工业所用大功率固体激光加工系统探究分析

摘要：本文主要介绍了大功率固体激光加工系统的研制、其装备结构的设计、系统的原理。对该系统的一些关键问题进行了深入剖析，主要包括固体激光器的大功率输出、大功率固体加工系统的组成、大功率的光纤耦合及国内外大功率固体激光器的发展状况等。根据一系列的加工实验，结果表明该固体激光加工技术操作简易，运行起来安全可靠而且焊接质量非常好，可与机床等外接设备一起使用，可以大大满足工业生产的需求，目前在机械加工以及电子工业领域起着重要的作用。

关键词：大功率固体激光器 光纤耦合 加工系统的控制

在新世纪的工业领域中，激光加工技术得到了迅速的发展。由于激光具有很好的方向性、相干性和单色性，激光加工使传统的加工业得到了改善。在机械制造领域广泛被用于打孔、焊接、切削加工等，逐步成为目前工业加工领域技术的主导。

1、固体激光加工系统的组成

工业所用的大功率固体激光加工系统主要由光纤耦合、大功率的Nd：YAG激光器、激光加工工作头及加工机械手组成。其中加工机械手为运动系统，光纤耦合作为光纤传输系统，目前Nd：YAG激光器的应用已大大超过了二氧化碳激光器，它有很多优点例如金属的吸收率高、易于光纤传输、储存的能量高等。激光加工头主要有切割头和焊接头组成，一般切割头上都有水冷的装置，同时又是该大功率激光加工的水冷系统。

2、大功率固体激光加工光纤耦合技术的激光聚焦系统设计

大功率的激光光纤传出系统具有一定的特异性，在光纤耦合技术中传输效率的高低是该设计是否成功的一个重要取向。因此通常我们用三透镜来取代单透镜，这样可以降低激光的功率损失。为了满足激光光纤的耦合条件，光束聚焦后其束宽和发散角

必须满足以下关系：

W

其中w为光束的束宽，d为光纤芯径，θ为激光的远扬发散角

大功率激光光纤耦合技术所用的光纤基本上是大芯径多模光纤，根据数学的计算结果表明光纤耦合器的光纤端面处激光光斑直径小于光纤纤芯直径2/3是非常合适的。在大功率固体激光加工系统的激光光纤耦合过程中，我们也不能为了追求小的聚焦束腰半径，而忽视了光束发散角增，因为在束腰半径减小的过程中光束的发散角在不断地增大，当光束的发散角超过光纤数值最大孔径的时候，这样就会增大激光的功率损失，从而造成一定的浪费。因此应该同时考虑光束发散角和束腰半径的关系，将两者进行综合全面的考虑，准确的衡量两者的关系，不能因为单纯追求其中一个参数的变小而忽视了另一个参数条件，而是在两者之间找到一个合适的焦距使束腰发散角和束腰半径都达到最佳，从而使两者都能够满足相应的条件。为了提高激光的耦合效率我们一般从一下三方面入手：（1）用大功率Nd：YAG激光束进行聚焦。深入研究大功率Nd：YAG激光束的聚焦特点，根据激光的光束特性再根据激光光纤的耦合条件设计出最佳的耦合方案，比如在激光耦合器前增加一个激光扩束准直系统，使之能够更好地满足相应的耦合条件，从而提高耦合器的稳定性。（2）通过改善耦合器的机械够造或者提高透镜的的精度从而保证光纤端面和聚焦光纤能够同轴对准。（3）由于该系统在工作的过程中将会产生大量的热，所以应该在系统中增加一个水冷的装置，从而保证能够及时带走产生的大量热，使原件能够得到很好的保护。

3、加工系统安全可靠的控制

大功率的固体加工系统在系统的安全运行方面应该得到有力的保障，因此我们要对系统有特殊的规定，对构成加工系统的关键部位如激光器的操作模式、水冷系统的检测控制、人机界面的操作控制、与机器手的外接设备连接等。选用可靠性强并且抗干扰能力高的编程控制器来控制系统的主控部件。为了能够使操作者能更灵活的操作，更加了解该系统的运行状态，我们通常采用触屏式人机操作界面保证是操作者看到的信息更加准确便于工作。通过手动操作和自动操作来对激光器的焊接及切割进行有效的控制，进而使激光的加工质量得到有力的保障。再利用激光控制器对该系统的水冷系统、人工操作系统进行有力的控制从而保证各部件系统的有序进行，大大提高该部件的安全性能。

4、国内外大功率固体激光器的发展状况

随着科技的迅速发展，大功率固体激光加工技术已成为工业生产中的一个重要组成部分，激光加工系统已经和一些重要的生产线联系在一起，目前已从中小规模的生产到大规模的投入利用，逐步实现了工业的自动化。我国也开始学习国外的先进技术，采用激光进行工业生产不但成本廉价而且加工速度快易于焊接和生产，大大缩短了生产的周期。国外的新技术柔性制造系统是一项自动化水平极其高的生产系统，它具有较强的对外部环境的适应能力克服了传统的刚性自动生产的局限性。顺应时代的潮流人们更加青睐于产品的多样化，不断追求工业的高效率生产和低成本投入。因为在激光生产中柔性制造生产技术的备用时间短并且可以连续进行无人的操控，因此它必将成为工业领域中焊接、切割领域的核心技术.在一些科技比较先进的国家，计算机的应用在固体激光器的控制领域中起到了举足轻重的作用，利用计算机程序对激光加工进行自动编程，这样解决了人工工作效率低的问题，同时也实现了对复杂的机械构件自动化生产。

5、结语

自从20世纪60年代人们利用激光在钻石上打洞到现在人们将激光用于现代化的工业生产，激光的应用得到了迅速的发展，在机械制造业和电子工业领域中显示出了它的独特地位和优势。大功率固体激光加工系统不但节能而且具有极强的加工能力，在工业的加工制造领域实现了切割与焊接的一体化。要想使激光系统得到更大的应用，激光加工系统必然要与计算机完美的结合，利用机器人操作迅速敏捷、精度高的特性，必然将大功率固体激光加工系统推向一个新的里程碑。

参考文献

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