高功率軸快流CO激光器原理結(jié)構(gòu)

軸快流CO2激光器基本原理1當(dāng)前第1頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)光的受激輻射2當(dāng)前第2頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)CO2激光器的受激輻射3當(dāng)前第3頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光工作物質(zhì)全反射鏡半反射鏡激光工作原理：out光放大原理4當(dāng)前第4頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光的特性單色性相干性方向性5當(dāng)前第5頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光模式TEM00Mode<1000WattsDMode1000-4000WattsQMode>4000Watts6當(dāng)前第6頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)光束質(zhì)量參數(shù)7當(dāng)前第7頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)軸快流CO2激光器的誕生軸快流CO2激光器是在早期的封離式圓形玻璃管縱向激勵CO2激光器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。1965年，Bridge和Petel將放電管壁的溫度冷卻到-60oC以下來提高激光器的輸出功率。Moeller,Rigder[8]以及Patel[9]等人則采用風(fēng)冷和水冷的方式來使放電管冷卻。1969年Cool等人將快速流動技術(shù)引入到了這種激光器中，通過工作氣體的高速流動來使其冷卻，從而獲得了較高功率的激光輸出。軸快流CO2激光器8當(dāng)前第8頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)直流激勵軸快流CO2激光器9當(dāng)前第9頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)射頻激勵軸快流CO2激光器1激光諧振腔2諧振腔鏡片3放電電極4渦輪風(fēng)機(jī)5真空泵6電磁閥7風(fēng)機(jī)出氣口換熱器8風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口換熱器10當(dāng)前第10頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)軸快流激光仍將是工業(yè)加工中的主流激光器薄板+3D切割：光纖激光器占優(yōu)厚板+非金屬/金屬+切割+價格：CO2激光器具有明顯優(yōu)勢來自德國“Fraunhofer研究所”研究結(jié)果11當(dāng)前第11頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)Trumpf最新10kW激光器12當(dāng)前第12頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)HUST&OVLConvergent研究成果13當(dāng)前第13頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光切割的市場需求德國Trumpf推出了功率高達(dá)12kW的CO2激光復(fù)合加工機(jī)和功率高達(dá)15kW的三維CO2激光切割機(jī)，表明了激光加工裝備的高功率發(fā)展趨勢！德國Trumpf的15kW-CO2激光三維激光切割機(jī)德國Trumpf12kW-CO2激光切割、焊接和表面處理復(fù)合加工機(jī)14當(dāng)前第14頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)重大行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)代船舶制造中已開始大量使用的輕型“三明治”多層空心結(jié)構(gòu)厚鋼板的切割加工，更是對萬瓦軸快流激光切割裝備提出了迫切需求。德國Trumpf公司的12kW--20kW軸快流CO2激光器已用于世界上許多大型船廠的生產(chǎn)線上，可大大提高船舶的有效載荷，并大幅度減低制造成本。日本的Kawasaki重工等造船企業(yè)已經(jīng)安裝了高功率激光平板切割系統(tǒng)。德國的Meyer

Werft也安裝了四臺12KW的CO2激光器，用來焊接不同長度的船體加強(qiáng)桿15當(dāng)前第15頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)Trumpf軸快流CO2激光器概述16當(dāng)前第16頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光器構(gòu)成冷水機(jī)激光發(fā)生器操作面板控制系統(tǒng)射頻電源17當(dāng)前第17頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光發(fā)生器構(gòu)成渦輪風(fēng)機(jī)熱交換器激光諧振腔激光器支撐功率計光閘18當(dāng)前第18頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光諧振腔構(gòu)成轉(zhuǎn)折鏡窗口與尾鏡放電管19當(dāng)前第19頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)基本工作原理20當(dāng)前第20頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)TrumpfCO2激光器諧振腔21當(dāng)前第21頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)軸快流CO2激光器常用激光諧振腔尾鏡窗口單折腔U形多折腔矩形多折腔22當(dāng)前第22頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)諧振腔結(jié)構(gòu)US：轉(zhuǎn)折鏡RS：尾鏡AS：窗口23當(dāng)前第23頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)Trumpf12000諧振腔結(jié)構(gòu)1、角鏡體2、光橋3、回氣座4、輸出鏡座光橋要求：1、溫度穩(wěn)定性好2、抗形變性能好3、防振性能好24當(dāng)前第24頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