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如何在制造中测量激光

发布时间:[2019-06-29 14:04:31]

激光改变了金属制造。重型激光切割机已经无处不在,被最大的原始设备制造商和最小的金属制造加工车间使用。激光已成为一项成熟的技术,是汽车和航空航天等行业许多联合进步的核心。

激光器也是增材制造(AM)的核心。这包括激光金属沉积,如在两大类金属AM,定向能量沉积(DED)和粉末床熔合(PBF)中使用的。AM重组了原型设计和开发,推广了先进的设计,被许多人认为是制造业的未来。

几十年来,激光一直在推动金属制造业发展,并且它仍在继续这样做。但要正确和可预测地工作,必须根据应用细化光束。光束的特性,包括其功率,功率密度和焦点,都起着重要作用。

尽管如此,如果没有精确测量激光过程本身,很难理解这些变量和其他变量的确切作用,以及每个变量在特定应用中如何与另一个变量相关。


                                      激光束轮廓显示了焦点处光束功率的分布。

平衡法案

每个涉及激光的制造过程都需要平衡正确的激光变量和正确的加工特性。三维金属印刷很好地说明了这一概念。为了印刷金属部件,在构建区域上绘制金属粉末以达到精确的厚度,同时聚焦的激光束将金属粉末加热到正确的温度; 这将粉末融化。

如果激光功率太低或施加时间不够长,则粉末颗粒不能正常熔化; 金属变得多孔,因此变弱。

如果大型激光切割机使用太多激光功率或激光施加的时间超过必要时间,则激光将钻入熔融粉末中,从而降低结构的密度。如果焦点位置在构建平面之前或之后,或者激光功率的分布未被优化,则将导致金属粉末的不充分熔化。所有这些条件都留下了冶金学上不正确的部分。

基本参数

功率密度是激光如何应用于被处理材料的量度。它表示为瓦特每平方英寸W / cm2,其中瓦特是激光功率的单位,厘米平方是与光束大小相关的区域。

换句话说,重型激光切割机激光的功率密度是集中到某个空间的功率量。例如,聚焦到50微米直径光斑尺寸的400W激光器将产生大约41兆瓦每平方厘米的功率密度。

在AM中,激光束的功率密度可超过1 MW / cm 2,因此需要精确测量。光学元件的脏污或损坏会严重扭曲光束轮廓,并可能导致电源管理错误。

激光器产生的功率密度决定了激光与材料的相互作用以及相互作用的结果。例如,烧蚀塑料需要比切割1英寸厚的钢低得多的功率密度,因为这两种材料与激光束的相互作用不同。


Rayleigh散射测量的结果显示了焦点的移动方式。激光束焦点从红色箭头移动到绿色箭头,红色箭头位于过程开始处。

由于许多原因,激光功率和光束尺寸可能随时间而变化。大多数变化都与热力学第二定律有某种关系。激光功率或光束尺寸的变化会改变激光与材料相互作用的方式 - 即功率密度。当功率密度发生变化时,激光系统不再像设计那样处理材料。这可能导致热效应和组件退化。

在AM中,由于功率密度可能超过1 MW / cm2,技术人员必须非常小心地准确测量工作激光束。光学元件脏污或损坏会严重扭曲光束轮廓,也可能导致功率测量误差。

激光束聚焦光斑尺寸直接影响粉末密度

良好的测量可确保光斑尺寸保持在有限的窗口内,从而实现一致,稳定和正确的激光功率密度。

Z方向(垂直于工件)的焦点偏移是由激光器组件的热效应引起的:特别是透射光学元件,如聚焦透镜和保护盖滑块。随着焦点的移动,光斑尺寸发生变化,从而改变了功率密度。这改变了激光与材料相互作用的方式。

遗产测量

多年来激光质量大大提高。拥有成本和所需的维护成本降低了。但大型激光切割机中的激光不仅仅是光。产生光束的系统仍由物理物质构成。组件会随着时间的推移而降级,变脏,有时会发生灾难性故障。性能漂移,尤其是高功率激光器。

因此需要有意义的激光参数测量。但哪些测量可以帮助解决这些问题?激光测量技术可帮助技术人员分析激光功率以及激光束内功率的空间分布。

功率测量的传统方法包括置于梁下方的动力圆盘。光束产生一连串的功率,圆盘吸取它,测量的温度增加用于计算激光束功率。现代功率圆盘适用于功率高达10 kW的激光器,功率密度非常高。圆盘也必须适应温度效应,因为圆盘的热性能不随温度而完全恒定。

