激光打标机切割原理.pptx

CO2激光打标机原理及维护第一部分激光原理激光原理n激光（Laser）一词是受激辐射光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。n1960年，美国物理学家梅曼（Maiman）在实验室中做成了第一台红宝石激光器。从此以后，激光技术得到了迅速发展，引起了科学技术领域的巨大变化。激光的基本原理 n原子吸收 h=E2-E1 图2-1 原子吸收示意图E1E2E1E2hv激光的基本原理n自发辐射 处于高能态的原子是不稳定的。它们在激发态停留的时间非常短（数量级约为10-8s），之后，会自发地返回基态去，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射。激光的基本原理n受激辐射图2-2 受激辐射示意图E1E2E1E2图2-3 光放大示意图hv输入hvhvhvhvhvhv输出hvhvhvhv激光的基本原理n粒子数反转 处于高能级上的粒子数多于低能级上粒子数时的一种非热力学现象。玻尔兹曼分布：对于大多数原子来说，两能级之差En-En 1eV，而常温下，K T=1.38 10-23 300 0.025eV 代入上式可得：即：Nn Nn激光谐振腔n光学谐振腔 图2-6图2-7 谐振腔结构M1100%M298%L激光谐振腔G1*G2=(1-d2/f-b/R1)*(1-d1/f-b/R2)其中，f：棒的热焦距d1：棒中心到半反的距离 d2：棒中心到全反的距离R1：全反曲率半径 R2：半反曲率半径b=d1+d2-d1d2/fn稳定腔:0 G1*G21n介稳腔:G1*G2=1或G1*G2=0n非稳腔:G1*G21激光谐振腔 无介质时，上式可简化为 G1*G2=(1-L/R1)*(1-L/R2)L：谐振腔的长度R1：全反曲率半径 R2：半反曲率半径 要达到 0 G1*G21，可见当R为凹镜且曲率半径大于L时，此谐振腔为稳定腔。我们实际生产的焊接机的谐振腔全都是稳定腔。激光谐振腔n光学谐振腔的振荡模：纵模与横模n纵模，沿腔轴方向的场的分布模式。由2L=q*波长，在均匀平面波近似下，平行平面腔的轴线方向（纵向）的稳定光场为驻波场，驻波的波节数由q决定。因此，由q所表征的不同驻波就代表了谐振腔不同的纵模，q称为纵模的序数，q决定着纵模的频率。激光谐振腔n横模 光束通过孔阑传输线时，由于孔阑对光波的衍射效应使光场的振幅和相位分布不断被改变，经过足够多的孔阑之后最终达到了一种稳态的自再现的分布，即当再一次通过孔阑时，场的振幅和相位的横向分布不再变化了。产生激光的必要条件 n（1）选择具有适当能级结构的工作物质，在工作物质中能形成粒子数反转，为受激辐射的发生创造条件；n（2）选择一个适当结构的光学谐振腔。对所产生受激辐射光束的方向、频率等加以选择，从而产生单向性、单色性、强度等极高的激光束；n（3）外部的工作环境必须满足一定的阈值条件，以促成激光的产生。激光的特性激光的特性n单向性极好 n单色性极强 n高亮度 n相干性好 激光器简介激光器简介n工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器；n按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。Nd：YAG激光棒l Nd：YAG（掺钕的钇铝石榴石）是目前最常用的一类固体激光器。YAG是一种立方结构晶体，质地很硬、光学质量好、热导率高。用三价钕代替了晶体中部分的三价钇，因此称为掺钕的钇铝石榴石。泵浦灯 l 氙灯为惰性气体放电灯，我们使用的灯的形状多为直管形。其结构一般都是由电极、灯管和充入的氙（Xe）气体组成。电极是用高熔点、高电子发射率，又不易溅射的金属材料制成。灯管用机械强度高、耐高温、透光性好的石英玻璃制成。灯管内充入氙气。高斯光束介绍 通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束。我们常常会收到客户关于光斑大小的查询，其实问的就是光斑的束腰直径或束腰半径。束腰，是指高斯光绝对平行传输的地方。半径，是指在高斯光的横截面考察，以最大振幅处为原点，振幅下降到原点处的0.36788倍，也就是1/e倍的地方，由于高斯光关于原点对称，所以1/e的地方形成一个圆，该圆的半径，就是光斑在此横截面的半径；如果取束腰处的横截面来考察，此时的半径，即是束腰半径。