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激光束能量分布分析與監(jiān)測(cè)
2012-12-20
鋼鐵、合金鋼和其它材料的切割、焊接和打標(biāo)，過去一直采用接觸式加工技術(shù)。高功率（平均功率1kW以上）CO2激光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，節(jié)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(shù)完成的生產(chǎn)過程中獲得了認(rèn)可。激光焊接與切割提供非接觸式加工所具有的優(yōu)勢(shì)使之成為可能，例如，激光焊接可以采用遙控焊接頭進(jìn)行大面積處理。同接觸式加工相比，激光加工在工件上產(chǎn)生的熱影響區(qū)（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(wěn)定并聚焦在工件上，激光加工相對(duì)非激光加工來說就有顯著的成本優(yōu)勢(shì)。
激光加工過程首先是一個(gè)熱變化過程[1] ，激光器發(fā)出的能量聚焦于很小的靶區(qū)，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(shù)[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(guān)鍵，而且對(duì)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(zhì)量非常重要。
空間光束能量分布分析是一種測(cè)量方法，它把構(gòu)成光束的所有變量合成為一目了然的圖象。這個(gè)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(gè)方法把未聚焦的光束引向一個(gè)丙烯酸靶塊，光束能量使丙烯酸材料氣化蒸發(fā)，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(xù)若干秒）的空間能量分布。
盡管這個(gè)方法已廣為應(yīng)用，但是精度和重復(fù)精度在很大程度上依賴于操作者的技巧，還在車間里產(chǎn)生大量的易燃有毒蒸氣，必須抽吸出去。而且，采用這個(gè)方法無法測(cè)量激光束在光路上的瞬時(shí)反應(yīng)，例如可能掩蓋了過程最開始時(shí)的變化?？傊?，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(fā)出了一些效果各異的半電子診斷法，其中大多數(shù)方法試圖對(duì)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(yīng)用而論，取樣不是采用細(xì)小空心管上的微米級(jí)小孔，就是采用細(xì)金屬絲末端的小反射鏡，將一小部分原始光束引向一個(gè)熱電式單元素傳感器，然后由這個(gè)傳感器把吸收的能量轉(zhuǎn)換為比例電信號(hào)。
隨著激光器的長(zhǎng)久使用，連續(xù)監(jiān)測(cè)過程可以警告即將發(fā)生故障，須及時(shí)進(jìn)行維修。利用系統(tǒng)中的連續(xù)監(jiān)視器，可以在加工過程中跟蹤重要的光束參數(shù)。
光束能量分布給上述測(cè)量方法帶來了經(jīng)濟(jì)效益，由于生產(chǎn)率增加、廢品率降低和停機(jī)時(shí)間減少而節(jié)約成本。隨著加工過程變得更加嚴(yán)格，激光能量分布和監(jiān)測(cè)技術(shù)將會(huì)越來越有成本效益。
來源 電能質(zhì)量分析儀 http://www.91zenqing.cn/
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