激光加工機(jī)主光路調(diào)光方法探討

張忠義

ZHANG Zhong-yi

（西安理工大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710048）

激光加工機(jī)主光路調(diào)光方法探討

Main optical path of laser processing machine method of dimming

張忠義

ZHANG Zhong-yi

（西安理工大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710048）

JHM-1XY-500B多功能激光加工機(jī)的YAG激光器發(fā)出的激光束因光電轉(zhuǎn)換效率只有3%左右，大量的電能都轉(zhuǎn)換成熱能。所以，主光路調(diào)光尤為重要，激光束與He—Ne管激光指示紅光同軸性越好，激光輸出功率越大。激光光斑越圓，能量分布越均勻，加工效果越好，能充分發(fā)揮激光加工優(yōu)勢。這就對激光器主光路調(diào)光方法有嚴(yán)格要求，掌握調(diào)光方法是保證激光加工的重要條件。

激光加工機(jī)；激光諧振腔；主光路；調(diào)光。

0 引言

激光加工技術(shù)發(fā)展非常迅速，在工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療、軍事及研究等方面具有廣泛的應(yīng)用，諸如材料加工、材料表面處理、測量、印刷制版、通信、信息處理、娛樂、治療、醫(yī)生診斷、遙感、模擬、武器研制及光譜學(xué)等等。激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對材料（包括金屬與非金屬）進(jìn)行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一種加工新技術(shù)，涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測等多門學(xué)科。在機(jī)械制造領(lǐng)域，不僅用于打孔、切割、焊接和熱處理等領(lǐng)域，而且用于各種精細(xì)加工?，F(xiàn)在激光加工技術(shù)已從各種特殊用途的加工技術(shù)變?yōu)橥ㄓ玫?、具有多種加工能力的精加工技術(shù)。目前，激光應(yīng)用項(xiàng)目正在不斷擴(kuò)大，激光被譽(yù)為“萬能加工工具”、“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”。不僅在國防工業(yè)，在民用工業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。先進(jìn)工業(yè)國家的企業(yè)由于廣泛應(yīng)用激光加工技術(shù)，其生產(chǎn)技術(shù)正發(fā)生質(zhì)的變化。目前，我國企業(yè)應(yīng)用激光加工技術(shù)的速度正在不斷加快，但與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距。

自從20世紀(jì)六十年代美國采用紅寶石激光器在鉆石上打孔以來，激光加工技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中的一項(xiàng)常用技術(shù)。在今天，幾乎所有的重要工業(yè)部門都應(yīng)用了激光器。在國際范圍內(nèi)比較，激光加工的應(yīng)用在各個地區(qū)的各種行業(yè)有所不同：在美國，激光加工主要應(yīng)用于汽車業(yè)和金屬加工業(yè)；在亞洲，電氣工業(yè)和半導(dǎo)體工業(yè)則是激光器供應(yīng)商的最大客戶；在歐洲，金屬加工業(yè)和汽車業(yè)中的激光加工應(yīng)用較多，而在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用相對較少。另外，在歐洲，激光器在其他行業(yè)，如塑料工業(yè)中也有廣泛的應(yīng)用。

激光是利用輻射激發(fā)光放大原理而產(chǎn)生的一種單色（單頻率）、方向性好、能量密度高的光束。經(jīng)透射或反射鏡聚焦后獲得的直徑小于0. 1mm、功率密度高達(dá)1013W/m2的能束。當(dāng)激光束照射到工件表面時，光能被加工表面吸收并轉(zhuǎn)換成熱能，在材料表層引起瞬時高溫達(dá)到溶化、汽化溫度，并在沖擊波的共同作用下，使材料汽化蒸發(fā)或熔融濺出，達(dá)到激光加工的目的。激光加工就是利用激光的高功率密度，在極小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)材料的形狀、尺寸及表面性質(zhì)的改變，屬于無接觸加工。

激光加工技術(shù)是近十幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新加工技術(shù)，激光有四大特性：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性。由于激光具有的寶貴特性，給激光加工帶來如下一些其它方法所不具備的可貴特點(diǎn)：

1）無接觸加工，加工速度快。激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實(shí)現(xiàn)多種加工目的；可焊接難以接近的部位，施行非接觸遠(yuǎn)距離焊接，具有很大的靈活性。尤其是近幾年來， 在YAG激光加工技術(shù)中采用了光纖傳輸技術(shù)，使激光焊接技術(shù)獲得了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。

2）適合加工高熔點(diǎn)、高硬度、特種材料。它可以對多種金屬、非金屬加工，特別是加工高硬度、高脆性及高熔點(diǎn)的材料；可焊接難熔材料如鈦、石英等，并能對異性材料施焊，效果良好。

3）激光加工過程中無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件 。

4）熱變形及熱影響區(qū)小。激光加工過程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小。因此，其熱影響區(qū)小，工件熱變形小，后續(xù)加工量小。

