Giám sát hiệu suất chùm tia laser

Trong 20 năm qua, việc sử dụng laser công nghiệp để cắt, khoan, hàn, đánh dấu và ốp đã tăng lên đáng kể. Laser công nghiệp, không giống như những người anh em trong phòng thí nghiệm của chúng, không được thiết kế với mục đích giám sát liên tục. Laser thường được cho là hoạt động với hiệu suất cao nhất, trong khi thực tế thì không phải vậy. Trừ khi người vận hành lành nghề có thể xác định vấn đề một cách nhanh chóng và thực hiện các biện pháp khắc phục, nếu không có thể sản xuất số lượng lớn các bộ phận không phù hợp có thể làm giảm đáng kể lợi nhuận.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng chùm tia

Mục tiêu của quy trình sản xuất điều khiển bằng laser là cung cấp lượng năng lượng phù hợp, được phân phối chính xác trên khu vực mục tiêu, vào thời điểm thích hợp. Laser công nghiệp, đặc biệt là laser, hoạt động ở chế độ đa chế độ, khiến việc xác định chất lượng chùm tia trở nên cần thiết.

Mặc dù chất lượng chùm tia có thể được xác định khi chế tạo laser, nhưng nó không thay đổi trong suốt vòng đời của laser. Các thành phần bên trong, chẳng hạn như gương khoang, đèn flash, điốt và quang học phân phối, có thể thay đổi theo thời gian và mỗi thành phần có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của laser. Ngoài ra, đối với laser sử dụng đèn flash, việc thay đổi mức công suất hầu như luôn thay đổi cấu trúc chế độ của chùm tia.

Khi quá trình sản xuất laser được đẩy lên mức hiệu suất cao hơn, chất lượng chùm tia thường có nghĩa là sự khác biệt giữa các bộ phận chấp nhận được và không chấp nhận được.

Hình 1: Cả hai cấu hình chùm tia mô phỏng (trái) và thực tế (phải) này đều có vẻ được hội tụ chính xác, nhưng cấu hình chùm tia mô phỏng thực sự là tổ hợp của năm cấu hình con (bên dưới), không cấu hình nào trong số đó cho thấy hiệu suất cao nhất như cấu hình gợi ý.

Kỹ thuật đánh giá chất lượng chùm tia
Trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển, thiết bị đo đạc tinh vi đã có sẵn trong hơn 10 năm, đặc trưng hoàn toàn cho chùm tia laser, từ đó xác định chất lượng của nó. Tuy nhiên, thiết bị này khó kết hợp ở cấp độ sản xuất vì nó không thể chịu được môi trường cửa hàng. Do đó, người vận hành thường sử dụng các kỹ thuật phi điện tử để đánh giá chất lượng chùm tia, chẳng hạn như đốt giấy, bản hoặc thẻ phát huỳnh quang hoặc đốt thử trực tiếp. Mặc dù các phương pháp này không tốn kém, nhưng chúng không tiết lộ những điểm tinh tế có thể ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng cuối.

Các kỹ thuật phi điện tử dựa vào mắt người để đánh giá các hình ảnh được tạo ra và do đó mang tính chủ quan. Mặc dù mắt rất giỏi trong việc nhìn thấy nhiều mức độ sáng logarit, nhưng nó chỉ có thể phân biệt giữa một số sắc thái tuyến tính của màu xám, thường là nơi tìm thấy những điểm tinh tế này. Ngoài ra, các phương pháp phi điện tử là tĩnh, vì vậy chúng không tiết lộ những biến động ngắn hạn.

Định hình chùm tia điện tử là một phương pháp khác để đánh giá chất lượng chùm tia. Quá trình này đo cường độ không gian của chùm tia và có thể hiển thị hình ảnh ở hai hoặc ba chiều. Tuy nhiên, nó không đo được thuộc tính cơ bản của chất lượng chùm tia tốt. Như hai hình ảnh trong Hình 1 cho thấy, cấu hình chùm tia trông đẹp không nhất thiết có nghĩa là khả năng hội tụ chùm tia cũng tốt.

Hình 2: Một hệ thống giám sát laser trực tuyến có thể được trang bị thêm cho một laser hiện có hoặc được chế tạo thành một laser mới và bao gồm một thiết bị tách chùm tia, các ống bịt kín, gương xoay và mô-đun phân tích/giám sát.

Kỹ thuật lấy nét tia trực tuyến

Trên thực tế, khả năng hội tụ chùm tia là một tham số xác định rõ ràng lượng năng lượng hữu ích được cung cấp cho bề mặt làm việc. Hệ số hội tụ chùm tia, hay M2, đã được sử dụng trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển trong nhiều năm để mô tả khả năng hội tụ năng lượng của laser.

Cường độ chùm tia laser thường liên quan trực tiếp đến khả năng hội tụ của chùm tia, vì nếu năng lượng không thể được tập trung ở kích thước phù hợp ở đầu ra laser, thì nó sẽ không đến được bề mặt làm việc với hiệu quả mong muốn. Tham số này hiện được mô tả trong phương pháp ISO 9001 (11146) và một số nhà sản xuất laser đang sử dụng nó trong quá trình lắp ráp để tạo ra “giấy khai sinh” có thể được lưu trữ vĩnh viễn để hiển thị hiệu suất của laser mới. Nó cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh hoặc như một công cụ chẩn đoán để khắc phục sự cố.

