大功率CO2激光切割機(jī)的維護(hù)與保養(yǎng)

遲 海，張鳳姣

（1.中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110044；2.沈陽(yáng)三洋球罐有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110044）

隨著大功率CO2激光切割機(jī)在國(guó)內(nèi)的普及，越來(lái)越多的國(guó)外激光切割機(jī)進(jìn)入國(guó)內(nèi)。對(duì)于此種設(shè)備的維修來(lái)說(shuō)，是一種挑戰(zhàn)，因其設(shè)備的特殊性，與普通數(shù)控設(shè)備的維修相比，有很大困難，如其有自己獨(dú)立的激光發(fā)生系統(tǒng)、激光光路、激光切割系統(tǒng)。單是一個(gè)激光發(fā)生器，就可以獨(dú)立成一門(mén)學(xué)問(wèn)。故需要維修人員要有電、氣、光等方面的綜合知識(shí)。本文闡述了筆者維修過(guò)的激光切割機(jī)的一些實(shí)例，與同行分享。

1 CO2激光器工作原理

在 CO2激光器的放電管內(nèi)，充有 CO2、N2、He等混合氣體，其配比和總氣壓可以在一定范圍內(nèi)變化（一般是CO2:N2:He＝1:0.5:2.5，總氣壓為1066.58 Pa）。任何分子都有3種不同的運(yùn)動(dòng)形式：

一是分子里的電子運(yùn)動(dòng)，決定著電子能態(tài)；

三是分子的轉(zhuǎn)動(dòng)，決定著分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能態(tài)。

CO2激光器就是利用CO2分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷來(lái)產(chǎn)生激光的，激光波長(zhǎng)為10.6 μm。利用氣體放電泵浦方法向CO2氣體分子注入能量，使放電管中CO2分子達(dá)到反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)：將直流電壓的兩輸出端分別接到放電管的兩電極上，當(dāng)不加電壓或電壓很低時(shí)，兩電極間的氣體完全絕緣，內(nèi)阻為無(wú)窮大，沒(méi)有電流流過(guò)；隨著電壓的升高，氣體中開(kāi)始有帶電粒子移動(dòng)，氣體的內(nèi)阻開(kāi)始減小，當(dāng)達(dá)到某一電壓值時(shí)，內(nèi)阻急劇減小，電流迅速增加、氣體被擊穿、放電開(kāi)始，這一電壓值叫做著火電壓；放電管中的氣體被擊穿放電后，電流增長(zhǎng)、氣體中載流子增加、激光放電管的內(nèi)阻下降、又進(jìn)一步引起電流的增加，這一過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，放電管呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)，為了使放電能夠穩(wěn)定地工作在放電管電流—電壓特性曲線(xiàn)的某一點(diǎn)上，在放電管的供電電路中采取了限流措施。

放電管放電時(shí)，在混合氣體中，N2分子與電子碰撞、獲得的電子能量而被激發(fā)，而在N2分子與CO2分子碰撞時(shí)，又把它從電子獲得的能量轉(zhuǎn)移給CO2分子，使CO2分子被激發(fā)，有利于激光的產(chǎn)生；管中的He氣有冷卻作用，可以阻止CO2氣體溫度上升，同時(shí)還可以使激光下能級(jí)減少，提高激光器的效率。

圖1 CO2激光器的工作原理框圖

2 故障實(shí)例分析

2.1 光路偏移并且激光頭噴嘴損壞

一臺(tái)國(guó)外三維激光切割機(jī)在激光加工過(guò)程中，出現(xiàn)激光光路偏移，并且激光頭噴嘴被激光損壞。這需要調(diào)整激光發(fā)生器發(fā)出的激光光路。激光在從激光器發(fā)出到加工工件，分為內(nèi)光路與外光路，激光在激光器里震蕩產(chǎn)生激光，稱(chēng)為內(nèi)光路。在激光器發(fā)出后的光路，叫外光路。此激光切割機(jī)外光路調(diào)整，是在機(jī)床背后兩個(gè)反射鏡子，分別為X軸橫向調(diào)整和Y軸縱向調(diào)整。調(diào)整完X軸、Y軸后，需要調(diào)整Z軸垂直方向。在激光熱敏紙上，激光光斑需要面積一致，方可達(dá)到加工要求，調(diào)整需完畢還要安裝激光噴嘴，調(diào)整透鏡，使激光在切割三維立體工件時(shí)不偏移。

