激光技术结课论文姓名：李天昊学院：交通运输班级：铁道运输1209学号：12251270指导老师：郑义浅谈co2激光切割机激光器关键技术指标要求李天昊（北京交通大学交通运输学院铁道运输1209班 12251270）摘要：CO2激光器从诞生到现在近50年的时间里一直被人们所关注，是一种比较理想的激光器。

相对于其他的激光器，CO2激光器具有较好的方向性，单色性和较好的频率稳定性。

CO2激光器在医疗，军事，工业等方面都得到了广泛的应用。

CO2激光器在激光加工方面占主导地位，它广泛的用于焊接，切割，热处理和清洗等方面。

但是CO2激光器的转换效率不是很高，限制了其发展。

未来的CO2激光器将向着高功率横流，声光调Q，射频激励波导，便携式，高功率连续等几个方相发展。

本文选取co2激光切割机作为研究对象，通过对co2激光切割机激光器关键技术指标的定量讨论，力求给读者一个理性的认识。

激光器切割机功能强大，应用广泛。

在钣金加工、广告标牌字制作、高低压电器柜制作、机械零件、厨具、汽车、机械、金属工艺品、锯片、电器零件、眼镜行业、弹簧片、电路板、电水壶、医疗微电子、五金、刀量具等行业发挥着巨大的作用。

关键词：co2激光切割机激光器关键技术计算依据1co2激光切割机激光器基本介绍及关键技术1.1工作原理与其它分子激光器一样，CO2激光器工作原理其受激发射过程也较复杂。

分子有三种不同的运动，即分子里电子的运动，其运动决定了分子的电子能态；二是分子里的原子振动，即分子里原子围绕其平衡位置不停地作周期性振动——并决定于分子的振动能态；三是分子转动，即分子为一整体在空间连续地旋转，分子的这种运动决定了分子的转动能态。

分子运动极其复杂，因而能级也很复杂。

CO₂分子为线性对称分子，两个氧原子分别在碳原子的两侧，所表示的是原子的平衡位置。

分子里的各原子始终运动着，要绕其平衡位置不停地振动。

根据分子振动理论，CO₂有三种不同的振动方式：①二个氧原子沿分子轴，向相反方向振动，即两个氧在振动中同时达到振动的最大值和平衡值，而此时分子中的碳原子静止不动，因而其振动被叫做对称振动。

②两个氧原子在垂直于分子轴的方向振动，且振动方向相同，而碳原子则向相反的方向垂直于分子轴振动。

由于三个原子的振动是同步的，又称为变形振动。

③三个原子沿对称轴振动，其中碳原子的振动方向与两个氧原子相反，又叫反对称振动能。

在这三种不同的振动方式中，确定了有不同组别的能级。

1.2激发过程CO2激光器中，主要的工作物质由CO₂，氮气，氦气三种气体组成。

其中CO₂是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。

加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。

氮气加入主要在CO₂激光器中起能量传递作用，为CO₂激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。

CO₂分子激光跃迁能级图CO₂激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。

放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。

这时受到激发的氮分子便和CO₂分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO₂分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。

1.3结构激光管是激光机中最关键的部件。

常用硬质玻璃制成，一般采用层套筒式结构。

最里面一层是放电管，第2层为水冷套管，最外一层为储气管。

二氧化碳激光器放电管直径比He-Ne激光管粗。

放电管的粗细一般来说对输出功率没有影响，主要考虑到光斑大小所引起的衍射效应，应根据管长而定。

管长的粗一点，管短的细一点。

放电管长度与输出功率成正比。

在一定的长度范围内，每米放电管长度输出的功率随总长度而增加。

加水冷套的目的是冷却工作气体，使输出功率稳定。

放电管在两端都与储气管连接，即储气管的一端有一小孔与放电管相通，另一端经过螺旋形回气管与放电管相通，这样就可使气体在放电管中与储气管中循环流动，放电管中的气体随时交换。

