述這些方法，將激光射入體熱設備（bulk thermal device）幾秒鐘，從而產生與輸出功率相對應的單個數字。激光束被成像到丙烯酸塊或熒光板上，并在沒有任何趨勢數據或行業測量標準的情況下進行主觀分析。當今的電子激光檢測產品提供基于時間的測量，允許對激光性能進行短期或長期趨勢分析，根據 NIST 可追溯標準進行校準，并使用符合 ISO 標準的光束測量方法。這提供了更全面的激光特性分析和對測量精度的信心。

隨著工業 4.0時代到來，機床具備了良好的信息化功能和反饋機制，被證明對于改進工業加工非常有價值。激光器也不例外。現在可以通過幾種不同的方法提供有關激光器性能特征的信息。過程中或原位檢測可以提供有關激光器運行方式的實時反饋，但通常只分析系統的一部分，限制了所提供信息的全面性。另一方面，在過程中，對產品檢測可以更全面地分析激光系統在每個加工點的性能，但這些產品必須在零件運行之間（between part runs）使用，因此本質上，并不是實時操作。

應鼓勵當今的激光用戶不斷改進其流程。不斷地優化的過程，是在制造業工作的人們不斷追求的目標。節省時間和降低成本可以直接提高公司的業績。通過獨立檢測或集成化檢測激光器的性能是實現這些目標的最佳方式之一。這是對企業、對我們的地球和對自己負責的事情。

審核編輯：劉清