高斯光束介绍 沿着光斑前进，各处的半径的包络线是一个双曲面，该双曲面有渐近线。高斯光束的传输特性，是在远处沿传播方向成特定角度扩散，该角度即是光束的远场发散角，也就是一对渐近线的夹角，它与波长成正比，与其束腰半径成反比，计算式是：2*/（*w），故而，束腰半径越小，光斑发散越快；束腰半径越大，光斑发散越慢。光斑描述如下图：高斯光束介绍n由上面基横模高斯光束特性，不难验证，基模高斯光束光腰半径及远场发散角的乘积为常量：/。n所以使用聚焦或准直来减小光腰半径或压缩远场发散角，该乘积不变，这就是光参量乘积。n对于高阶厄米高斯光束，该乘积为：M2*/,所以我们也可以用M2因子来衡量光束质量。n第二部分n激光应用激光器的分类激光器的种类很多，可分为固体、气体、液体、半导体和染料等五种类型：(1)固体激光器一般小而坚固，脉冲辐射功率较高，应用范围较广泛。(2)半导体激光器体积小、重量轻、寿命长、结构简单，特别适于在飞机、军舰、车辆和宇宙飞船上使用。半导体激光器可以通过外加的电场、磁场、温度、压力等改变激光的波长，能将电能直接转换为激光能，所以发展迅速。(3)气体激光器以气体为工作物质，单色性和相干性较好，激光波长可达数千种，应用广泛。气体激光器结构简单、造价低廉、操作方便。在工农业、医学、精密测量、全息技术等方面应用广泛。气体激光器有电能、热能、化学能、光能、核能等多种激励方式。(4)以液体染料为工作物质的染料激光器于1966年问世，广泛应用于各种科学研究领域。(5)红外激光器已有多种类型，应用范围广泛，它是一种新型的红外辐射源，特点是辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强。激光加工对激光器的要求1、波长 激光输出波长越短，则金属材料的反射系数越小，所吸收的光能就越多。目前，大功率CO2激光器的主要发射波长是10.6m，大功率LD的发射波长是0.7-1m，而YAG激光器的发射波长略大于1m,YAG激光器的倍频技术发展迅速，可以得到百瓦量级的绿光输出，三倍频和四倍频输出在光刻方面有重要用途。通过倍频、和频、喇曼等过程，DPSSL的波长覆盖了紫外、可见、近红外波段，为激光加工的发展提供了广阔的应用前景。2、横模模式 激光横模决定激光光波场在空间的展开程度，高阶模展开比较宽，低价模能量比较集中，但高阶模在空间内能量分布均匀。根据不同的加工种类和加工要求对激光能量在空间的能量分布提出相应的要求，激光切割和焊接要求基横模，而淬火却要求高阶模。目前基模输出的光一光转换效率在40%-50%之间，多模电一光转换效率可以达到60%70%.3、功率 工件表面某点吸收能量的多少依赖于激光输出功率和激光辐照时间;连续激光的辐照时间由扫描速度决定;脉冲激光则由脉宽和扫描速度共同决定，因此通过改变激光输出功率和激光辐照时间可以实现不同的加工方法和效果。目前DPSSL的功率输出已达到千瓦级，可以满足多种激光加工的需要。CO2激光器特点高功率：加工商用激光器均采用电激励，其最大连续输出功率达25kw。欧洲尤里卡计划研制100kw的CO2激光器。从国际范围看，研制更大功率CO2激光器的工作主要不是受技术困难、而是受市场需求的制约，这项研究的发展重点已从提高功率转向提高光束质量和使用性能。高效率：量子效率高达40，工业器件总效率为10左右，比其他加工用激光器的效率高得多。高光束质量：CO2激光器以(CO2、N2、He）等混合气体为工作物质，其均匀性比固体工作物质好。长波长：技术关键：气体流动换热、工作气体激励、谐振腔和输出窗口等。几种常见的CO2激光器CO2激光器的电光效率一般在15左右。气体放电的大部分能量用来加热工作气体，而工作气体温度的升高将导致输出功率和光束质量的下降。因此如何排出热量、冷却工作气体是保证激光器在一定功率水平下稳定运行的首要问题。1、封离型激光器如图2-1（每米激光管的输出功率在50w以下）图2-1 封离型激光器 2、慢速轴流激光器慢速轴流激光器（图2-2所示）有极好的光束质量，能够获得十分接近TEM00基横模的输出，模式稳定。图2-2 慢速轴流激光器3、快速轴流激光器工作气体，以100500m/s高速沿放电管轴向流动循环冷却。常将放电管分成若干段，气体并行流动分段激励。气体流动对光轴对称、对光束质量的影响较小，可以得到接近于基横的输出。