光学谐振腔CO2激光器的谐振腔常用平凹腔，反射镜用K8光学玻璃或光学石英，经加工成大曲率半径的凹面镜，镜面上镀有高反射率的金属膜——镀金膜，在波长10.6μm处的反射率达98.8%，且化学性质稳定。

二氧化碳发出的光为红外光。

所以反射镜需要应用透红外光的材料，因为普通光学玻璃对红外光不透。

就要求在全反射镜的中心开一小孔。

再密封上一块能透过10.6μm激光的红外材料，以封闭气体。

这就使谐振腔内激光的一部分从这一小孔输出腔外，形成一束激光。

电源及泵浦封闭式CO2激光器的放电电流较小，采用冷电极，阴极用钼片或镍片做成圆筒状。

30～40mA的工作电流，阴极圆筒的面积500cm2，不致镜片污染，在阴极与镜片之间加一光栏。

泵浦采用连续直流电源激发。

激励CO2激光器直流电源原理，直流电压为把市内的交流电压，用变压器提升，经高压整流及高压滤波获得高压电加在激光管上。

1.4关键技术激光切割机的几项关键技术是光、机、电一体化的综合技术。

在co2激光切割机中激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度都直接影响激光切割的效率和质量。

特别是对于切割精度较高或厚度较大的零件,必须掌握和解决以下几项关键技术：焦点位置控制技术、切割穿孔技术、喷嘴设计及气流控制技术。

下就这三种技术分别展开叙述：焦点位置控制技术激光切割的优点之一是光束的能量密度高,一般10W/cm2。

由于能量密度与4/πd2成正比,所以焦点光斑直径尽可能的小,以便产生一窄的切缝；同时焦点光斑直径还和透镜的焦深成正比。

聚焦透镜焦深越小,焦点光斑直径就越小。

但切割有飞溅,透镜离工件太近容易将透镜损坏,因此一般大功率CO2co2激光切割机工业应用中广泛采用5〃~7.5〃(127~190mm)的焦距。

实际焦点光斑直径在0.1~0.4mm之间。

对于高质量的切割,有效焦深还和透镜直径及被切材料有关。

例如用5〃的透镜切碳钢,焦深为焦距的+2%范围内,即5mm左右。

因此控制焦点相对于被切材料表面的位置十分重要。

顾虑到切割质量、切割速度等因素,原则上6mm 的金属材料,焦点在表面上；6mm的碳钢,焦点在表面之上；6mm的不锈钢,焦点在表面之下。

具体尺寸由实验确定。

在工业生产中确定焦点位置的简便方法有三种：打印法：使切割头从上往下运动,在塑料板上进行激光束打印,打印直径最小处为焦点。

斜板法：用和垂直轴成一角度斜放的塑料板使其水平拉动,寻找激光束的最小处为焦点。

蓝色火花法：去掉喷嘴,吹空气,将脉冲激光打在不锈钢板上,使切割头从上往下运动,直至蓝色火花最大处为焦点。

对于飞行光路的切割机,由于光束发散角,切割近端和远端时光程长短不同,聚焦前的光束尺寸有一定差别。

入射光束的直径越大,焦点光斑的直径越小。

为了减少因聚焦前光束尺寸变化带来的焦点光斑尺寸的变化,国内外激光切割系统的制造商提供了一些专用的装置供用户选用：1、平行光管。

这是一种常用的方法,即在CO2激光器的输出端加一平行光管进行扩束处理,扩束后的光束直径变大,发散角变小,使在切割工作范围内近端和远端聚焦前光束尺寸接近一致。

2、在切割头上增加一独立的移动透镜的下轴,它与控制喷嘴到材料表面距离（stand off）的Z轴是两个相互独立的部分。

当机床工作台移动或光轴移动时,光束从近端到远端F 轴也同时移动,使光束聚焦后光斑直径在整个加工区域内保持一致。

如图二所示。

