梅賽德斯-奔馳利用BeamWatch快速檢測(cè)焊接激光光束品質(zhì)
前言：
”The Best or Nothing” 是德國(guó)梅賽德斯奔馳汽車公司的座右銘；參照奔馳中國(guó)官網(wǎng)的中文譯文是“唯有最好”。德國(guó)梅賽德斯奔馳公司成立迄今已逾百年，“唯有最好”四字被德國(guó)奔馳公司貫徹在方方面面。比如動(dòng)力-自重比在汽車工業(yè)中是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。汽車的動(dòng)力總成部件越輕，車輛的動(dòng)力效率就越高，同時(shí)也一并減少了排放和燃料消耗。以卡車變速箱為例，梅賽德斯奔馳公司的專家已經(jīng)成功的優(yōu)化了差速器齒輪的設(shè)計(jì)和總裝，用激光焊接（右圖）代替了螺栓接頭（左圖）；采用激光焊接工藝，不僅將差速器總成的重量減少了15%，同時(shí)徹底消除了差速器工作時(shí)由于差速器油飛濺在螺栓螺母上產(chǎn)生的額外干涉阻力。
為了保證激光焊接的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)，戴姆勒奔馳公司實(shí)施了一個(gè)基于Ophir公司BeamWatch在線激光光束品質(zhì)分析儀的數(shù)字過(guò)程監(jiān)控鏈路，用于檢測(cè)和記錄保證激光焊接品質(zhì)的激光光束相關(guān)參數(shù)。
正文：
為了保證差速器總成激光焊接工件的良品率，戴姆勒奔馳公司需要定期抽檢，用物理拆解法，花費(fèi)半小時(shí)以上的時(shí)間檢查焊縫質(zhì)量。毫無(wú)疑問(wèn)，這種破壞性式的抽檢法一方面耗時(shí)費(fèi)力，另一方面不可避免的浪費(fèi)了部分已加工完畢的合格差速器。
同時(shí)，差速器總成的生產(chǎn)是一個(gè)高度復(fù)雜的自動(dòng)化過(guò)程，那么一旦發(fā)現(xiàn)了某工件焊縫有問(wèn)題，需要在什么時(shí)候暫停哪一段的工藝流程，調(diào)整哪些工裝或工藝參數(shù)呢？能不能大幅縮短甚至徹底避免由于激光焊接加工線的暫停而導(dǎo)致的干擾相關(guān)流水線后續(xù)流程呢？
所謂“上醫(yī)治未病”，德國(guó)梅賽德斯奔馳公司在其激光焊接加工中心配備了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接熔池和束線對(duì)準(zhǔn)的光學(xué)檢測(cè)裝置，并聯(lián)合MKS-Ophir德國(guó)分公司，基于Ophir公司的BeamWatch在線激光光束品質(zhì)分析儀開發(fā)了一套可以預(yù)見激光焊池行將超差的過(guò)程監(jiān)控鏈路。由于BeamWatch對(duì)于“激光焊池行將超差”的預(yù)見量可以做到足夠提前，輔助分析判據(jù)可以做到足夠直接有效，梅賽德斯奔馳的激光焊接產(chǎn)線甚至可以做到靈活利用工藝流程間隙快速調(diào)整或清潔鏈路，重新恢復(fù)到最佳焊接條件，在保證激光焊接良品率的前提下，做到不干擾相關(guān)自動(dòng)化產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)。
BeamWatch的工作原理：
我們知道，空氣并不是真的空，空氣中存在著各種各樣的氣體分子，而光在空氣中傳輸作用到這些氣體分子上面時(shí)，會(huì)有極小比例的光子向四面八方散射。我們把這種散射叫做”瑞利散射“，有了瑞利散射，太陽(yáng)光照射到地球大氣層，我們的眼睛接收到這些瑞利散射，才能感受到明亮的天空；否則在沒有大氣的月球上，我們就只能看到一片漆黑背景下的星空。
激光在空氣中傳輸時(shí)，其實(shí)也在產(chǎn)生著瑞利散射，只不過(guò)尚未被我們利用而已。用于工業(yè)焊接的激光往往達(dá)到千瓦甚至萬(wàn)瓦，其焦斑又往往小于毫米乃至于微米。這樣，在焊接激光的焦點(diǎn)位置產(chǎn)生相當(dāng)亮度的瑞利散射，而逐漸遠(yuǎn)離激光焦斑位置，瑞利散射的亮度會(huì)等比例于激光在當(dāng)前點(diǎn)的功率密度。這樣，激光瑞利散射強(qiáng)度的空間分布就正好線性反應(yīng)了激光在空氣中傳播的三維功率密度分布（如圖）