5）它可通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進(jìn)行各種加工。還可在真空中加工。能在室溫或特殊條件下進(jìn)行焊接，焊接設(shè)備裝置簡單。例如，激光通過電磁場，光束不會偏移；激光在真空、空氣及某種氣體環(huán)境中均能施焊，并能通過玻璃或?qū)馐该鞯牟牧线M(jìn)行焊接。

6）可對復(fù)雜形狀的零件、微小件進(jìn)行加工，由于激光束易于導(dǎo)向、聚焦，各方向加工變換容易實(shí)現(xiàn)，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合，對復(fù)雜工件進(jìn)行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法。

7）激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達(dá)5：1，最高可達(dá)10：1。

8）因激光密度高、光斑小，可對零部件進(jìn)行局部、表面熱處理。也可對材料表面進(jìn)行熔覆及改性

9）激光束易實(shí)現(xiàn)光束按時間與空間分光，能進(jìn)行多光束同時加工及多工位加工，為更精密的焊接提供了條件。 加工無噪聲，對環(huán)境無污染。

10）易于實(shí)現(xiàn)自動化，由于加工方法先進(jìn)，可改變現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料。

11）生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益好。

激光加工機(jī)的核心部分就是激光發(fā)生器（也叫激光諧振腔）部分，如圖1、圖2所示為固體激光器工作原理圖。

激光諧振腔受激產(chǎn)生的激光要經(jīng)過全反射鏡及半反射鏡反射、聚焦鏡聚焦后才能到達(dá)工件表面，形成我們完成加工需要的激光束。電能轉(zhuǎn)換成激光，其光電轉(zhuǎn)換效率只有3%左右，大量的電能都轉(zhuǎn)換成熱能。若光路調(diào)整不好直接影響激光腔功率輸出，使激光加工效率大大降低，只有保證He—Ne管激光指示器紅光與激光諧振腔輸出激光束同軸才能保證最大激光輸出功率。特別是激光切割、打孔等要求精度較高加工中，為了保證加工質(zhì)量，使輔助氣體與激光束同軸從出光口噴出，在激光加工機(jī)最終出光口加裝小孔噴嘴，若激光束與He—Ne管激光指示器紅光（假定He—Ne管激光指示器紅光與噴嘴同軸）不同軸，那么，部分激光功率消耗在噴嘴壁上，這樣就造成出光口噴嘴出來到達(dá)工件表面的激光束功率不能達(dá)到百分之百，保證不了加工質(zhì)量，還造成激光噴嘴燒損。如何保證激光束與He—Ne管激光指示器紅光同軸并且順利到達(dá)需要加工的工件表面是本文要解決的問題。

圖1 固體激光器工作原理

圖2 固體激光器工作原理

以我?，F(xiàn)有JHM-1XY-500B型多功能激光加工機(jī)為例加以說明，而此調(diào)光方法適合所有固體激光器。JHM-1XY-500B型多功能激光加工機(jī)是脈沖式Y(jié)AG激光加工機(jī)，激光器光路系統(tǒng)包括主光路系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)、指示器紅光系統(tǒng)等部分組成。指示器紅光系統(tǒng)由He—Ne電源、He—Ne管和He—Ne管架組成。He—Ne波長為0.632um，用于指示引導(dǎo)加工點(diǎn)位置，同時也作諧振腔及其它光學(xué)部件的調(diào)整基準(zhǔn)。

He—Ne激光指示器紅光調(diào)整方法：首先以He—Ne紅色激光為基準(zhǔn)調(diào)整激光諧振腔YAG晶體位置，裝好激光諧振腔（YAG晶體及脈沖氙燈），目視把激光諧振腔放在調(diào)整架上，鎖緊。在激光腔后放一上轉(zhuǎn)換片，微調(diào)整YAG晶體位置使發(fā)光晶體在上轉(zhuǎn)換片的反射光斑呈綠色圓狀，He—Ne紅色指示激光光斑與YAG晶體反射光斑要求同軸（也就是同心）。若不同軸調(diào)整激光諧振腔架（或微調(diào)YAG晶體位置），是He—Ne紅色指示激光與YAG晶體光斑同軸。再是以激光諧振腔為基準(zhǔn)，調(diào)整He—Ne紅色指示激光。先裝好激光諧振腔（YAG晶體及脈沖氙燈），目視把激光諧振腔裝在激光架中間，鎖緊。調(diào)整He—Ne管架前端調(diào)整螺絲使指示紅光與上轉(zhuǎn)換片上綠色光斑同軸，也可以調(diào)整He—Ne管架尾部調(diào)整螺絲使He—Ne激光指示紅光與上轉(zhuǎn)換片上綠色光斑同軸。若沒有上轉(zhuǎn)換片，在激光諧振腔后面放一張白紙，YAG晶體在白紙上的反射光斑呈許多同心圓紅光，調(diào)整He—Ne激光指示紅光與YAG晶體同心圓紅光同心，調(diào)整方法與上面步驟相似，這里不再敘述。

