Лазерная обработка материалов: почему необходимо обслуживание оборудования и измерение параметров лазерного излучения
ИноСМИ, Промышленные лазеры 03.04.2019 Комментарии к записи Лазерная обработка материалов: почему необходимо обслуживание оборудования и измерение параметров лазерного излучения отключеныБританский физик и инженер 19-го века Уильям Томсон, первый барон Кельвин, первым сказал: «Если вы не можете измерить это, вы не можете это улучшить». При применении этого принципа для улучшения процессов на основе лазера, есть множество параметров, которые должны быть измерены, потому что компоненты лазерных систем всегда будут искать способ вернуться к своему естественному состоянию … деградации компонентов.
Измерения производительности лазера могут проводиться так часто, как нравится пользователю, и частота этих измерений часто определяется рядом проблем. Но какой частоты достаточно? Какие измерения следует отслеживать? Когда эти данные собраны, что с этим делать?
По мере разработки лазеров производители лазеров проводят измерения, чтобы понять, как изменения в конструкции влияют на производительность. Эти данные являются (или должны быть) упомянутыми несколько раз в течение срока службы лазера.
Когда лазер готов к использованию по назначению, способ, которым лазерное излучение применяется к обрабатываемому материалу, обычно измеряется как функция плотности мощности (известной как плотность энергии при обсуждении импульсных лазеров, но концепция та же самая.) Мощность лазера и размер луча могут меняться со временем по причинам, в основном связанным со вторым законом термодинамики. При изменении мощности лазера или изменении размера луча изменяется способ взаимодействия лазерного излучения с обрабатываемым материалом (плотность мощности). И когда изменяется плотность мощности, лазерная система больше не обрабатывает материал, так, как было спроектировано.
Как только лазерная система готова к применению, в жизненном цикле лазерной системы происходит пять раз, когда сбор и применение данных измерения производительности лазера имеют решающее значение для ожидаемого результата процесса.
- Разработка приложений
Разработка лазерного приложения иногда может быть длительным, сложным процессом. Часто существует несколько параметров лазера, которые можно изменить, чтобы повлиять на то, как лазерное излучение взаимодействует с материалом. Это сводится к тому, сколько лазерного света применяется и насколько велик размер луча в точке обработки. При обсуждении применения импульсного лазера также важно понять, посредством измерения, какова форма каждого импульса и длительность каждого импульса, поскольку эти параметры также влияют на результат процесса.
Рис. 1. Получение профиля луча на лабораторном лазере.
Измерение производительности лазера на этом этапе жизненного цикла лазера имеет важное значение. В случае, если лазер конечного пользователя со временем теряет эффективность, неправильно обслуживается или терпит катастрофический отказ, возврат к этому эталонному набору измерений может быть достигнут путем измерения производственного лазера и регулировки параметров лазера в течение периода его технического обслуживания, чтобы вернуть его в здоровое состояние.
- Встраивание лазерного источника
Разработка лазерного приложения обычно выполняется с помощью эффективной оптимизированной лазерной системы в лабораторных условиях. После разработки приложения параметры передаются на другой идентичный или похожий лазер, который будет интегрирован в систему конечного пользователя. Даже если эти два лазера могут быть одного и того же производителя и модели, они представляют собой два разных лазера, состоящих из двух разных наборов компонентов. Единственным способом управления этими переменными является сравнение измерений между двумя системами, чтобы убедиться, что выходная мощность, размер луча и форма луча одинаковы.
Перед передачей этого приложения на лазер в полевых условиях важно охарактеризовать его производительность во время разработки приложения, чтобы убедиться, что оно будет точно соответствовать обрабатывающему лазеру после его интеграции на месте. Измерение выходной мощности (или энергии) на рабочем месте, а также размера и формы сфокусированного пятна лазера приведет к значению плотности мощности (или энергии). И снова, если разрабатывается применение импульсного лазера, также важна характеристика формы импульса, его длительности и частоты, поскольку эти характеристики лазера напрямую коррелируют с тем, как лазер взаимодействует с материалом.
Рис. 2. Различные профили луча, взятые в разных местах на пути луча лазерной системы; иллюстрирует, как лазер может меняться при прохождении через систему
- Системная разборка, доставка и установка
Передача лазера от производителя или интегратора конечному пользователю часто представляет собой сложную серию задач. Общая цель этого шага — доказать заказчику, что лазерная система работает так, как задумано. Поскольку такие лазерные системы обычно считаются значительными инвестициями, обычно существует несколько критериев, которые необходимо выполнить, прежде чем система будет принята. Измерение параметров лазера и сравнение этих измерений с измерениями, выполненными на этапе разработки приложения, подтвердит правильность системы и докажет заказчику, что лазерный источник и система, в которую он интегрирован, будут работать так, как задумано.
Дополнительным этапом, который часто является частью этого процесса, является принятие системы после ее установки на объекте заказчика. После того, как будет доказано, что система работает так, как задумано, ее необходимо частично или полностью разобрать, чтобы доставить к себе домой, а затем подготовить к работе. Это может изменить целостность лазерной системы. Итак, еще раз, измерения должны быть выполнены, чтобы подтвердить, что система работает, как задумано.
