梅賽德斯-奔馳利用BeamWatch快速檢測焊接激光光束品質
前言：
”The Best or Nothing” 是德國梅賽德斯奔馳汽車公司的座右銘；參照奔馳中國官網的中文譯文是“唯有最好”。德國梅賽德斯奔馳公司成立迄今已逾百年，“唯有最好”四字被德國奔馳公司貫徹在方方面面。比如動力-自重比在汽車工業中是一個關鍵指標。汽車的動力總成部件越輕，車輛的動力效率就越高，同時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成功的優化了差速器齒輪的設計和總裝，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%，同時徹底消除了差速器工作時由于差速器油飛濺在螺栓螺母上產生的額外干涉阻力。
為了保證激光焊接的嚴格標準，戴姆勒奔馳公司實施了一個基于Ophir公司BeamWatch在線激光光束品質分析儀的數字過程監控鏈路，用于檢測和記錄保證激光焊接品質的激光光束相關參數。
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，花費半小時以上的時間檢查焊縫質量。毫無疑問，這種破壞性式的抽檢法一方面耗時費力，另一方面不可避免的浪費了部分已加工完畢的合格差速器。
同時，差速器總成的生產是一個高度復雜的自動化過程，那么一旦發現了某工件焊縫有問題，需要在什么時候暫停哪一段的工藝流程，調整哪些工裝或工藝參數呢？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致的干擾相關流水線后續流程呢？
所謂“上醫治未病”，德國梅賽德斯奔馳公司在其激光焊接加工中心配備了實時監測焊接熔池和束線對準的光學檢測裝置，并聯合MKS-Ophir德國分公司，基于Ophir公司的BeamWatch在線激光光束品質分析儀開發了一套可以預見激光焊池行將超差的過程監控鏈路。由于BeamWatch對于“激光焊池行將超差”的預見量可以做到足夠提前，輔助分析判據可以做到足夠直接有效，梅賽德斯奔馳的激光焊接產線甚至可以做到靈活利用工藝流程間隙快速調整或清潔鏈路，重新恢復到最佳焊接條件，在保證激光焊接良品率的前提下，做到不干擾相關自動化產線的運轉。
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，會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，其實也在產生著瑞利散射，只不過尚未被我們利用而已。用于工業焊接的激光往往達到千瓦甚至萬瓦，其焦斑又往往小于毫米乃至于微米。這樣，在焊接激光的焦點位置產生相當亮度的瑞利散射，而逐漸遠離激光焦斑位置，瑞利散射的亮度會等比例于激光在當前點的功率密度。這樣，激光瑞利散射強度的空間分布就正好線性反應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在線激光光束品質分析儀就巧妙的利用了這一點，待測高功率激光焦點落在BeamWatch的中空部分，作用于空氣（或保護氣）產生瑞利散射，然后在側面利用CCD或CMOS成像器采集瑞利散射的空間強度分布，收集數據后，利用自帶的軟件顯示并分析諸多激光參數，包含且不限于：
• 激光焦斑大小
• 激光焦斑位置
• 焦斑位置穩定性
• 焦斑橢圓度
• 激光M2因子
• 激光發散角
• 通過聯用激光功率計還可計算功率密度等等
BeamWatch利用激光的瑞利散射測試激光光束品質的天生優勢在于：
• 采用面陣CCD成像，采樣速度非?？?，每秒可采像15次，
• 利用氣體分子的瑞利散射作為介質，理論上沒有功率的上限
• 完全是非接觸測試，沒有易損件，使用成本超低且免維護。
如圖，BeamWatch在線激光光束品質分析儀可以在秒的量級內完成多次采樣并完成激光當前光束品質分析以及過去一段時間內光束品質穩定性的分析。德國梅賽德斯奔馳公司已經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綜合分析并存儲于數據庫中作為工藝日志，并設置預警參數實時提示焊接光斑參數超差。
由于可以在每次上下料的間隙時間內實時的，持續的監測焊接激光品質，就可以做到諸如激光焦斑位置漂移或激光保護窗片污染遠未達到導致激光焊接焊縫超差前，明確偏差原因，做到在不影像自動化產線運行的前提下快速解決問題。
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參考文獻來源：
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 業務發展部 吳京航
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