特点：功率高、光束质量好。最大输出功率达25 kW。结构比较紧凑。见图2-3所示。图2-3 快速轴流激光器 激光焊接技术 激光焊是最近这些年发展起来的一种高能量的焊接方法，它是用激光来加热，所以它可以穿透透明介质，能够焊到透明介质容器的里边去，这是其他焊接方法难以做到的，视网膜脱落以后眼睛就会失明，现在就用激光的办法，透过眼球焊到眼球后面，把这个视网膜和眼球焊起来，这个已经是很成功的手术了。激光焊接是以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高精度高效率焊接方法。激光焊接与常规焊接方法相比具有如下特点 激光功率密度高，可以对高熔点、难熔金屑或两种不同金属材料进行焊接(对钨丝进行有效焊接)。聚焦光斑小，加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可忽略。脉冲激光焊接属于非接触焊接，无机械应力和机械形变。激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位，实现自动焊接，而且激光可通过玻璃在真空中焊接。激光焊接可在大气中进行，无环境污染。激光切割 激光切割是利用聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过激光阈值的激光功率密度的前提下，激光束的能量以及活性气体辅助切割过程所附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起激光作用点的温度急剧上升，达到沸点后材料开始气化，并形成孔洞，随着光束与工件的相对运动，最终使材料形成切缝，切缝处的熔渣被一定的辅助气体吹除。与其它常规的加工方法(电加工，模冲，水切割，氧一乙炔)相比，激光切割工件无机械变形，与自动化装备相结合，容易实现切割自动化，无刀具磨损。激光切割机由激光发生器、数控切割机床、光束传输组件、微机编程(软件和硬件)等组成。激光切割有如下的一些特点：A、切割速度快，热影响区小。热影响层深度 0.050.1mm，热畸变形小。B、切割质量好。切口边缘平滑，无塌边，无切割残渣。对轮廓复杂和小曲率半径等外形均能达到微米级精度的切割。割缝窄。一般为0.11mm。C、无刀具磨损，没有接触能量损耗，也不需更换刀具，易于实现自动控制。D、激光束聚焦后功率密度高，能切割各种材料，如高熔点材料、硬脆材料。E、可在大气中或任意气体环境中进行切割，不需真空装置。F、噪声低，无公害影响激光切割质量的因素 激光切割质量包括：割缝入口处轮廓清晰，割缝窄、割缝边的热影响层小，无切割粘渣，切割表面光洁等。影响激光切割质量的因素：激光功率、激光振荡模式、焦点位置、辅助气体和切割速度等。1激光功率:激光功率增加、其切割速度和工件的切割厚度增加，但切割效率降低。确定切割速度和切割厚度的主要参数是激光的功率和材料的性能。n2光束模式n聚焦能力与它光束模式有关。基模(TEM00)，光斑内能量呈高斯分布，几乎可把光束聚焦到理论上最小的尺寸。而高阶或多模光束的能量分布较扩张，经聚焦的光斑较大而能续密度较低，用它来切割材料犹如一把钝刀n3焦点位置n焦点位置对熔深和熔池形状的影响很大。这种影响对切割虽不像对焊接那样大，但无疑影响切割质量。透镜焦长小，光束聚焦后功率密度高，但焦深受到限制。它适用于簿件高速切割，此时应使焦距的位置维持恒定不变：长焦透镜的聚焦光斑功率密度低，但其焦深大，可用来切割厚材料：板材越厚，焦点位置的正常范围越窄。n n 4辅助气体和喷嘴n辅助气体的作用是：与金属产生放热化学反应，增加能量强度。n从切割区吹掉熔渣，清洁切缝；n冷却切缝邻近区域，减小热影响尺寸；n保护聚焦透镜，防止燃烧产物沾污光学镜片。n喷嘴孔尺寸必须容许光束顺利通过，避免孔内光束与喷嘴接触。喷出的辅助气流必须能使去除切缝内熔融物和加强切割作用有效耦合.n激光切割对气流的基本要求是进入切口的气流量要大，速度要高，以便有充足的氧气使切口材料充分进行放热反应，并有足够的动量将熔融材料喷射带出。为了得到高的切割速度和切口质量，气流量应该大。n第三部分n激光设备的组成硬件结构nCO2激光打标机主要由五部分组成。即：激光器系统、激光电源系统、振镜扫描系统、计算机控制系统及冷却系统。