3、控制聚焦镜（一般为金属反射聚焦系统）的水压。

若聚焦前光束尺寸变小而使焦点光斑直径变大时,自动控制水压改变聚焦曲率使焦点光斑直径变小。

4、飞行光路切割机上增加x、y方向的补偿光路系统。

即当切割远端光程增加时使补偿光路缩短；反之当切割近端光程减小时,使补偿光路增加,以保持光程长度一致。

切割穿孔技术任何一种热切割技术,除少数情况可以从板边缘开始外,一般都必须在板上穿一小孔。

早先在激光冲压复合机上是用冲头先冲出一孔,然后再用激光从小孔处开始进行切割。

对于没有冲压装置的co2激光切割机有两种穿孔的基本方法：1、爆破穿孔：(Blast drilling)，材料经连续激光的照射后在中心形成一凹坑,然后由与激光束同轴的氧流很快将熔融材料去除形成一孔。

一般孔的大小与板厚有关,爆破穿孔平均直径为板厚的一半,因此对较厚的板爆破穿孔孔径较大,且不圆,不宜在要求较高的零件上使用（如石油筛缝管）,只能用于废料上。

此外由于穿孔所用的氧气压力与切割时相同,飞溅较大。

2、脉冲穿孔：（Pulse drilling）采用高峰值功率的脉冲激光使少量材料熔化或汽化,常用空气或氮气作为辅助气体,以减少因放热氧化使孔扩展,气体压力较切割时的氧气压力小。

每个脉冲激光只产生小的微粒喷射,逐步深入,因此厚板穿孔时间需要几秒钟。

一旦穿孔完成,立即将辅助气体换成氧气进行切割。

这样穿孔直径较小,其穿孔质量优于爆破穿孔。

为此所使用的激光器不但应具有较高的输出功率；更重要的时光束的时间和空间特性,因此一般横流CO2激光器不能适应激光切割的要求。

此外脉冲穿孔还须要有较可靠的气路控制系统,以实现气体种类、气体压力的切换及穿孔时间的控制。

在采用脉冲穿孔的情况下,为了获得高质量的切口,从工件静止时的脉冲穿孔到工件等速连续切割的过渡技术应以重视。

从理论上讲通常可改变加速段的切割条件：如焦距、喷嘴位置、气体压力等,但实际上由于时间太短改变以上条件的可能性不大。

在工业生产中主要采用改变激光平均功率的办法比较现实,具体方法有以下三种：一、改变脉冲宽度；二、改变脉冲频率；三、同时改变脉冲宽度和频率。

实际结果表明,第（3）种效果最好。

喷嘴设计及气流控制技术激光切割钢材时,氧气和聚焦的激光束是通过喷嘴射到被切材料处,从而形成一个气流束。

对气流的基本要求是进入切口的气流量要大,速度要高,以便足够的氧化使切口材料充分进行放热反应；同时又有足够的动量将熔融材料喷射吹出。

因此除光束的质量及其控制直接影响切割质量外,喷嘴的设计及气流的控制（如喷嘴压力、工件在气流中的位置等）也是十分重要的因素。

激光切割用的喷嘴采用简单的结构,即一锥形孔带端部小圆孔。

通常用实验和误差方法进行设计。

由于喷嘴一般用紫铜制造,体积较小,是易损零件,需经常更换,因此不进行流体力学计算与分析。

在使用时从喷嘴侧面通入一定压力Pn(表压为Pg)的气体,称喷嘴压力,从喷嘴出口喷出,经一定距离到达工件表面,其压力称切割压力Pc,最后气体膨胀到大气压力Pa。

研究工作表明随着Pn的增加,气流流速增加,Pc也不断增加。

可用下列公式计算：V=8.2d2(Pg+1)其中（V-气体流速 L/mind-喷嘴直径 mmPg-喷嘴压力（表压）bar）对于不同的气体有不同的压力阈值,当喷嘴压力超过此值时,气流为正常斜激波,气流速从亚音速向超音速过渡。

此阈值与Pn、Pa比值及气体分子的自由度（n）两因素有关：如氧气、空气的n=5,因此其阈值Pn=1bar×(1.2)3.5=1.89bar。