激光束能量分布分析與監測
2012-12-20
鋼鐵、合金鋼和其它材料的切割、焊接和打標，過去一直采用接觸式加工技術。高功率（平均功率1kW以上）CO2激光器結構設計的最新進展，節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完成的生產過程中獲得了認可。激光焊接與切割提供非接觸式加工所具有的優勢使之成為可能，例如，激光焊接可以采用遙控焊接頭進行大面積處理。同接觸式加工相比，激光加工在工件上產生的熱影響區（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勢。
激光加工過程首先是一個熱變化過程[1] ，激光器發出的能量聚焦于很小的靶區，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[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] ，因此光束模式的質量非常重要。
空間光束能量分布分析是一種測量方法，它把構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，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（一般持續若干秒）的空間能量分布。
盡管這個方法已廣為應用，但是精度和重復精度在很大程度上依賴于操作者的技巧，還在車間里產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，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年中開發出了一些效果各異的半電子診斷法，其中大多數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。就高功率激光應用而論，取樣不是采用細小空心管上的微米級小孔，就是采用細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換為比例電信號。
隨著激光器的長久使用，連續監測過程可以警告即將發生故障，須及時進行維修。利用系統中的連續監視器，可以在加工過程中跟蹤重要的光束參數。
光束能量分布給上述測量方法帶來了經濟效益，由于生產率增加、廢品率降低和停機時間減少而節約成本。隨著加工過程變得更加嚴格，激光能量分布和監測技術將會越來越有成本效益。
來源 電能質量分析儀 http://www.kafenchem.com/
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