、窗口2、尾鏡3、轉(zhuǎn)折鏡4、轉(zhuǎn)折鏡安裝組件25當(dāng)前第25頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)諧振腔鏡片26當(dāng)前第26頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、調(diào)節(jié)垂直方向2、調(diào)節(jié)水平方向27當(dāng)前第27頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)模式檢測工具1、熱敏板2、紫外燈28當(dāng)前第28頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)檢測示意圖1、熱敏板2、紫外燈3、激光束（尾鏡）29當(dāng)前第29頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)未調(diào)整好的模式分布調(diào)整好的模式分布30當(dāng)前第30頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光燒斑圖樣31當(dāng)前第31頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)擴(kuò)束鏡采用擴(kuò)束鏡延長激光加工的可用光程，在飛行光路激光加工中廣泛應(yīng)用。1、凹面鏡2、凸面鏡a、進(jìn)入的光束直徑b、離開的光束直徑32當(dāng)前第32頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)光閘33當(dāng)前第33頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)TrumpfCO2放電結(jié)構(gòu)34當(dāng)前第34頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)直流放電結(jié)構(gòu)3535當(dāng)前第35頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)直流放電特點(diǎn)電極位于放電管內(nèi)，放電方向與光束方向一致；可以有多種電極結(jié)構(gòu)；起輝電壓高，一般要使用觸發(fā)電極；易產(chǎn)生放電不穩(wěn)定性，要求在陽極形成湍流；不易調(diào)制：工頻直流電源，調(diào)制頻率一般最大為2kHz，開關(guān)電源，調(diào)制頻率一般最大為5kHz；電源簡單，無輻射污染。3636當(dāng)前第36頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)放電結(jié)構(gòu)1、玻璃管2、放電區(qū)3、放電電極37當(dāng)前第37頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)射頻放電特點(diǎn)電極位于放電管外，是電容耦合的橫向放電(放電方向垂直于光束方向)；電極形狀要求嚴(yán)格，以提高放電的對稱性；起輝電壓低；放電均勻穩(wěn)定，無可見的放電輝光抖動；易于調(diào)制，調(diào)制脈沖頻率可達(dá)100kHz；電源復(fù)雜，易產(chǎn)生輻射污染，電源及放電管須進(jìn)行屏蔽。3838當(dāng)前第38頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)高功率連續(xù)放電（85mA）放電管4.2放電管4.3放電管4.139當(dāng)前第39頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)射頻放電4040當(dāng)前第40頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)多根放電管串聯(lián)41當(dāng)前第41頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)兩種放電結(jié)構(gòu)42當(dāng)前第42頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)阻抗匹配射頻電源13.56MHz50歐姆43當(dāng)前第43頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)阻抗匹配器44當(dāng)前第44頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)阻抗匹配布置為每臺電源配置一個阻抗匹配器45當(dāng)前第45頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)阻抗匹配布置1、左匹配器2、右匹配器AS：窗口46當(dāng)前第46頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)反射功率變化曲線47當(dāng)前第47頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)匹配網(wǎng)絡(luò)對反射功率的影響a、正常的匹配曲線b、增長串聯(lián)線圈c、減小串聯(lián)線圈48當(dāng)前第48頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)放電建立時間49當(dāng)前第49頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)匹配失調(diào)的原因1、工作氣壓2、氣體比例變化3、氣體純度4、氣體溫度(冷卻系統(tǒng)故障)5、射頻功率幅值6、射頻連接7、射頻電纜或電極物理位置8、參數(shù)MD48錯誤9、反射功率計故障50當(dāng)前第50頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)TrumpfCO2氣體循環(huán)冷卻51當(dāng)前第51頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)免維護(hù)磁懸浮渦輪風(fēng)機(jī)羅茨風(fēng)機(jī)渦輪風(fēng)機(jī)磁懸浮渦輪風(fēng)機(jī)52當(dāng)前第52頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)氣體循環(huán)原理圖53當(dāng)前第53頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)風(fēng)機(jī)罩1、渦輪風(fēng)機(jī)2、葉輪3、風(fēng)機(jī)罩4、熱交換器5、翅片管6、冷卻水入口7、氣體入口8、氣體出口54當(dāng)前第54頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)渦輪風(fēng)機(jī)熱交換器55當(dāng)前第55頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、葉輪2、外殼3、擴(kuò)散器A、氣體入口B、氣體出口56當(dāng)前第56頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、擴(kuò)散器2、葉輪57當(dāng)前第57頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)1、葉輪2、上保護(hù)軸承3、轉(zhuǎn)子（永磁）4、定子5、下保護(hù)軸承6、驅(qū)動軸7、磁板58當(dāng)前第58頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)定子1、水冷2、開口3、線圈4、電機(jī)電纜5、電機(jī)溫度電纜59當(dāng)前第59頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、正弦波濾波器2、變頻器3、混合濾波器4、操作面板KP10060當(dāng)前第60頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)風(fēng)機(jī)控制原理1、濾波器2、整流器3、變頻器4、中間電路5、制動斬波器6、磁軸承控制器7、逆變器8、正弦波濾波器9、渦輪風(fēng)機(jī)61當(dāng)前第61頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)磁軸承控制器62當(dāng)前第62頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、徑向傳感器，上2、徑向磁軸承，上3、控制器MBE-504、軸向磁軸承5、保護(hù)軸承，上6、軸向傳感器7、驅(qū)動軸8、轉(zhuǎn)子9、定子10、保護(hù)軸承，下11、徑向磁軸承，下12、速度傳感器13、徑向傳感器，下63當(dāng)前第63頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、供電電源2、控制電源3、控制器4、磁軸承驅(qū)動5、傳感器信號處理6、數(shù)字接口7、LCD顯示A、到磁軸承的信號B、磁軸承返回信號64當(dāng)前第64頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)風(fēng)機(jī)啟停曲線65當(dāng)前第65頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)氣體混和器氣體混和氣將三種工作氣體按照特定的比例混合后沖入到激光器真空腔內(nèi)。66當(dāng)前第66頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)氣體混合器原理圖67當(dāng)前第67頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)激光器工作過程中的氣壓曲線1、抽氣2、自動凈化3、充氣4、Beamoff5、Beamon6、Beamoff7、關(guān)機(jī)68當(dāng)前第68頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)氣壓控制原理69當(dāng)前第69頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)TrumpfCO2激光器功率檢測70當(dāng)前第70頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)功率檢測方法－輸出激光采樣71當(dāng)前第71頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)功率檢測方法－尾鏡取樣檢測72當(dāng)前第72頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)Trumpf激光器功率采集1、尾鏡2、功率傳感器3、冷卻水4、模擬量采集73當(dāng)前第73頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)TrumpfCO2激光器控制系統(tǒng)74當(dāng)前第74頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖75當(dāng)前第75頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)Profibus連接原理圖76當(dāng)前第76頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、Profibus通信電纜2、以太網(wǎng)線A、TASC3控制系統(tǒng)B、BUSCHIO模塊C、射頻電源控制模塊77當(dāng)前第77頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)TASC3控制系統(tǒng)1、軟驅(qū)2、電源3、射頻電源控制模塊4、多功能板5、擴(kuò)展插槽6、CP600S嵌入式系統(tǒng)7、Profibus從模塊8、Profibus主模塊78當(dāng)前第78頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)主控制器CP600-S79當(dāng)前第79頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)80當(dāng)前第80頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)1、32路輸入模塊2、32路輸入模塊3、RM2-DP12模塊4、數(shù)碼管狀態(tài)顯示5、ProfibusDP接口6、+24V電源7、擴(kuò)展槽8、32路輸出模塊BE1-BE4：輸入插槽BA1-BA4：輸出插槽81當(dāng)前第81頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)模塊地址編碼82當(dāng)前第82頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)RM2-DP12模塊83當(dāng)前第83頁\共有97頁\編于星期五\14點(diǎn)輸入模塊8