基于數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的高真空激光加工系統(tǒng)

朱援祥，王偉國，陳 蕓

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

焊接設(shè)備

基于數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的高真空激光加工系統(tǒng)

朱援祥，王偉國，陳 蕓

(武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為了滿足鎳鈦記憶合金焊的要求，研制了高真空激光加工系統(tǒng)。比較固定光路激光和光纖激光的特點(diǎn)，研制了基于三維數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的固定光路真空加工系統(tǒng)。其特點(diǎn)是：可在高真空環(huán)境／保護(hù)氣體下進(jìn)行打孔、焊接等加工方式，操作簡單靈活。進(jìn)行了真空打孔實(shí)驗(yàn)，和在沒有保護(hù)的條件下用光纖傳輸激光器的打孔試樣做了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)表明，本加工系統(tǒng)光斑小，加工精度高，完全滿足生產(chǎn)的要求。經(jīng)過實(shí)際使用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

記憶合金；高真空；固定光路；三維數(shù)控系統(tǒng)

0 前言

鎳鈦合金因擁有形狀記憶效應(yīng)、良好的超彈性、抗疲勞性、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)如齒科、矯形外科、介入手術(shù)等方面逐漸得到了應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鎳鈦記憶合金應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的總質(zhì)量僅占其總體應(yīng)用的30%，但產(chǎn)值卻達(dá)到總產(chǎn)值的70%[1]。近年來，隨著微創(chuàng)介入治療的發(fā)展，鎳鈦合金在制造介入器械上的優(yōu)勢日益明顯，已經(jīng)成為了介入醫(yī)療器械設(shè)計(jì)使用得最普遍、最有潛力的材料。

鎳鈦合金醫(yī)療器械焊接的問題也引起了人們的重視，但由于介入醫(yī)療器械在人體中長期使用，要求其焊接接頭在焊后要保持其形狀記憶效應(yīng)和超彈性，焊接接頭盡量不要有異種雜質(zhì)的介入，焊點(diǎn)質(zhì)量要求穩(wěn)定、耐腐蝕等。而激光焊接由于無需填充材料，純化效應(yīng)高，熱影響區(qū)小，可以實(shí)現(xiàn)微區(qū)加工，且可以通過透明介質(zhì)對(duì)密封容器內(nèi)的工件進(jìn)行非接觸加工等優(yōu)點(diǎn)，成為鎳鈦合金的主要加工手段之一。另外為了保護(hù)鎳鈦合金在焊接的過程中不被空氣中的成分干擾，保證焊接接頭的質(zhì)量，達(dá)到所需要強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，還配備了高真空抽取單元和保護(hù)氣體單元，設(shè)計(jì)了一套高真空激光加工系統(tǒng)。

在此設(shè)計(jì)的高真空激光加工系統(tǒng)主要包括由真空室、真空獲得單元、保護(hù)氣體單元、激光器、結(jié)合x-y-z三維數(shù)控工作平臺(tái)組成。另外，在設(shè)計(jì)研制的過程中還考慮到了控制系統(tǒng)的安裝、激光傳輸光路的制作、外加循環(huán)水冷部件、CCD觀察顯示器的安裝固定。

1 真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 真空室的設(shè)計(jì)

真空室形狀為圓筒形腔體，腔體材料為不銹鋼，力學(xué)結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度好。由于介入醫(yī)療器械產(chǎn)品應(yīng)用于人體中，體積微小，考慮到被焊工件的尺寸相對(duì)較小，所設(shè)計(jì)的真空室的內(nèi)腔直徑200 mm，高度200 mm，壁厚5 mm。在此真空室內(nèi)，完全可以保證直徑小于200 mm的腔體范圍內(nèi)的每一點(diǎn)均能被激光斑照射到。

真空室上部設(shè)有光學(xué)石英玻璃為激光透射材料，集光學(xué)觀察窗、激光透射窗于一體，石英玻璃直徑250 mm，厚10 mm。石英玻璃和真空室之間采用橡膠圈連接。抽真空前由于石英玻璃本身的重力使密封圈得到足夠的預(yù)壓力，抽氣后用氣壓和玻璃的自身重力壓緊連接，從而實(shí)現(xiàn)真空室的密封。當(dāng)真空室放氣時(shí)，石英玻璃便自動(dòng)松開，這種連接便于放入和取出被焊工件，操作簡便，無損耗。