2.2 上高壓時(shí)無(wú)功率輸出且出現(xiàn)變頻器過(guò)載故障

一臺(tái)國(guó)外激光切割機(jī)在上高壓時(shí)，無(wú)功率輸出且出現(xiàn)變頻器過(guò)載故障。此890激光機(jī)采用CO2激光發(fā)生器，其工作原理在本文前面有所介紹。

首先，工作時(shí)要抽真空；

第二，當(dāng)真空度達(dá)到 8 Torror后，He、CO2、N2、air混合氣體回填到諧振腔內(nèi)，并且這時(shí)變頻器開(kāi)始使渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)加速。在氣體填好后，渦輪機(jī)完成對(duì)氣體加速；

第三，在加速好后的氣體流動(dòng)到諧振腔內(nèi)，高壓電源開(kāi)始工作。使諧振腔內(nèi)兩端的腔內(nèi)鏡上面震蕩出激光。在反復(fù)震蕩后，激光的級(jí)別不斷上升，當(dāng)達(dá)到4級(jí)激光后，在輸出窗發(fā)出激光。

此機(jī)床故障出現(xiàn)在第二個(gè)階段，在渦輪機(jī)加速氣體階段，即將啟動(dòng)高壓電源的同時(shí)，系統(tǒng)提示inverter fault,機(jī)床高壓電源無(wú)法開(kāi)啟。檢查變頻器參數(shù)，無(wú)問(wèn)題。由于系統(tǒng)提示變頻器出錯(cuò)，繼續(xù)查找變頻器問(wèn)題，懷疑變頻器功率板損壞。更換后，故障依舊。

漢字以其博大精深的內(nèi)涵，記錄下中華民族睿智的觀察，細(xì)膩的體驗(yàn)，卓越的思考，恢弘的想象，精確的表現(xiàn)。在識(shí)字教學(xué)過(guò)程中，我們只有采用形式多樣的識(shí)字方法來(lái)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，才能使學(xué)生掌握多樣的識(shí)字方法，促進(jìn)學(xué)生識(shí)記效果的提高；我們只有因地制宜、靈活多變的選擇恰當(dāng)?shù)淖R(shí)字方法，才能使學(xué)生更加熱愛(ài)語(yǔ)言文字，真正享受到語(yǔ)言文字帶來(lái)的實(shí)實(shí)在在的快樂(lè)。

不過(guò)在其更換中發(fā)現(xiàn)，變頻器的負(fù)載電流確實(shí)超過(guò)了設(shè)定值，并且電流不是很穩(wěn)定。說(shuō)明渦輪機(jī)運(yùn)行時(shí)負(fù)載大。其中有兩種可能：

第一種可能就是18000 r的渦輪機(jī)陶瓷軸承損壞，使自身負(fù)荷加大；

第二種可能是氣體混合不純，在加速過(guò)程中使渦輪機(jī)負(fù)載變大。

考慮第一種可能時(shí)，在機(jī)床變頻器啟動(dòng)階段渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的聲音不是特別刺耳，說(shuō)明里面旋轉(zhuǎn)得均勻。此種可能排除。

考慮第二種可能，查找諧振腔是否漏氣，其結(jié)果不是很明顯，不過(guò)在更換一瓶N2氣后，變頻器沒(méi)有報(bào)警，說(shuō)明氣體混合不純，造成渦輪機(jī)負(fù)載過(guò)大，最終導(dǎo)致變頻器過(guò)流故障。