MKS-Ophir公司的BeamWatch在線激光光束品質(zhì)分析儀就巧妙的利用了這一點(diǎn)，待測(cè)高功率激光焦點(diǎn)落在BeamWatch的中空部分，作用于空氣（或保護(hù)氣）產(chǎn)生瑞利散射，然后在側(cè)面利用CCD或CMOS成像器采集瑞利散射的空間強(qiáng)度分布，收集數(shù)據(jù)后，利用自帶的軟件顯示并分析諸多激光參數(shù)，包含且不限于：
• 激光焦斑大小
• 激光焦斑位置
• 焦斑位置穩(wěn)定性
• 焦斑橢圓度
• 激光M2因子
• 激光發(fā)散角
• 通過(guò)聯(lián)用激光功率計(jì)還可計(jì)算功率密度等等
BeamWatch利用激光的瑞利散射測(cè)試激光光束品質(zhì)的天生優(yōu)勢(shì)在于：
• 采用面陣CCD成像，采樣速度非常快，每秒可采像15次，
• 利用氣體分子的瑞利散射作為介質(zhì)，理論上沒有功率的上限
• 完全是非接觸測(cè)試，沒有易損件，使用成本超低且免維護(hù)。
如圖，BeamWatch在線激光光束品質(zhì)分析儀可以在秒的量級(jí)內(nèi)完成多次采樣并完成激光當(dāng)前光束品質(zhì)分析以及過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)光束品質(zhì)穩(wěn)定性的分析。德國(guó)梅賽德斯奔馳公司已經(jīng)可以做到在每次激光焊接上料下料的間隙，利用BeamWatch或BeamWatch Integrated做一次焊接激光光束品質(zhì)綜合分析并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中作為工藝日志，并設(shè)置預(yù)警參數(shù)實(shí)時(shí)提示焊接光斑參數(shù)超差。
由于可以在每次上下料的間隙時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)的，持續(xù)的監(jiān)測(cè)焊接激光品質(zhì)，就可以做到諸如激光焦斑位置漂移或激光保護(hù)窗片污染遠(yuǎn)未達(dá)到導(dǎo)致激光焊接焊縫超差前，明確偏差原因，做到在不影像自動(dòng)化產(chǎn)線運(yùn)行的前提下快速解決問(wèn)題。
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參考文獻(xiàn)來(lái)源：
Fast Laser Beam Characterization Integral part of the digital process chain automotive powertrain-- Ophir Spiricon Europe GmbH
C. Dini, A. Bünting: Non-contact measurement of focus spot and focus shift of highpower lasers in the manufacturing of differential gears, Int. Laser Symposium & Int.
Symposium “Tailored Joining”, Dresden (2018)
. A. Bünting et al.: Prozesskette Laserschweißen im Powertrain – Eine Serienumsetzung in der zweiten Phase der Digitalisierung, Forum Produktion NordWest, Spelle (2017)
J. L. Guttman: Noninterceptive Beam Profiling of High‐Power Industrial Lasers, Laser Tech. J. 12 (2015) 5, 20-23, https://doi.org/10.1002/latj.201500035
編譯人： 北京卓立漢光儀器有限公司 業(yè)務(wù)發(fā)展部 吳京航
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