真空室下部與擴(kuò)散泵直接相連，側(cè)壁設(shè)有保護(hù)氣體針閥接口、機(jī)械泵抽氣接口、真空度測量接口和放氣閥接口。保護(hù)氣體針閥可以控制保護(hù)氣體的流入量；真空測量接口接有熱傳導(dǎo)真空計(jì)，這種真空計(jì)所測讀數(shù)為全壓力，并且沒有明顯的熱放氣和電清除現(xiàn)象；放氣閥用于快速降低真空度或暴露大氣。

1.2 真空獲得單元

設(shè)計(jì)了由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵組成的二級(jí)真空獲得單元，如圖1所示。該組裝的真空系統(tǒng)震動(dòng)小、可以快速達(dá)到較高真空度，符合工作要求。

采用直連式擴(kuò)散泵為真空室抽氣系統(tǒng)的主泵。直連式擴(kuò)散泵直接與真空室相連，抽氣管路短，管道流導(dǎo)大，抽速較高，可以有效縮短獲取高真空的時(shí)間，并達(dá)到很高的極限真空度，較管道連接的真空系統(tǒng)效率有很大的提高。同時(shí)，擴(kuò)散泵的抽速特性對(duì)抽取氣體無選擇性，抽氣能力大，被抽氣體含有少量的灰塵和水蒸氣對(duì)抽氣系統(tǒng)的影響不大，所以在保證系統(tǒng)高效率工作的同時(shí)，使整套真空獲得系統(tǒng)工作潛力增大。

圖1 真空獲得單元

擴(kuò)散泵利用高溫高速噴射的油蒸汽抽氣，啟動(dòng)時(shí)間一般約30 min。在實(shí)際生產(chǎn)的周期性工作時(shí)，為了提高生產(chǎn)效率，主要采用旁路預(yù)抽式，用機(jī)械泵作為抽氣系統(tǒng)的配泵。二級(jí)抽氣系統(tǒng)工作原理是配泵機(jī)械泵和主泵擴(kuò)散泵一直工作，真空系統(tǒng)的周期性工作是通過周期性調(diào)節(jié)真空閥門的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。

真空系統(tǒng)中擴(kuò)散泵設(shè)置了水冷擋扳和液氨冷阱，有效地避免了出現(xiàn)擴(kuò)散泵返油的狀況，在配泵出口處設(shè)有儲(chǔ)氣罐，不但可以起到防震、節(jié)能的作用，還能防止停電、設(shè)備發(fā)生故障等特殊情況下，機(jī)械泵突然停止工作，使擴(kuò)散泵的油氣失去真空保護(hù)，起到了緩沖真空的作用，使真空系統(tǒng)的穩(wěn)定性能大大提高。另外還配置了外加循環(huán)水冷部件，采用水管螺旋式焊在擴(kuò)散泵的外壁上，可以快速的冷卻泵體。冷卻方式采用自來水冷卻，流量15 L／min，水壓0.1 MPa。

開始抽真空時(shí)，首先關(guān)閉高真空蝶閥，三通閥打到機(jī)械泵一端，機(jī)械泵通過旁路對(duì)真空室預(yù)抽，當(dāng)抽至壓強(qiáng)為6.6 sPa時(shí)(由真空測試儀7監(jiān)測)，三通閥打到擴(kuò)散泵一端，開起高真空蝶閥，擴(kuò)散泵對(duì)真空系統(tǒng)抽氣，進(jìn)而得到需要的高真空度，然后開始試驗(yàn)研究。關(guān)閉時(shí)，先關(guān)閉直連式擴(kuò)散泵，約20min后，關(guān)閉三通閥機(jī)械泵的一端。使用電離計(jì)時(shí)，應(yīng)在真空室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到1.33×10-1Pa時(shí)，再使用電離真空計(jì)，防止因真空室內(nèi)壓強(qiáng)高而燒壞規(guī)管。