Những tiến bộ gần đây trong thiết bị đo đạc cho phép kỹ thuật tập trung chùm tia trực tuyến được trang bị thêm cho tia laser hiện có hoặc được thiết kế thành tia laser mới. Hệ thống này bao gồm một thiết bị tách chùm tia, các ống kín, gương xoay và mô-đun máy phân tích/giám sát (xem Hình 2 ). Các phụ kiện được gắn cố định này có thể được đặt ở hầu hết mọi nơi trên tia laser hoặc tấm gắn của nó. Mô-đun máy phân tích/giám sát có thể dễ dàng tháo ra và có thể được sử dụng trên nhiều máy laser trong cùng một cơ sở. Thiết bị này phù hợp với cả laser Nd:YAG sóng liên tục (CW) và laser xung hoạt động ở bước sóng 1.064 nanomet.

Hình 3: Kết quả phân tích được hiển thị trên màn hình để người vận hành có thể theo dõi hiệu suất của tia laser về cấu hình chùm tia, đường cong hội tụ và tính toán M2 thời gian thực.

Thiết bị lấy mẫu một lượng nhỏ (0,4 phần trăm) năng lượng thoát ra khỏi tia laser và tính toán hệ số khả năng hội tụ của chùm tia bằng phương pháp được ISO 9001 phê chuẩn. Sau khi tính toán này được thực hiện, thiết bị có thể tính toán hệ số hội tụ chùm tia trong thời gian thực bằng cách đo độ rộng chùm tia theo hướng X và Y và áp dụng các tham số đường cong đã xác định trước đó.

Các kết quả được hiển thị trên màn hình để người vận hành có thể theo dõi hiệu suất thời gian thực của laser (xem Hình 3 ). Các màn hình có thể tùy chỉnh cũng cho phép người vận hành so sánh các giá trị tức thời với giá trị của các giá trị tham chiếu, cùng với biên dạng chùm tia hai chiều. Khi được xem trong thời gian thực, màn hình này cung cấp những hiểu biết mới về hiệu suất thực sự của laser.

Khả năng và hạn chế

Màn hình hiệu suất chùm tia laser trực tuyến có thể được so sánh với màn hình động cơ cho ô tô. Nếu động cơ hoạt động bình thường nhưng xe không di chuyển, thì hợp lý khi cho rằng vấn đề nằm ở một số bộ phận khác của xe. Tương tự, nếu các thông số vận hành của laser nằm trong giới hạn chấp nhận được, thì bất kỳ sự kiện nào gây ra các bộ phận không phù hợp đều có thể được truy tìm đến hệ thống phân phối hoặc hệ thống quang học mục tiêu. Ngược lại, nếu các thông số vận hành của laser vượt ra ngoài giới hạn chấp nhận được, thì quy trình sẽ bị tạm dừng cho đến khi xác định và khắc phục nguồn gốc của sự cố của laser.

Trong quá trình cài đặt nhiều tia laser, dữ liệu được thu thập từ một tia laser có thể được sử dụng để khớp hiệu suất với các tia laser khác, sao cho tất cả chúng đều tạo ra hiệu suất gần như giống nhau khi được đặt ở cùng một tham số vận hành. Vì dữ liệu có thể được lưu trữ và gọi lại sau này nên nó có thể cung cấp bằng chứng cần thiết theo yêu cầu của ISO 9001 rằng quy trình laser được thực hiện theo cách chấp nhận được và có thể lặp lại.

Dữ liệu này cũng hữu ích khi cố gắng xác định trục trặc “dấu vân tay” và liên kết chúng với các hình ảnh đặc trưng. Nó có thể có giá trị khi kỹ thuật viên laser cần chẩn đoán một tia laser không hoạt động bình thường. Phân tích xu hướng của dữ liệu có thể được sử dụng trong kiểm soát quy trình thống kê và có thể dự đoán khoảng thời gian bảo trì cho các bộ phận quan trọng.

Tất nhiên, thiết bị này có những hạn chế. Đầu tiên, vì quá trình phân tích được thực hiện tại đầu ra của tia laser nên nó không thể xác định bất kỳ trục trặc nào trong hệ thống phân phối hoặc quang học hội tụ. Thứ hai, việc trang bị thêm đòi hỏi phải ngừng sử dụng tia laser trong khi hệ thống quang học tách chùm được lắp đặt. Và cuối cùng, thiết bị này lắp đặt tốn kém hơn thiết bị phi điện tử.

Chuyện gì đang thực sự xảy ra?

Giám sát hiệu suất chùm tia laser trực tuyến hiện có sẵn để sử dụng chung. Nó có thể ngay lập tức cảnh báo người vận hành về sự cố. Nó cung cấp tài liệu hiệu suất, điều chỉnh và điều chỉnh hiệu quả, đồng thời hỗ trợ kiểm soát quy trình thống kê. Quan trọng nhất, giám sát trực tuyến cho người vận hành biết điều gì đang thực sự xảy ra với hệ thống laser.