高功率轴快流CO激光器基本原理结构课件.ppt

1、高功率轴快流CO激光器基本原理结构轴快流CO2激光器基本原理2光的受激辐射光的受激辐射3CO2CO2激光器的受激辐射激光器的受激辐射4激光工作物质激光工作物质全全反反射射镜镜半半反反射射镜镜激光工作原理激光工作原理：out光放大原理光放大原理5激光的特性激光的特性单色性 相干性 方向性6激光模式激光模式TEM00 Mode4000Watts7光束质量参数光束质量参数8轴快流轴快流CO2CO2激光器的诞生激光器的诞生轴快流CO2激光器是在早期的封离式圆形玻璃管纵向激励CO2激光器的基础上发展而来的。1965年，Bridge和Petel将放电管壁的温度冷却到-60C以下来提高激光器的输出功率。Mo

2、eller,Rigder8以及Patel9等人则采用风冷和水冷的方式来使放电管冷却。1969年Cool等人将快速流动技术引入到了这种激光器中，通过工作气体的高速流动来使其冷却，从而获得了较高功率的激光输出。轴快流CO2激光器9直流激励轴快流直流激励轴快流CO2CO2激光器激光器10射频激励轴快流射频激励轴快流CO2CO2激光器激光器1 激光谐振腔 2 谐振腔镜片 3 放电电极 4 涡轮风机 5 真空泵 6 电磁阀7 风机出气口换热器 8 风机进气口换热器 11轴快流激光仍将是工业加工中的主流激光器轴快流激光仍将是工业加工中的主流激光器薄板+3D切割：光纤激光器占优厚板+非金属/金属+切割+价格

3、：CO2激光器具有明显优势来自德国来自德国“FraunhoferFraunhofer研究所研究所”研究结果研究结果12TrumpfTrumpf最新最新10kW10kW激光器激光器13HUST&OVL ConvergentHUST&OVL Convergent研究成果研究成果14激光切割的市场需求激光切割的市场需求德国德国Trumpf推出了功率高达推出了功率高达12kW的的CO2激光复合加工机和功率高达激光复合加工机和功率高达15kW的三的三维维CO2激光切割机，表明了激光加工装备的高功率发展趋势！激光切割机，表明了激光加工装备的高功率发展趋势！德国德国Trumpf 的的15kW-CO2激光三激

4、光三维激光切割机维激光切割机德国德国Trumpf 12kW-CO2激光切割、焊激光切割、焊接和表面处理复合加工机接和表面处理复合加工机15重大行业应用重大行业应用现代船舶制造中已开始大量使用的轻型现代船舶制造中已开始大量使用的轻型“三明治三明治”多层空心结构厚钢板的切割加工多层空心结构厚钢板的切割加工，更是对万瓦轴快流激光切割装备提出了迫切需求。，更是对万瓦轴快流激光切割装备提出了迫切需求。德国德国Trumpf公司的公司的12kW-20kW轴快流轴快流CO2激光器已用于世界上许多大型船厂的生产线上，可大激光器已用于世界上许多大型船厂的生产线上，可大大提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。大

5、提高船舶的有效载荷，并大幅度减低制造成本。日本的日本的Kawasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的Meyer Werft也安装了也安装了四台四台12KW的的CO2激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆激光器，用来焊接不同长度的船体加强杆 16Trumpf轴快流CO2激光器概述17激光器构成激光器构成冷水机激光发生器操作面板控制系统射频电源18激光发生器构成激光发生器构成涡轮风机热交换器激光谐振腔激光器支撑功率计光闸19激光谐振腔构成激光谐振腔构成转折镜窗口与尾镜放电管20基本工作原理基本工作原理21Trumpf CO

6、2激光器谐振腔22轴快流轴快流CO2CO2激光器常用激光谐振腔激光器常用激光谐振腔尾镜窗口单折腔U形多折腔矩形多折腔23谐振腔结构谐振腔结构US：转折镜 RS：尾镜 AS：窗口24Trumpf12000Trumpf12000谐振腔结构谐振腔结构1、角镜体 2、光桥 3、回气座 4、输出镜座光桥要求：1、温度稳定性好2、抗形变性能好3、防振性能好251、窗口 2、尾镜 3、转折镜 4、转折镜安装组件26谐振腔镜片谐振腔镜片镜子类型材料直径反射率曲率半径转折镜铜（镀膜）60mm99.7%p-偏振方向99.9%s-偏振方向平面输出镜ZnSe（镀膜）1.6540%外面：30 mcx里面：30 mcc

7、尾镜GaAs（镀膜）1.6599.7%外面：平面里面：30 mcc271、调节垂直方向2、调节水平方向28模式检测工具模式检测工具1、热敏板 2、紫外灯 29检测示意图检测示意图1、热敏板 2、紫外灯 3、激光束（尾镜）30未调整好的模式分布调整好的模式分布31激光烧斑图样激光烧斑图样32扩束镜扩束镜采用扩束镜延长激光加工的可用光程，在飞行光路激光加工中广泛应用。采用扩束镜延长激光加工的可用光程，在飞行光路激光加工中广泛应用。1、凹面镜 2、凸面镜a、进入的光束直径 b、离开的光束直径33光闸光闸34Trumpf CO2放电结构35直流放电结构直流放电结构3636直流放电特点直流放电特点电极位