該高真空系統(tǒng)獲得單元工作真空度為10-3～10-2Pa，極限真空度為10-4Pa。系統(tǒng)操作簡便、工作可靠、震動(dòng)小，可快速達(dá)到較高的真空度。

1.3 保護(hù)氣體氣路

設(shè)計(jì)了保護(hù)氣體的引入單元，可以實(shí)現(xiàn)控制所選用保護(hù)氣體的引入。在不適合真空保護(hù)情況下，可以選擇在保護(hù)氣體下進(jìn)行焊接，從而使系統(tǒng)功能多樣化。該系統(tǒng)通過氣罐上的壓力表實(shí)時(shí)測量氣體壓力數(shù)值，通過調(diào)整針閥來精確控制氣體流入量。選取保護(hù)氣體的類型，主要根據(jù)不同的工作要求選用不同種類的氣體來進(jìn)行試驗(yàn)研究，同時(shí)要考慮到經(jīng)濟(jì)效益和安全性，針對(duì)具體焊件制定不同的最佳工藝參數(shù)。保護(hù)氣體主要為氬氣或氦氣。

2 激光單元

2.1 激光器的選擇

目前，激光焊接常用的激光源是氣體CO2激光器和固體YAG激光器。CO2激光波長為10.6μ m，比YAG激光器波長高一個(gè)數(shù)量級(jí)[2]。由于真空室采用的石英玻璃作為透射窗，對(duì)CO2激光不透明，CO2激光器發(fā)射的激光不能通過石英玻璃，所以使用了固體YAG激光器。另外，由于焊件的微型化、小型化，要求采取脈沖寬度相對(duì)較小，脈沖能量相對(duì)低的激光器，而Nd∶YAG激光器采用摻釹釔鋁石榴石作為工作物質(zhì)，相對(duì)CO2激光器來說，功率較小，并具有較高的熒光量子效率，閾值高，熱導(dǎo)率高，故采用Nd∶YAG激光器。

該激光器功率為300 W，脈沖調(diào)節(jié)寬度為0.1～50 ms，頻率調(diào)節(jié)1～200 Hz。激光器采用長形的YAG棒φ 4.5 mm×100 mm，采用單燈泵浦。泵浦光源使用的是脈沖氙燈，脈沖氙燈的使用壽命可達(dá)107次。采用半導(dǎo)體激光器作為指示源，用作光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)整基準(zhǔn)及工作點(diǎn)的指示定位。另外，為了壓縮脈寬，提高峰值功率，增大激光器的使用范圍，在激光器中使用了鎖模技術(shù)，可以得到超短脈沖，增大其加工范圍。

另外，由于工件的微型化，在激光器光路系統(tǒng)中放置了小孔光闌，可使激光器在相同的能量、脈沖寬度的條件下，獲得理想的小直徑光斑，增大了設(shè)備的加工精度?？梢愿鼡Q不同直徑的小孔光闌，從而調(diào)節(jié)出適宜加工的光斑大小。

內(nèi)循環(huán)冷卻介質(zhì)為去離子水或純凈水，外循環(huán)采用2P制冷機(jī)組冷卻。供水壓力為40 kPa，流量5 m3／h，水溫調(diào)節(jié)范圍15℃～30℃。用CCD顯示器代替人眼進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，實(shí)時(shí)調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)，可減小由于加工夾具、工件尺寸的不一致引起定位偏差的問題，提高成品率，而且避免了人眼直接觀察可能受到的傷害。脈沖激光器電源采用三相AC 380V特殊的相位控制進(jìn)行高精度充電，具有過電流、過電壓、流量保護(hù)裝置，其電流、脈寬、頻率均可調(diào)，脈沖工作電流100～400 A。

2.2 傳輸光路選擇

目前傳輸光路主要有固定光路和光纖傳輸。光纖是柔性傳輸，操作靈活，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸穩(wěn)定，逐漸成為激光傳輸?shù)闹饕绞?。但是在?shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，光纖傳輸激光出現(xiàn)了很多問題，主要有以下幾點(diǎn)：

(1)由于YAG激光是基于光纖的全反射原理進(jìn)行傳輸。激光在內(nèi)部傳輸?shù)倪^程中，會(huì)有散射、吸收等現(xiàn)象，導(dǎo)致激光能量在傳輸?shù)倪^程中有一定的損耗。耦合時(shí)，由于調(diào)節(jié)不準(zhǔn)、光纖端面的反射也會(huì)損耗激光的能量。

(2)由于熱透鏡效應(yīng)、耦合調(diào)節(jié)不準(zhǔn)等問題，經(jīng)常發(fā)生光纖端面被激光燒損的現(xiàn)象。光纖端面的損傷主要表現(xiàn)為坑狀、熔融等形式，對(duì)光線傳輸激光的質(zhì)量影響很大，激光失準(zhǔn)嚴(yán)重，嚴(yán)重縮短了光纖傳輸設(shè)備的使用壽命。

(3)鎳鈦合金特別是鉑金工件表面非常光亮，加工時(shí)從工件表面沿著原光路反射回光纖的反射光的危害不容忽視。反射光的能量可以達(dá)到聚焦能量的4%[3]?？赡軗p壞光纖的涂覆層和護(hù)套，甚至還可能沿著光纖一直返回到Y(jié)AG晶體的表面，造成激光器燒毀。

對(duì)于高頻的Nd∶YAG激光器，脈沖頻率高，工作強(qiáng)度大，光纖維修更換頻繁，維修成本非常高，所以采用固定光路傳輸方式，如圖2所示。這種傳輸方式光路固定，損耗較小，穩(wěn)定性很高。固定光路最大的缺點(diǎn)就是傳輸不靈活，傳輸光路不容易改變，但是配以x-y-z三維數(shù)控工作臺(tái)，可以克服這種缺點(diǎn)，不但保證了光路的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還可以靈活地調(diào)整激光的發(fā)射方向和高度。

3 x-y-z三維數(shù)控運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)了x-y-z三維數(shù)控工作臺(tái)，配合真空室和激光器一起工作。為了保證激光入射方向可以方便的照射到焊件的各個(gè)方位，激光與真空室可進(jìn)行相對(duì)位置變動(dòng)，目前主要有以下兩種運(yùn)動(dòng)方式：(1)激光源和激光傳輸單元固定不動(dòng)，真空室置于工作臺(tái)上，工作臺(tái)帶動(dòng)真空室作x-y方向平面移動(dòng)。(2)將激光源和激光傳輸單元置于工作臺(tái)上，保持真空室中的焊件固定不動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)光學(xué)單元作x-y方向平面移動(dòng)。

圖2 激光器激光光路

由于采用固定光路傳輸系統(tǒng)，為了追求固定光路的穩(wěn)定性，同時(shí)激光器的質(zhì)量相比真空單元較輕，便于移動(dòng)，故將激光器和傳輸單元置于x-y-z工作臺(tái)上。所以在繼承了上述方式(2)的前提下，又做了一些改進(jìn)，具體工作方式：將激光發(fā)射器和傳輸光路置于工作臺(tái)上，保持激光入射位置固定不動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)光學(xué)單元作x-y-z三維方向移動(dòng)。從而保證了光路的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射器各個(gè)方向的焊接。被焊接工件固定不動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)聚焦頭做平面軌跡運(yùn)動(dòng)，可焊接點(diǎn)、直線、圓、方形或由直線圓弧組成的任意平面圖形。結(jié)合聚焦CCD顯示器可以沿z軸調(diào)整工作臺(tái)的高度，可以快速方便的更改聚焦頭的聚焦程度，工作臺(tái)示意如圖3所示。

圖3 x-y-z工作臺(tái)原理

工作臺(tái)在x-y-z方向上的移動(dòng)采用計(jì)算機(jī)控制，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)平移，x-y軸行程200 mm×200 mm，z軸行程100 mm。定位精度為0.05 mm，重復(fù)定位精度±0.02 mm。x-y平面的焊接軌跡輸入可以人工控制，也可采用計(jì)算機(jī)繪圖。

