分立供氣軸快流CO2激光器占空比配氣技術(shù)研究*

司立眾

（江蘇省南京工程高等職業(yè)學(xué)校電子工程系，江蘇南京 211135）

SM系列軸快流CO2激光器是南京東方激光有限公司于2004年從德國(guó)ROFIN公司引進(jìn)的先進(jìn)激光制造技術(shù)，目前該公司已累計(jì)銷售這一系列激光器近400臺(tái)。然而這一系列激光器在工業(yè)應(yīng)用中一個(gè)較長(zhǎng)見(jiàn)的問(wèn)題是氣體配比波動(dòng)較大，這也是該類激光器工作不穩(wěn)的主要原因之一。如常州市力凱模具有限公司購(gòu)買的SM激光器就存在類似問(wèn)題，且經(jīng)過(guò)多次維修仍不能根除。目前有關(guān)軸快流CO2激光器連續(xù)工作穩(wěn)定性研究相對(duì)較少［1－2］，也未見(jiàn)涉及氣體單元設(shè)計(jì)與激光器工作穩(wěn)定性關(guān)系的研究［3－4］。為解決這一問(wèn)題，仔細(xì)分析了這一系列激光器的氣體單元的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為控制He、N2、CO2三種氣體流量的節(jié)流閥，在工作過(guò)程中其流量會(huì)隨環(huán)境溫度和工作時(shí)間長(zhǎng)短而變化的。特別是通徑最小的控制CO2的節(jié)流閥，在工作一段時(shí)間之后有時(shí)還會(huì)發(fā)生堵塞現(xiàn)象，其主要的外觀特征是:激光器放電正常，但功率逐漸下降直至沒(méi)有功率。為什么會(huì)出現(xiàn)這一情況呢?本文將以SM2000軸快流CO2激光器氣體單元為例，來(lái)具體研究一下氣體配比的變化。

1 氣體單元

1.1 概述

如圖1所示為SM2000軸快流CO2激光器氣體單元基本結(jié)構(gòu)圖，圖中N2、CO2、He分別通過(guò)手動(dòng)可調(diào)節(jié)流閥1～3按調(diào)節(jié)好的比例通過(guò)電磁閥1向混氣儲(chǔ)罐充氣。當(dāng)混氣儲(chǔ)罐內(nèi)壓力低于0.12 MPa時(shí)壓力開關(guān)1動(dòng)作，電磁閥1開啟，向混氣儲(chǔ)罐內(nèi)充氣;當(dāng)混氣儲(chǔ)罐內(nèi)壓力高于0.15 MPa時(shí)壓力開關(guān)2動(dòng)作，電磁閥1關(guān)閉，停止向混氣儲(chǔ)罐內(nèi)充氣;電磁閥2的開啟和關(guān)閉由檢測(cè)諧振腔的壓力開關(guān)控制。

1.2 可調(diào)節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

在氣體單元中，為了保證恰當(dāng)?shù)臍怏w配比，可調(diào)節(jié)流閥1～3選擇了通徑不同的針形節(jié)流閥，其中可調(diào)節(jié)流閥3通徑最大，可調(diào)節(jié)流閥2通徑最小。如圖2所示，是這些針形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖，閥芯3為圓錐形，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺母1可以改變閥芯與閥座之間的間隙，從而改變閥門導(dǎo)通面積，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。

1.3 可調(diào)節(jié)流閥缺陷

對(duì)于可調(diào)節(jié)流閥，在一般的應(yīng)用場(chǎng)合并不存在問(wèn)題，但在SM2000軸快流CO2激光器氣體單元中并不是這樣。圖3為圖2中沿A－A剖切的閥芯、閥座剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中閥芯、閥座間的白色圓環(huán)為節(jié)流閥導(dǎo)通面積。對(duì)于使用一般常用材料鑄造加工的閥座、閥芯，當(dāng)溫度升高時(shí)，閥芯會(huì)因熱脹而直徑變大，同時(shí)閥座也會(huì)因熱脹而使閥孔變小，這一雙重作用的效果就是導(dǎo)致可調(diào)節(jié)流閥導(dǎo)通橫截面的面積減小。由于3個(gè)調(diào)節(jié)閥的導(dǎo)通橫截面的面積不一樣，它們?cè)跓崤蛎洉r(shí)導(dǎo)通橫截面的面積變化比例也不一樣，這樣，在溫度變化時(shí)，原來(lái)調(diào)節(jié)好的氣體配比就會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而也會(huì)影響激光器工作的穩(wěn)定。特別是由于CO2的需求比例最小，所選用的控制CO2流量的可調(diào)節(jié)流閥2的通徑也最小，即其開度（圖3中的白色圓環(huán)）也最小，這樣，在溫度升高時(shí)，因熱膨脹而造成的可調(diào)節(jié)流閥2導(dǎo)通面積的減小比例最大，甚至?xí)斐蓺舛隆?/p>