激光主光路調(diào)光方法：以He—Ne紅色指示激光器為基準(zhǔn)調(diào)整激光加工機(jī)主光路。裝好激光諧振腔后，必須使YAG晶體與He—Ne紅色指示激光同軸，才能保證激光能量（功率）的輸出。先取下半反膜片座及全反膜片座。將小孔光闌分別套上晶體棒兩端，并將He—Ne紅色指示激光調(diào)到與YAG晶體軸線同軸，即He—Ne紅色指示激光同時透過YAG晶體棒兩端的小孔光闌，并在白紙上呈現(xiàn)多個同心圓形的紅色光斑，將晶體反射到指示光濾光片上的點(diǎn)調(diào)至與濾光片上的小孔重合為止。將另一小孔光闌裝入450半反鏡座小孔上，檢查經(jīng)過晶體的兩端小孔光闌的指示光是否穿過反射鏡小孔中心，即三個小孔是否成一條直線，若有所偏移，則分別調(diào)整450半反鏡座或聚光腔，直到三個小孔準(zhǔn)直成一條直線。

將半反膜片架裝上導(dǎo)軌鎖緊，在半反膜片后放一上轉(zhuǎn)換片（無上轉(zhuǎn)換片時放一張白紙），看指示光反射點(diǎn)與YAG晶體棒套一端的小孔光闌是否重合，若不重合，調(diào)整半反膜片架上右端調(diào)節(jié)螺絲，逆時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光上移（激光光斑下移），順時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光下移（激光光斑上移）；調(diào)整半反膜片架下左端調(diào)節(jié)螺絲，逆時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光左移（激光光斑右移），順時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光右移（激光光斑左移）；直到將He—Ne激光指示紅光反射點(diǎn)調(diào)入YAG晶體棒套一端的小孔光闌內(nèi)為止。將全反膜片架裝上導(dǎo)軌鎖緊，在半反膜片后放一上轉(zhuǎn)換片（無上轉(zhuǎn)換片時放一張白紙），看He—Ne激光指示器紅光反射點(diǎn)與YAG晶體棒套一端的小孔光闌是否重合，若不重合，調(diào)整全反膜片架上右端調(diào)節(jié)螺絲，逆時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光下移（激光光斑上移），順時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光上移（激光光斑下移）；調(diào)整半反膜片架下左端調(diào)節(jié)螺絲，逆時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光右移（激光光斑左移），順時針方向旋轉(zhuǎn)He—Ne激光反射指示紅光左移（激光光斑右移）；直到將指示紅光反射點(diǎn)調(diào)入晶體棒套一端的小孔光闌內(nèi)為止。至此主光路粗調(diào)方可結(jié)束。

取下三個小孔光闌。打開主電源，將調(diào)光上轉(zhuǎn)換片放在半反膜片后，因上轉(zhuǎn)換片表面鍍膜，激光在上轉(zhuǎn)換片上反射光斑呈綠色光斑。激光輸出能量調(diào)至較低值，一般為電流100A、脈寬0.3ms、頻率30Hz為宜。若參數(shù)調(diào)整過大，就可能把上轉(zhuǎn)換片上鍍膜燒掉。若用曝光相紙觀察，根據(jù)出光情況，若開始不出光，可適當(dāng)加大激光輸出能量，直到有激光輸出為止，一般電流為200A、脈寬1.0ms、頻率0.5-1.0Hz。若激光在曝光相紙上出現(xiàn)光斑時，則可降低激光參數(shù)，一般為100A、脈寬為1.0ms、頻率為0.5-1.0Hz。若激光光斑上、下存在缺斑現(xiàn)象，微調(diào)全反及半反膜片架上端調(diào)整螺絲，利用上轉(zhuǎn)換片和曝光相紙進(jìn)行觀察，使激光光斑成規(guī)則的圓形。若光斑左右存在缺陷，則微調(diào)整全反及半反膜片架下端調(diào)整螺釘；若光斑上下存在缺陷，則微調(diào)整全反及半反膜片架的上端調(diào)整螺釘，直到光斑較園，且激光能量分布均勻，激光束與He—Ne指示激光紅光同軸。此時，激光輸出效果最好。

以上是我們在使用激光加工機(jī)過程中，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整、驗(yàn)證、探討出的簡單而實(shí)用的固體激光器主光路調(diào)光方法。希望能對你有所幫助。

注意：1）調(diào)整膜片架時一次調(diào)整幅度不宜過大。

2）應(yīng)在工作電壓較低時進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整激光輸出時，切勿將手碰著氙燈兩端的電極，以免發(fā)生傷害。

3）發(fā)光晶體在上轉(zhuǎn)換片上反射光斑呈綠色圓形光斑，白紙上反射光斑為紅色同心圓環(huán)。

[1] 張永康.激光加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[2] 陳彥賓.現(xiàn)代激光焊接技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3] 王家金.激光加工技術(shù)[M].北京:中國計量出版社,1992.

[4] JHM-1XY-500B多功能激光加工機(jī)使用說明書.武漢:楚天工業(yè)激光設(shè)備有限公司,2006.

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1009-0134(2010)11(上)-0052-04

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2010-04-17

張忠義（1957 -），工程師，研究方向?yàn)椴牧铣尚停ê附樱┙虒W(xué)及工藝、設(shè)備研究。