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激光喷码机中的CO2激光器的特点及趋势分析

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激光喷码机中的CO2激光器的特点及趋势分析

发布日期:2018-08-07 作者:激光喷码机 点击:

导读:激光喷码机中的二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光,它发展较早,商业产品较为成熟,被广泛应用到材料加工、医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域。在激光的发展和应用方面,CO2激光器的制作和应用较早也较多,早在1970年代末期,就有从国外直接进口CO2激光器,从事工业加工和医疗等应用。从80年代末期开始,CO2激光器被广泛引进并应用在在材料加工领域。


激光喷码机中的CO2激光器的特点及趋势分析 

二氧化碳激光器是目前连续输出功率较高的一种激光,它发展较早,商业产品较为成熟,被广泛应用到材料加工、医疗使用、军事武器、环境量测等各个领域。在激光的发展和应用方面,CO2激光器的制作和应用较早也较多,早在1970年代末期,就有从国外直接进口CO2激光器,从事工业加工和医疗等应用。从80年代末期开始,CO2激光器被广泛引进并应用在在材料加工领域。


  近年来CO2激光加工设备虽然渐趋普及,但激光毕竟是一种新的工具,激光加工技术亦不同于传统的加工方法,所以工业界在引进使用CO2激光器的过程中,曾经遇到各种各样的问题,给很多厂商造成不少困扰。本文针对CO2激光器在不同领域的应用状况及其演变作以分析,并提出在使用CO2激光器过程中,常面临的一些问题,按照CO2激光器功率大小分类,阐述其在各个产业上的应用状况及演变情况,列举CO2激光应用者会面对的主要问题并加以分析,最后对CO2激光应用的未来提出展望。


  CO2激光器是一种比较重要的气体激光器。这是因为它具有一些比较突出的优点:


  第一,它有比较大的功率和比较高的能量转换效率。一般的闭管CO2激光器可有几十瓦的连续输出功率,这远远超过了其他的气体激光器,横向流动式的电激励CO2激光器则可有几十万瓦的连续输出。此外横向大气压CO2激光器,从脉冲输出的能量和功率上也都达到了较高水平,可与固体激光器媲美。CO2激光器的能量转换效率可达30~40%,这也超过了一般的气体激光器。


  第二,它是利用CO2分子的振动-转动能级间的跃迁的,有比较丰富的谱线,在10微米附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现的高气压CO2激光器,甚至可做到从9~10微米间连续可调谐的输出。


  第三,它的输出波段正好是大气窗口(即大气对这个波长的透明度较高)。


  除此之外,它也具有输出光束的光学质量高,相干性好,线宽窄,工作稳定等优点。因此它在国民经济和国防上都有许多应用,如应用于加工(焊接、切割、打孔等),通讯、雷达、化学分析,激光诱发化学反应,外科手术等方面。


  未来的激光喷码机CO2激光器将朝着以下几个方向发展:


  (1)高功率横流CO2激光器。


  高功率横流CO2激光器,用于激光加工和热处理,激光器的整机呈一体化的箱体。箱体的上箱体中置有一体化的放电室、热交换器、风机系统、进出口导流器以及光学谐振腔,箱体的下箱体中置有激光电源、充放气系统、真空泵、镇流电阻箱和控制盒。与已有技术相比具有结构紧凑、安装调试和维修方便、激光器的工作效率高,整机的体积可以小型化的特点。它主要应用于金刚石工具、汽车齿轮、汽车安全气囊气体发生器等焊接中的应用,激光表面淬火与熔覆工艺及其在钢铁轧辊表面熔凝淬火、石油化工零件表面修复等方面的特殊应用。


  (2)声光调QCO2激光器:为满足激光测距、环境探测、空间通讯及激光与物质相互作用机理研究等领域应用要求,研制了声光调QC02激光器。针对影响声光调QCO2:激光器输出的各种因素,利用调Q脉冲激光器速率方程对该激光器输出的主要技术参数进行了理论分析和计算,提出了声光调QCO2:激光器优化设计的方法,并进行了验证实验。


  激光器脉冲重复频率为lHz~50kHz,在lkHz运转时获得的输出激光脉冲宽度为180ns,峰值功率为4062W,与理论计算基本一致。结果证明:通过声光晶体(AO)的优选及谐振腔的合理设计。可实现小型CO2激光器的高重频、窄脉宽,高峰值功率输出,并可通过光栅选线的设计方式和TTL信号控制实现此类激光器的波长调谐和编码输出。


  (3)紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器:为了使CO2激光器在工业加工及军事上有更广泛的应用,采用铝合金拉制型材作为激光器壳体、盘装电感代替传统线绕电感的结构以及全金属封接工艺等,研制出一种紧凑型长寿命射频激励波导CO2激光器.可连续输出或在不高于20kHz调制频率下脉冲输出,最大输出功率30W,实测工作寿命超过1500h,存储寿命超过1.5a.结果表明,这种激光器具有结构紧凑、输出功率稳定、工作寿命长、可连续及脉冲调制工作等特点,除了能满足各种材料的加工,也可在军事上应用。


  (4)新型便携式TEACO2激光器:它是一种新型便携式横向激励大气压CO2激光器。该激光器采用4节5号充电电池直流供电,在1Hz重复频率条件下,可连续工作1h.激光器整机(包括电源及控制系统)尺寸为200nm×200mm×360mm,质量小于8kg.激光器使用紫外电晕预电离方式,放电均匀、稳定.自由振荡情况下,激光脉冲输出能量达到35mJ,输出脉冲宽度为70ns。


  (5)高功率连续CO2激光器:针对直升飞机发动机涡轮叶片采用连续激光熔覆出现裂纹及叶片变形的问题,在5kW连续横流CO2激光器上,采用新的电源控制方案,通过软件及相关控制,实现了脉冲激光功率输出.克服了采用高功率开关电源带来的成本和稳定性问题.且脉冲调制频率可达到5Hz,调制占空比可达到5%~100%.当采用4kW峰值功率,4Hz脉冲重复频率,占空比为20%时,在发动机叶片K403合会表面进行合金粉末StelliteX-40的熔覆实验.结果表明,熔覆后热影响区比连续激光减少50%,硬度提高5%,界面结合性能与母材相当,无熔覆裂纹及叶片变形。


  多年来,我国国家科技计划对轴流CO2激光器和横流CO2激光器做了大量消化吸收工作。中、美、日、俄研发的横流CO2激光器,成本低,功率大,但因光束质量不是很好,主要用于再制造和热处理。由德国开发的轴流CO2激光器由于光束质量好,所以已经被广泛应用于激光焊接和切割。但是由于轴流CO2激光器造价高、结构复杂、维护费高、运行费高,中小企业难以接受,导致其在推广应用方面进展缓慢,因此轴流CO2激光器显然不是我国CO2激光器发展方向。

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