关于光束分析,遗留系统包括丙烯酸模式烧伤和烧伤纸等方法。烧纸是一维测试。产生的标记要么被烧毁要么被烧掉。有关激光性能的所有信息都来自光束中功率的形状(或分布)。当然,激光束本身也是三维的。

而且,烧纸在尺寸上不准确。燃烧只发生在有足够的燃烧能力的地方; 测量它有关功率密度的有用信息是没用的。

丙烯酸模式燃烧在透明丙烯酸块中留下3-D压花,显示出光束的空间功率分布。但这种技术存在一个很大的问题:丙烯酸模式燃烧需要燃烧丙烯酸塑料,这会产生致癌烟雾。


材制造中的现代激光测量技术测量构建平面上的光束,确切地说,激光与粉末相互作用,逐层构建零件。

这些和类似的传统测量系统仅提供单个数据点(没有趋势数据),并且说明它们是主观的。这意味着技术人员根据不完整的分析做出决策。

现代测量

为了真正理解工艺参数,技术人员必须知道激光束的功率密度分布。总功率,聚焦光斑尺寸和焦平面位置描述了工作光束,但随着光束传输光学系统随时间变热,这些参数会发生变化。

现代激光测量技术试图理解这些变量并试图约束变化。这有助于实现始终如一的精确构造以实现良好的测量。

为了理解所提供的光束,技术人员使用采用相机,扫描针孔或非接触瑞利散射的光束分析仪这些是NIST可追踪的设备,可以根据已知标准测量功率密度分布。简而言之,它们可以帮助技术人员绘制和理解交付的光束,使他们能够使用即时的实时数据生成基于行业标准的分析。

混合系统具有测量激光束轮廓,功率和位置的传感器。它们提供了光束功率密度分布的精确图像,以及其位置和一致性。

在制品与在制品

激光测量有两种方法:过程中和过程中。在线或在线测量系统集成在激光系统中,因此可以提供连续分析。它们沿着光束路径的某处使用一部分激光束,通常靠近被处理的物体,并且可以提供连续的闭环反馈。

但是,由于该方法对光束进行采样,因此无法分析整个系统。测量点之后的任何内容都不是分析的一部分。并且,不幸的是,大多数激光系统问题发生在非常接近加工区域。

在线测量可以同时提供对过程的完整测量和分析。光束被引导到分析系统中,该分析系统通常包括功率测量系统,光束分析系统和时间脉冲形状测量系统。所有人共同努力完成整个分析。然而,这种方法的缺点是,为了设置和实行分析,技术人员必须将激光器停止生产。

有些系统同时满足过程中和过程中的要求。它们包括用于空间测量的CCD相机和用于测量激光功率密度分布的单独传感器。

在AM应用中,摄像机位于构建平面,因此它可以在工作激光束处提供功率密度分布 - 即,在光束熔化粉末并形成层的位置材料。分束器将一小部分光束引导到相机,而大部分光束通过集成功率传感器(见图4)。它们提供的信息有助于构建光束内空间功率分布的单维或多维视图。


该测量系统使用分束器将光束发送到摄像机进行实时测量。

这种布置可以检测焦点位置的变化,这反过来可以在光束被光束加热时改变系统光学系统。例如,在AM中,焦点位置可以随时间移动几毫米,从而改变光束对金属粉末的影响。通过实时测量这种变化,技术人员可以在损坏完成之前校正热变换。

维持一致的流程

重型激光切割机中良好的激光源并不总能转化为良好的激光工艺。考虑图6,其中电源中的束功率密度分布是清楚的,中间的高浓度被较低功率密度的外环包围。一旦光束穿过传送系统,它必须通过各种部件,这取决于激光系统。这些可包括自由空间光学器件(如在CO 2激光器中)或工艺光纤(如在Yb:光纤激光器中),快门,光圈和吹扫气体。

然后光束通过激光加工头的各种部件,(再次,取决于设置)可以具有光束整形光学器件,扫描镜,聚焦透镜和镜子,保护盖玻璃,工艺气体和喷嘴。如果没有良好的维护,所有这些元素都会改变功率分布并降低光束质量。

良好的激光工艺需要良好的维护和基准测试,因为激光系统不可避免地会随着时间的推移而发生变化。最终,没有充分测量的激光工艺是不受控制的,综合测量是控制它的关键因素。


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