Наконец, всякий раз, когда конечный пользователь перемещает лазерную систему из одного места в другое, обычно требуется разборка и повторная сборка. Это также может повлиять на целостность системы, как это было при доставке системы. Настоятельно рекомендуется проводить измерения на лазерной системе как до, так и после перемещения системы, чтобы убедиться, что ее характеристики остаются неизменными после ее перемещения.
- Периодические измерения во время развертывания
После того, как лазерное приложение было разработано, построено и доставлено, и применено в производстве, даже если лазерные измерения были сделаны на всем пути, система не в стационарном состоянии. На этом самом длинном этапе жизни лазера второй закон термодинамики обладает наибольшим эффектом. В какой-то момент в жизни этой лазерной системы один или несколько ее компонентов будут разрушаться. Это может быть быстро, или это может занять месяцы или даже годы, но что-то пойдет не так с системой, потому что физическое разложение неизбежно.Есть много причин отказа компонентов лазерной системы. В большинстве случаев причина может быть связана с суровыми условиями, в которых работают многие из этих систем.
Промышленные лазеры, которые обрабатывают материал, например, режут, сверлят и сваривают, производят значительное количество мусора во время процесса.
Этот мусор процесса, если его не организовывать должным образом, может привести к серьезным повреждениям ближайших к процессу компонентов лазера, таких как защитное стекло, ограничители траектории луча и даже оптика или зеркала, в серьезных случаях. Другим источником проблем с ухудшением качества компонентов является сам лазер. Некоторые длины волн света очень сильно влияют на компоненты системы; в результате необходимо постоянно контролировать эффективность системы.
Независимо от того, как используется лазер, измерение его производительности имеет решающее значение на этом, самом длинном этапе жизни лазера. Независимо от лазерного источника, системы или ее применения, плотность мощности / энергии всегда определяет, как лазер взаимодействует с процессом.
Разрушение компонентов лазерных систем в конечном итоге приведет к снижению эффективности системы. Мощность лазера, вероятно, со временем уменьшится, потому что лазерная оптика и зеркала постепенно поглощают больше лазерного света. И из-за тепловых эффектов, которые вызывает это поглощение, оптика лазера немного изменит форму, и сфокусированное пятно будет испытывать изменения в размере или местоположении относительно процесса (известно как «смещение фокуса»).
Снижение мощности лазера в сочетании с несоответствиями в размере лазерного пятна снижает плотность мощности. Эта потеря эффективности в конечном итоге приведет к тому, что система вообще не сможет провести обработку.
Периодические измерения лазерной системы — лучший способ управлять этими изменениями и лучше прогнозировать, когда необходимо выполнить корректирующее обслуживание системы.
- Профилактическое и корректирующее обслуживание
Поддержание работы лазерной системы на заданном уровне производительности может быть достигнуто только с помощью комплексной процедуры обслуживания с целью защиты лазера, что является одной из наиболее ценных инвестиций компании. Производители лазерных систем и системные интеграторы имеют информацию о том, как правильно обслуживать поставляемые ими системы. И измерение лазерной системы должно быть частью рутины.
Создание лазерного приложения, а также доставка и использование системы должны включать в себя набор измерений системы. Рекомендуется, чтобы во время профилактического технического обслуживания измерения проводились как до, так и после технического обслуживания. Эти измерения следует сравнить, чтобы проверить увеличение или, по крайней мере, поддержание эффективности системы, и с первоначальными измерениями, проведенными для подтверждения того, что система снова работает в эффективном состоянии.
Даже в исправных системах могут произойти катастрофические сбои одного или нескольких компонентов системы. Источники неисправности включают неисправные компоненты, неправильно установленные компоненты, неправильную работу лазерной системы и многое другое. Полный отказ этой сложной системы может быть или не быть проблемой с лазером. Если причина сбоя неизвестна, именно здесь измерение лазера (если лазер может работать) имеет жизненно важное значение для процесса устранения неполадок. Однако, если известно, что причиной сбоя является проблема с лазерным источником, измерение лазера обычно может очень быстро выявить проблему с лазером. Если используются электронные измерительные инструменты (такие как электронный измеритель мощности или камера или система профилирования луча на основе сканирующей щели), просмотр характеристик лазера в режиме реального времени часто помогает специалисту по лазерной диагностике определить причину проблемы. Например, трещины в выходном окне приведут к быстрому снижению мощности лазера, а также к быстрому увеличению размера лазерного луча.
Ценности и преимущества измерения производительности лазерной системы не всегда признаются или оцениваются с первого взгляда. Это особенно верно в производственной среде, где время — деньги, а лазерная система ценна только тогда, когда она производит детали. Важно понимать, как лазерное излучение взаимодействует с материалом, понимать, что качество этого процесса зависит от поддержания согласованности в этом взаимодействии, и что согласованность может поддерживаться только путем измерения его характеристик. Применяя методы измерения рабочих характеристик лазера на каждом этапе жизненного цикла лазерной системы, можно добиться последовательной и эффективной обработки, и этот ценный инструмент можно лучше защитить.
Автор: Кеннет Ферри, директор по продажам, Ophir Photonics
Источник: https://www.ophiropt.com/laser—measurement/knowledge-center/article/10278