4 打孔試驗(yàn)和結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本加工系統(tǒng)的性能，對(duì)寬1.2 mm，厚0.12 mm的鎳鈦合金帶進(jìn)行打孔實(shí)驗(yàn)，并和在沒有保護(hù)條件下用光纖傳輸?shù)募す獯蚩讟悠愤M(jìn)行了比較，如圖4所示。

圖4 試樣照片(30×)

焊接前用砂紙打磨試件表面，并用酸洗擦洗以除掉油污。然后將工件放入真空室內(nèi)，抽取真空，利用工作臺(tái)調(diào)節(jié)激光器入射位置，然后進(jìn)行激光加工。激光器加工參數(shù)：小孔光闌直徑2 mm，脈沖寬度10 ms，焊接電流160 A，真空度低于7×10-3Pa。打孔結(jié)果如圖4a所示。

圖4b是在沒有保護(hù)條件下用光纖傳輸?shù)拇蚩渍掌?，兩張圖片均放大30倍，通過兩張圖的對(duì)比可以明顯的看到，小孔孔徑都約為0.1 mm。圖4a的孔洞成形圓滑，并有非常明顯的金屬光澤，周圍沒有明顯的熱影響區(qū)。主要因?yàn)楣潭ü饴穫鬏敼饴贩€(wěn)定，損失相對(duì)較少，且采用了小孔光闌，激光發(fā)散角較小，激光能量集中。

圖4b與圖4a相比，孔周圍有個(gè)明顯的暈圈，說明了光斑能量分布不均勻，光斑很大。采用光纖傳輸，激光光斑的能量呈高斯型分布，中心能量最大，周圍的能量較弱，達(dá)不到打孔程度的激光能量就在孔周圍形成了熱影響區(qū)，鎳鈦合金受熱和空氣中的氧氣等發(fā)生反應(yīng)，最終產(chǎn)生了暈圈。經(jīng)過力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在沒有保護(hù)條件下用光纖傳輸激光器的打孔試樣非常脆，鎳鈦合金帶極容易斷裂，不符合產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。

對(duì)比可知，該加工系統(tǒng)光斑小，加工精度高，完全滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

(1)研制了真空／保護(hù)氣氛單元與激光焊接單元相結(jié)合的真空激光焊接系統(tǒng)。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件進(jìn)行保護(hù)的基礎(chǔ)上發(fā)揮了激光焊接的優(yōu)勢。

(2)采用固定光路傳輸，激光器和傳輸單元置于x-y-z工作臺(tái)上，從而保證了光路的穩(wěn)定性和激光發(fā)射器發(fā)射方向的靈活性。

(3)打孔對(duì)比實(shí)驗(yàn)說明了該設(shè)備光斑很小，能量集中，加工精度很高，同時(shí)保護(hù)工件不受空氣成分的影響，加工效果好，符合加工試驗(yàn)要求。

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Design of high-vacuum laser processing system based on CNC motion system

ZHU Yuan-xiang，WANG Wei-guo，CHEN Yun
(School of Power and Mechanical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China)

To meet welding requirements of memory alloy，this paper designed a high vacuum laser welding system，compared a fixed optical transmission with fiber transmission，we designed a vacuum processing system with CNC three-dimensional motion workbench and a fixed optical transmission.It can carry out drilling，welding and other processing methods in high vacuum or shielding gas environment.the operation is simple and flexible.We conducted a drilling experiment，compared with the laser drilling hole in the conditions of using optical fiber transmission in the absence of protection，it turn out that a small spot of the processing system with high precision,fully meet the requirements of the production.After a year of use,the system is reliable.

shape memory alloy；high vacuum；fixed optical transmission；three-dimensional numerical control system

TG409

A

1001-2303(2011)09-0056-05

2010-07-15；

2011-06-11

朱援祥(1963—)，男，湖北武漢人，副教授，博士，主要從事鎳鈦合金焊接和無損檢測設(shè)備的研究工作。