2.3 功率不穩(wěn)定且重啟后無(wú)功率輸出

一臺(tái)國(guó)外二維激光切割機(jī)出現(xiàn)功率不穩(wěn)定，且重啟后，無(wú)功率輸出。激光發(fā)生器是國(guó)外公司CO2激光器，功率在3 kW。機(jī)床本身無(wú)任何報(bào)警。將激光發(fā)生器擋板拆下，觀察激光升高壓情況，在升高壓的同時(shí)，諧振腔內(nèi)有紫色的光，隨紫光的增強(qiáng)，電流和激光功率的也在升高。

檢查發(fā)現(xiàn)實(shí)際機(jī)床升高壓時(shí)，諧振腔內(nèi)僅有微弱的紫光，且電流和激光功率均無(wú)，激光在諧振腔內(nèi)沒(méi)有建立起來(lái)。在檢查后，發(fā)現(xiàn)機(jī)床在抽真空階段效率很低，于是按下F3功能鍵激光器檢測(cè)真空漏率，一般的標(biāo)準(zhǔn)在0.01以下，檢測(cè)結(jié)果為4095，這說(shuō)明真空腔內(nèi)漏率很大。需要查找諧振腔、渦輪機(jī)、冷卻器等相關(guān)真空腔內(nèi)的泄漏點(diǎn)。

不過(guò)從現(xiàn)象上分析，即使泄漏激光也應(yīng)有些功率，所以重點(diǎn)檢查諧振腔里，當(dāng)檢查靠近反饋盒的一個(gè)反射鏡時(shí)，發(fā)現(xiàn)反射鏡已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p壞，檢查其他部位均無(wú)問(wèn)題。這說(shuō)明損壞的反射鏡，導(dǎo)致真空腔內(nèi)泄露。更換后，激光機(jī)正常。

3 結(jié)束語(yǔ)

上述故障說(shuō)明激光切割機(jī)并非通用數(shù)控加工設(shè)備，其有自己的特殊性，激光光路的調(diào)整（特別是三維激光機(jī)）決定機(jī)床加工工件的精度。其調(diào)整須懂得光學(xué)知識(shí)，還要掌握數(shù)控方面的電氣知識(shí)，是光電結(jié)合的綜合應(yīng)用，也是考驗(yàn)維修人員的維修經(jīng)驗(yàn)，不但如此，還要熟練掌握激光發(fā)生器的工作原理。

出現(xiàn)報(bào)警的原因，很明顯是激光發(fā)生器內(nèi)部故障。前面提到激光發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和功能，變頻器是用來(lái)控制渦輪機(jī)工作的，它顯示的過(guò)流報(bào)警，除了自身原因還有是它的負(fù)載（所控制的渦輪機(jī)）出了問(wèn)題。渦輪機(jī)的工作狀態(tài)不正常，還需檢查工作時(shí)流進(jìn)渦輪機(jī)的混合氣體配比，需要對(duì)激光發(fā)生器有一個(gè)總體的認(rèn)識(shí)和了解。

影響CO2激光器功率輸出有很多種情況，常見(jiàn)的有：一是氣體不純，導(dǎo)致功率不正確；二是長(zhǎng)時(shí)間不使用，一旦使用激光器功率不穩(wěn)定（特別是PRC激光器）需要有足夠的時(shí)間來(lái)暖機(jī)；三是真空泵效率低，導(dǎo)致激光器功率不穩(wěn)定等等。有些故障原因，必須需要結(jié)合實(shí)際激光器故障現(xiàn)象加以判斷。

[1]鄭曉峰.數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]王愛(ài)玲.數(shù)控機(jī)床操作技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]王愛(ài)玲.數(shù)控原理及數(shù)控系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[4]李善術(shù).數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5]王愛(ài)玲.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[6]林卓然.計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教程Windows XP與Office XP[M].北京：人民郵電出版社，2007.