2 解決方案

2.1 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為克服上述缺陷，在此提出一種解決方案，即選用同一種通徑的可調(diào)節(jié)流閥，并開啟到最大導(dǎo)通截面，這樣在溫度變化的時(shí)候，因熱脹冷縮而引起的各個(gè)節(jié)流閥導(dǎo)通面積的變化比例也一樣，這樣就能保證氣體配比的穩(wěn)定性。圖4就是按這一思想設(shè)計(jì)的新的氣體單元裝置示意圖，圖中N2、CO2、He三種氣體分別通過(guò)電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3進(jìn)入混氣儲(chǔ)罐，3個(gè)電磁閥選用型號(hào)一樣的電磁閥（可統(tǒng)一選用某一型號(hào)的小流量電磁閥），且閥芯開啟度也完全一樣，這樣打開時(shí)3個(gè)閥的流量也一樣大。顯然，由上述分析可知，這幾個(gè)電磁閥的導(dǎo)通面積隨溫度變化應(yīng)一致，這樣就不會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓饸怏w混和比例的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定混合氣體配比的目的。

2.2 方案工作方式設(shè)計(jì)

在上述的工作方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，3個(gè)電磁閥是選用同一型號(hào)、同一通徑閥芯、開啟度也完全一樣的電磁閥，那如何能夠?qū)崿F(xiàn)不同氣體在混和氣體中占有不同的比例呢?比較圖4與圖1，在圖4中筆者用電磁閥代替了圖1中的可調(diào)節(jié)流閥。相對(duì)于可調(diào)節(jié)流閥來(lái)說(shuō)，電磁閥開啟度雖然不可控，但它的開啟時(shí)間是可控的，這樣就可以通過(guò)控制不同電磁閥開啟時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制不同氣體注入混氣儲(chǔ)罐的量，從而實(shí)現(xiàn)想要的氣體混和比例。

2.3 方案具體實(shí)施方法

假設(shè)N2、CO2、He三種氣體需要的混和比例為35∶5∶60（體積比），那么3個(gè)電磁閥的通電周期可以統(tǒng)一設(shè)為7 s（也可以設(shè)為8 s、9 s、10 s等，此處僅以7 s為例加以說(shuō)明），則在每一個(gè)通電周期里，電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3的通電時(shí)間可以分別設(shè)定為3.5 s、0.5 s、6 s，不通電時(shí)間分別設(shè)定為:3.5 s、6.5 s、1 s。這樣，就能獲得N2、CO2、He三種氣體按混和比例35∶5∶60配比的混和氣體。在實(shí)際應(yīng)用中，電磁閥的開啟和關(guān)斷并不是一個(gè)時(shí)間為零的過(guò)程，即電磁閥從無(wú)流量到最大流量是需要一定時(shí)間的，所以，不同電磁閥在同一周期內(nèi)的開啟時(shí)間還需要進(jìn)一步微調(diào)。另外，為提高氣體混和的均勻性或減小氣體混和的周期性不均勻變化的范圍，可適當(dāng)增大混氣儲(chǔ)罐的體積和縮短電磁閥的通電周期。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的采用電磁閥代替可調(diào)節(jié)流閥的氣體混和比例調(diào)節(jié)方案不僅能夠應(yīng)用于SM軸快流CO2激光器，也能夠應(yīng)用于其他流體混和的場(chǎng)合［5－8］;尤其是對(duì)于微小流量且設(shè)備工作環(huán)境溫度變化顯著的應(yīng)用場(chǎng)合，其工作穩(wěn)定性優(yōu)于采用可調(diào)節(jié)流閥的設(shè)計(jì)方案。

南京東方激光有限公司目前是全球唯一一家由德國(guó)Rofin－Sinar laser公司授權(quán)的以其SM技術(shù)制造高功率軸快流CO2激光器的生產(chǎn)廠家。其SM軸快流CO2激光器制造技術(shù)居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，但該類設(shè)備的氣體單元部分故障率相對(duì)較高，其最主要的故障原因就是氣體混和比例的失調(diào)。本文提出的設(shè)計(jì)方案能夠有效地解決這一問(wèn)題。這一問(wèn)題的有效解決不僅能夠提高SM軸快流CO2激光器的工作穩(wěn)定性，也能在一定程度上提升國(guó)產(chǎn)軸快流CO2激光器的制造水平。

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