大功率CO2激光切割机的维护与保养

2011-06-23张凤姣

装备制造技术 2011年12期

迟海，张凤姣

（1.中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110044；2.沈阳三洋球罐有限公司，辽宁沈阳110044）

随着大功率CO2激光切割机在国内的普及，越来越多的国外激光切割机进入国内。对于此种设备的维修来说，是一种挑战，因其设备的特殊性，与普通数控设备的维修相比，有很大困难，如其有自己独立的激光发生系统、激光光路、激光切割系统。单是一个激光发生器，就可以独立成一门学问。故需要维修人员要有电、气、光等方面的综合知识。本文阐述了笔者维修过的激光切割机的一些实例，与同行分享。

1 CO2激光器工作原理

在 CO2激光器的放电管内，充有 CO2、N2、He等混合气体，其配比和总气压可以在一定范围内变化（一般是CO2:N2:He＝1:0.5:2.5，总气压为1066.58 Pa）。任何分子都有3种不同的运动形式：

一是分子里的电子运动，决定着电子能态；

三是分子的转动，决定着分子的转动能态。

CO2激光器就是利用CO2分子的振动和转动能级间的跃迁来产生激光的，激光波长为10.6 μm。利用气体放电泵浦方法向CO2气体分子注入能量，使放电管中CO2分子达到反转分布状态：将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极上，当不加电压或电压很低时，两电极间的气体完全绝缘，内阻为无穷大，没有电流流过；随着电压的升高，气体中开始有带电粒子移动，气体的内阻开始减小，当达到某一电压值时，内阻急剧减小，电流迅速增加、气体被击穿、放电开始，这一电压值叫做着火电压；放电管中的气体被击穿放电后，电流增长、气体中载流子增加、激光放电管的内阻下降、又进一步引起电流的增加，这一过程反复进行，放电管呈现负阻效应，为了使放电能够稳定地工作在放电管电流—电压特性曲线的某一点上，在放电管的供电电路中采取了限流措施。

放电管放电时，在混合气体中，N2分子与电子碰撞、获得的电子能量而被激发，而在N2分子与CO2分子碰撞时，又把它从电子获得的能量转移给CO2分子，使CO2分子被激发，有利于激光的产生；管中的He气有冷却作用，可以阻止CO2气体温度上升，同时还可以使激光下能级减少，提高激光器的效率。

图1 CO2激光器的工作原理框图

2 故障实例分析

2.1 光路偏移并且激光头喷嘴损坏

一台国外三维激光切割机在激光加工过程中，出现激光光路偏移，并且激光头喷嘴被激光损坏。这需要调整激光发生器发出的激光光路。激光在从激光器发出到加工工件，分为内光路与外光路，激光在激光器里震荡产生激光，称为内光路。在激光器发出后的光路，叫外光路。此激光切割机外光路调整，是在机床背后两个反射镜子，分别为X轴横向调整和Y轴纵向调整。调整完X轴、Y轴后，需要调整Z轴垂直方向。在激光热敏纸上，激光光斑需要面积一致，方可达到加工要求，调整需完毕还要安装激光喷嘴，调整透镜，使激光在切割三维立体工件时不偏移。

2.2 上高压时无功率输出且出现变频器过载故障

一台国外激光切割机在上高压时，无功率输出且出现变频器过载故障。此890激光机采用CO2激光发生器，其工作原理在本文前面有所介绍。

首先，工作时要抽真空；

第二，当真空度达到 8 Torror后，He、CO2、N2、air混合气体回填到谐振腔内，并且这时变频器开始使涡轮机旋转加速。在气体填好后，涡轮机完成对气体加速；

第三，在加速好后的气体流动到谐振腔内，高压电源开始工作。使谐振腔内两端的腔内镜上面震荡出激光。在反复震荡后，激光的级别不断上升，当达到4级激光后，在输出窗发出激光。

此机床故障出现在第二个阶段，在涡轮机加速气体阶段，即将启动高压电源的同时，系统提示inverter fault,机床高压电源无法开启。检查变频器参数，无问题。由于系统提示变频器出错，继续查找变频器问题，怀疑变频器功率板损坏。更换后，故障依旧。

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不过在其更换中发现，变频器的负载电流确实超过了设定值，并且电流不是很稳定。说明涡轮机运行时负载大。其中有两种可能：

第一种可能就是18000 r的涡轮机陶瓷轴承损坏，使自身负荷加大；

第二种可能是气体混合不纯，在加速过程中使涡轮机负载变大。

考虑第一种可能时，在机床变频器启动阶段涡轮机的转速逐渐上升，旋转产生的声音不是特别刺耳，说明里面旋转得均匀。此种可能排除。

考虑第二种可能，查找谐振腔是否漏气，其结果不是很明显，不过在更换一瓶N2气后，变频器没有报警，说明气体混合不纯，造成涡轮机负载过大，最终导致变频器过流故障。

2.3 功率不稳定且重启后无功率输出

一台国外二维激光切割机出现功率不稳定，且重启后，无功率输出。激光发生器是国外公司CO2激光器，功率在3 kW。机床本身无任何报警。将激光发生器挡板拆下，观察激光升高压情况，在升高压的同时，谐振腔内有紫色的光，随紫光的增强，电流和激光功率的也在升高。

检查发现实际机床升高压时，谐振腔内仅有微弱的紫光，且电流和激光功率均无，激光在谐振腔内没有建立起来。在检查后，发现机床在抽真空阶段效率很低，于是按下F3功能键激光器检测真空漏率，一般的标准在0.01以下，检测结果为4095，这说明真空腔内漏率很大。需要查找谐振腔、涡轮机、冷却器等相关真空腔内的泄漏点。

不过从现象上分析，即使泄漏激光也应有些功率，所以重点检查谐振腔里，当检查靠近反馈盒的一个反射镜时，发现反射镜已经严重损坏，检查其他部位均无问题。这说明损坏的反射镜，导致真空腔内泄露。更换后，激光机正常。