激光系统 控制柜 激光冷水机 工作台 整机外形示意图电源控制箱电源控制箱工控电脑工控电脑激光电源激光电源n1、激光器及电源系统nLasy-25系列-产品参数n平均功率25wattnM21.1n光腰直径2.4mmn光腰位置输出镜n全角发散角5.5mradn功率稳定性10%n波长(m)10.6左右n上升时间(s)200n下降时间(s)200n冷却方式强制风冷n工作温度5-402、振镜系统n振镜是使激光按照预定轨迹运行的执行机构，它主要由高精度伺服电机、电机驱动板、反射镜、F透镜及直流供给电源组成。n 它是由CO2激光器输出的激光束经反射镜X反射到反射镜Y上，再由反射镜Y反射到F-透镜上，最后由F-透镜聚焦到焦平面的打标区域上。反射镜由振镜电机控制其偏转角度，而振镜电机的偏转则由计算机通过D/A卡来控制，使聚光斑按照计算机设定的图案、文字轨迹运行。n 由CO2激光器发出的入射光束；反射镜X；n X轴振镜电机n 反射镜Y；n Y轴振镜电机；n F-透镜；n 输出光束；n 打标区域；4、计算机控制系统na、打标软件：n 基于Windows界面的打标软件具有：n 图形化的操作界面n 可调用多种格式的CAD图形n 多种中英文字体n 直接进行系列号及条形号码编辑n 全面的激光参数数据库n 方便的起停控制nb、D/A控制卡n D/A控制卡是基于PCI总线的数字、模拟数据转换卡。它通过37针连接线与振镜扫描系统电机驱 动电源相连。5、冷却系统n冷却系统是专为激光器散热而设计的一体化的设备，使激光器水温恒定不变。提供激光器的冷却循环水温度在1525间可任意选择，其数值采用数字显示。温度恒定范围为0.1高精度冷却系统。n 为满足激光器的清洁要求，冷却系统的水箱、水泵均采用不锈钢或非金属零件。它具有耐腐蚀、寿命长、防灰尘等优点。冷却系统具有低噪音、可靠性高、性能稳定的特点。n2.使用一段时间以后，激光器激光输出功率下降的原因：n 激光光路变化：微调光路使输出光斑最好；n 透镜是否有污损现象；n激光器使用寿命是否到期；n进入振镜的激光偏离中心：调节激光器；n第四部分n激光设备的维护及保养常见故障及解决方法n1使用时间不长的新设备，激光器激光输出功率较弱的原因：n 出厂时测得的激光器输出功率是否达到技术指标；n 光路的准确性是否达到要求；n 温度是否正常。n3不能起到开关激光作用的原因：信线是否连接正确；n 电源各开关是否都在正确位置；n4不能达到预期的打标深度的原因：n 激光输出功率是否达到要求；n 路调整是否准确；n 束镜位置、方向调整是否准确；n 镜表面有无污染；n 件表面是否在焦平面上；n5.振镜扫描头表现出的几种主要问题：n 标准的正方形打印成梯形或菱形；n 正方形边框发生枕形或桶形变形。n n 6.激光打印线条成虚线状：n 信号线是否连接好，有没有虚焊；n 振镜头驱动板至电机连接线是否有问题；n 7.光路方面的问题：n 由于长时间的运行，激光管出现老化，导致激光输出功率下降；n 由于长时间运行，介质膜片出现不同程度的污损，导致输出镜漏光或输出功率下降；n 由于人为因素，客户方在不了解具体情况下，调整激光器的位置或介质膜片的位置，导致激光输出功率下降或激光发散角变大，导致输出激光位置发生较大变化。n8扩束镜调整问题：n 扩束镜的调整要求：入射光要在扩束镜进光孔中心，出射光要在出光孔中心；n 扩束镜调整的好坏对激光打标效果有很大影响。主要表现在：na.激光功率下降；nb.打标幅面内激光强度不均匀；nc.计算机软件设计中心偏离振镜头出光物理中心；nd.不能起到扩束效果。设备维护描述描述日维护日维护周维护周维护月维护月维护检查激光安全外罩 检查空气过滤系统(如果安装)检查激光打印头上的激光透镜及清洗 检查所有指示灯工作正常 检查激光管冷却风扇清洁激光打印头内部灰尘检查所有外部连接线缆和管道操作员维护清单操作员维护清单维护操作n1.清洁激光透镜 n 使用透镜纸和棉纤或不含面绒的布沾无水酒精或丙酮进行清洗，不要用嘴去吹透镜，不要使用毛巾或粗糙的东西，不要使用腐蚀材料或化学物品。n2.清洁打印头内部n 用干净的布清洁内部的灰尘,不要用高压喷气来吹或用水来清洗。n3.检查激光管冷却风扇 n 保证激光管冷却风扇正常。检查冷却的通道畅通，冷却气流正常。n4.检查打印头外罩 n 确保外罩是正常的。检查所有安全标签、标识在正确的位置,外罩上的螺丝都是拧紧的。n5.检查外部连接线 n a检查所有外部连接线接头是否被固定。n B检查连接线是否有破损.