8、于放电管内，放电方向与光束方向一致；可以有多种电极结构；起辉电压高，一般要使用触发电极；易产生放电不稳定性，要求在阳极形成湍流；不易调制：工频直流电源，调制频率一般最大为2kHz，开关电源，调制频率一般最大为5kHz；电源简单，无辐射污染。3737放电结构放电结构1、玻璃管 2、放电区 3、放电电极38射频放电特点射频放电特点电极位于放电管外，是电容耦合的横向放电(放电方向垂直于光束方向)；电极形状要求严格，以提高放电的对称性；起辉电压低；放电均匀稳定，无可见的放电辉光抖动；易于调制，调制脉冲频率可达100kHz；电源复杂，易产生辐射污染，电源及放电管须进行屏蔽。3939高功率连续放电（高功率

9、连续放电（85mA85mA）放电管放电管4.2放电管放电管4.3放电管放电管4.140射频放电射频放电4141多根放电管串联多根放电管串联42两种放电结构两种放电结构43阻抗匹配阻抗匹配射频电源 13.56MHz 50欧姆44阻抗匹配器阻抗匹配器45阻抗匹配布置阻抗匹配布置为每台电源配置一个阻抗匹配器46阻抗匹配布置阻抗匹配布置1、左匹配器 2、右匹配器 AS：窗口47反射功率变化曲线反射功率变化曲线48匹配网络对反射功率的影响匹配网络对反射功率的影响a、正常的匹配曲线 b、增长串联线圈 c、减小串联线圈49放电建立时间放电建立时间50匹配失调的原因匹配失调的原因1、工作气压2、气体比例变化3

10、、气体纯度4、气体温度(冷却系统故障)5、射频功率幅值6、射频连接7、射频电缆或电极物理位置8、参数MD48错误9、反射功率计故障51Trumpf CO2气体循环冷却52免维护磁悬浮涡轮风机免维护磁悬浮涡轮风机罗茨风机罗茨风机涡轮风机涡轮风机磁悬浮涡轮风机磁悬浮涡轮风机53气体循环原理图气体循环原理图54风机罩风机罩1、涡轮风机 2、叶轮 3、风机罩 4、热交换器5、翅片管 6、冷却水入口 7、气体入口 8、气体出口55涡轮风机热交换器561、叶轮2、外壳3、扩散器A、气体入口B、气体出口571、扩散器2、叶轮58风机结构风机结构1、叶轮2、上保护轴承3、转子（永磁）4、定子5、下保护轴承6、

11、驱动轴7、磁板59定子定子1、水冷 2、开口 3、线圈 4、电机电缆 5、电机温度电缆601、正弦波滤波器 2、变频器 3、混合滤波器 4、操作面板KP10061风机控制原理风机控制原理1、滤波器 2、整流器 3、变频器 4、中间电路5、制动斩波器 6、磁轴承控制器 7、逆变器 8、正弦波滤波器 9、涡轮风机62磁轴承控制器磁轴承控制器631、径向传感器，上 2、径向磁轴承，上 3、控制器MBE-50 4、轴向磁轴承5、保护轴承，上 6、轴向传感器 7、驱动轴 8、转子 9、定子10、保护轴承，下 11、径向磁轴承，下 12、速度传感器 13、径向传感器，下641、供电电源 2、控制电源 3、

12、控制器 4、磁轴承驱动5、传感器信号处理 6、数字接口 7、LCD显示A、到磁轴承的信号 B、磁轴承返回信号65风机启停曲线风机启停曲线66气体混和器气体混和器气体混和气将三种工作气体按照特定的比例混合后冲入到激光器真空腔内。67气体混合器原理图气体混合器原理图68激光器工作过程中的气压曲线激光器工作过程中的气压曲线1、抽气 2、自动净化 3、充气 4、Beam off 5、Beam on 6、Beam off 7、关机69气压控制原理气压控制原理70Trumpf CO2激光器功率检测71功率检测方法输出激光采样功率检测方法输出激光采样72功率检测方法尾镜取样检测功率检测方法尾镜取样检测73T

13、rumpfTrumpf激光器功率采集激光器功率采集1、尾镜 2、功率传感器 3、冷却水 4、模拟量采集74Trumpf CO2激光器控制系统75控制系统结构图控制系统结构图76ProfibusProfibus连接原理图连接原理图771、Profibus通信电缆2、以太网线A、TASC3控制系统B、BUSCH IO模块C、射频电源控制模块78TASC3 控制系统1、软驱2、电源3、射频电源控制模块4、多功能板5、扩展插槽6、CP600S嵌入式系统7、Profibus从模块8、Profibus主模块79主控制器主控制器CP 600-S处理器奔腾133M存储32M Ram8M flash操作系统Vx

14、 Works维护免维护80811、32路输入模块2、32路输入模块3、RM2-DP12模块4、数码管状态显示5、Profibus DP接口6、+24V电源7、扩展槽8、32路输出模块BE1-BE4：输入插槽BA1-BA4：输出插槽82模块地址编码模块地址编码83RM2-DP12RM2-DP12模块模块84输入模块输入模块85输出模块输出模块86射频电源控制模块射频电源控制模块87射频电源控制模块射频电源控制模块1、A7通信接口板(RS232,Canbus)2、A8 Profibus接口板3、Profibus接口4、A10安全联锁接口板5、X8测量插头6、扩展板9、数码管状态显示10，11、控制板13、+5V，+-15V电源14、24V电源88射频功率反馈射频功率反馈89射频功率控制射频功率控制90射频电源控制信号射频电源控制信号RF ONRF OFF91连续模式脉冲模式92连续工作模式连续工作模式93连续工作模式连续工作模式94门控频率=200Hz 95门控频率=5000Hz 96门控频率=50000Hz 979899