在全球範圍內，光纖激光器正日益受到各類工業激光應用領域的青睞。用於金屬切割的各類激光器的全球銷售額已超過11億美元，年增長率達到3–4%。2017年，全球約有7000台鈑金切割機安裝了相應的激光器。在該市場領域，光纖激光器相較二氧化碳 (CO2) 激光器展現出諸多優勢，並已逐漸穩步取代CO2激光器。它的優勢包括更高的加工效率、更優異的光束質量以及加工銅與銅合金等高反射材料的能力。因此，在金屬切割領域中，光纖激光器的銷售額現在已經遠超CO2激光器。
隨著金屬製品在全球經濟中的重要性日益提高，激光器性能的改善將會顯著影響全球經濟的增長。如今，新一代的光纖激光器開始納入更多的傳感器和診斷功能，可以實現很多更高級的功能，例如，SPI Laser公司推出的6kW redPOWER QUBE光纖激光器，它在PIPA-Q傳輸光纖中采用了已獲專利的激光毛細管，消除激光器中的背光反射，避免因其造成損壞或降低性能，並通過添加光電二極管實現係統監控和保護（圖1）。
一般而言，工業激光切割係統的鑽孔和切割操作單獨執行，並針對規定的材料和厚度采用固定的參數設置。通常情況下，鑽孔流程需要設定固定的停留時間，這樣不僅會降低設備的加工效率，還會影響鑽孔質量，尤其是涉及大量鑽孔操作的厚板材。然而，如果可以實時感應從工件到激光器的返回光，則有可能改進加工流程。人們通常認為背射(BR) 光是一個不利因素，但它同時也包含了切割流程的相關信息，可以用於檢測鑽孔工藝的末端流程。
目前，市場上已有的鑽孔檢測係統安裝於切割工作站內。而新一代的光纖激光器，如redPOWER QUBE係列激光器，內置了鑽孔檢測係統，無需在切割頭中額外安裝價格昂貴的傳感器。
鑽孔檢測
許多現有的鑽孔檢測係統都可以在機器穿透通孔時向切割機的控製器提供即時反饋。這樣控製器便可以最大限度地縮短停留時間，快速進入切割階段。鑽孔檢測係統一般安裝於聚焦頭附近的切割工作站，這不僅增加了切割頭的複雜性和成本，而且光學係統上新增的光學表麵也會降低激光的光束強度。與此同時，在切割區域附近操作時，鑽孔檢測係統也容易因存在的粉塵而受損。
在3m×2m規格的基板上切割骨架時，可能需要鑽2,500個孔，假設每個鑽孔節省100ms，則每塊基板的加工時間可減少超過4分鍾。采用鑽孔檢測係統，根據基於不同材料和厚度的試驗，一般可節省10-15%的時間，因此，對於所有的高性能切割係統而言，投資自動化鑽孔檢測係統的經濟效益顯而易見。
激光切割流程包含多個不同的階段。鑽孔是第一道工序，沿著整塊基板製作一個近乎垂直的切割正麵，構成每次切割操作的起點。根據材料和基板厚度的不同，為減少鑽孔次數和工件表麵上的焊渣和折皺，有時需要構建複雜的脈衝形狀和功率斜坡。同時，即使在一個鑽孔程序中，由於溫度、表麵粗糙度、工件的材料質量的不同，鑽孔次數也會有很大的差別。在工業加工中，平均停留時間中會應用一個特定的安全係數（通常可達3倍），雖然對於大多數工件而言並沒有必要，但它可以確保每次鑽孔的穩定性。
圖2. 鑽孔過程中觀察到的典型背射。
采用光纖激光器和氣輔切割頭的鈑金鑽孔與激光器鑽孔類似。工藝開始時，光束會被板材的頂部平麵吸收，導致局部溫度升高，在不同的光束強度下，可能會導致板材融化和蒸發。同軸噴嘴口的壓力與蒸發金屬的蒸發壓力會形成盲孔，造成金屬熔滴向上和向外飛濺。隨著激光器光束在板材厚度方向深入，鑽孔流程持續進行。遇到盲孔（未將板材完全鑽透）時，由於所有的光束都會撞擊在板材上，向上反射的激光強度便會增加。這與穩態切割工藝恰恰相反，它的切割正麵呈一定的角度，大多數未使用的光束會穿透至板材背麵。
鑽孔過程中，會發出隨時間變化的BR信號，激光器控製係統可以使用此信號確定鑽孔是否完成。在切割工作站內，該信息會以清晰的數字標記的形式顯示，提示鑽孔流程可以停止。圖2顯示了采用垂直的聚焦光束在板材上實現的鑽孔結果。該流程可被劃分為多個不同的階段：
◆從開始鑽孔到t1時間段內，BR信號強。在此期間，激光撞擊坯料表麵，降低初始的反射率。
◆t1-t2時間段內，激光深入板材厚度時遭遇盲孔。由於熔池位置和形狀發生變化，BR信號變得不穩定，但與穩態切割相比，BR能級更高。
◆在t2-t3時間段內，鑽透板材背麵時有一個過渡。
◆t3時間段後，激光器在到達t4前BR能級相對較低（但非零值）。
圖3顯示了鑽孔流程中真實的BR信號軌跡（檢測器最初為飽和狀態）。該軌跡的條件為：采用功率為1.5kW、具有50µm傳輸光纖的激光器（光束參數產品= 2.0）和約100µm的焦點加工6mm不鏽鋼板，光束腰置於工件表麵之下。在本實驗中，將補充的檢測器放置在工件底部來確定鑽入深度。隨著補充檢測器逐漸飽和，數字鑽孔標記明顯變高，說明已鑽好通孔。重要的是，鑽孔標記在激光器關閉前會自動重置參數。
圖3. 該圖顯示了完整激光脈衝 (a) 和僅鑽孔階段（b）的背射情況。
鑽孔檢測係統通過識別在t3時所處的位置來運行。這樣可以啟用可編程延時，這對確保鑽孔流程的正常完成非常重要。一旦BR信號低於延時的閾值，則認為鑽孔已完成，激光器將提供可以集成至機床的鑽孔標記。由於閾值和停留時間均可編程，因此用戶可以調整設置，確保鑽孔標記根據具體的加工流程優化，鑽孔完成後鑽孔標記升高。
在很多操作實例中，采用脈衝式激光器鑽孔可以實現更幹淨、更容易控製的鑽孔過程。針對檢測算法選擇合適的參數，鑽孔檢測標記仍將在合適點觸發。
結論
鑽孔檢測係統逐漸成為現代平板切割機的必備要素，用於確保機器優異的性能和效率。例如，利用內置鑽孔檢測傳感器的redPOWER激光器，客戶可以選擇性價比更高的切割頭。
監控切割流程的BR等級對設置正確的加工參數以及監控過程質量而言，具有巨大的優勢。由此，可以檢查並優化鑽孔和切割操作，避免高反射板材的高能度BR。
最後，采用工件檢測係統可以提高激光器切割係統的生產率，確保機器擁有高加工效率並節省加工時間。模擬顯示，加工布置有真實零件構造的3×1.5m板材時，加工時間最多可減少15%。由於零件的複雜性和尺寸不同，實際時間和節省的成本甚至會更高。
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