半导体泵浦YAG激光切割机的研制与应用

袁明飞 刘德嘉

摘要：本文系统阐述了激光切割机的基本原理及主要组成，采用半导体泵浦YAG激光器作为光源研制了激光切割机。此类型的激光切割机在国内还少见报道，与传统的灯泵浦YAG激光切割机相比，具有更高的切割效率、稳定性和更低的能耗；同时，本文对研制的激光切割机样机进行了全面的切割测试，并与市场上主流的国内外激光切割机进行了分析对比，认为半导体泵浦YAG激光切割机具有广阔的市场前景。

关键词：半导体泵浦； YAG激光器； 激光切割； 光纤耦合

中图分类号：TN245 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

1、引言

激光由粒子受激辐射产生，具有良好的单色性、方向性和极高的亮度。激光加工技术即激光由反射镜传递并通过聚焦镜聚焦到加工物件上，使加工物件因高温而迅速融化或汽化，从而配合机床的运行轨迹达到加工的目的。

世界第一台激光切割机诞生于上世纪七十年代。三十多年来， 随着激光技术的不断发展，激光切割技术已逐步发展成为一种先进的加工方法。同时，作为激光切割机核心的激光器亦不断更新，灯泵YAG激光器、光纤激光器、碟片激光器等正在对传统的CO2激光器造成前所未有的冲击，尤其灯泵YAG激光器以其国产化后低廉的价格迅速抢占了薄板切割机市场。

2、总体方案设计

激光切割机主要由激光器、光束传输系统、数控机床和数控系统四部分组成。

2.1 激光器

激光器是激光切割机的核心，本文中的激光发生器采用半导体泵浦，使用两个泵浦模块，输出功率500瓦。

2.2 光束传输系统

光束传输系统包括光纤耦合和整形聚焦两部分，光纤传输的成功实现大大增加了系统的灵活性和可靠性；对光纤输出后的激光进行优化，实现了激光对板材的高效切割。

2.2.1 光纤耦合

高功率YAG激光器输出光束质量随激光功率的增加有所变化，通过理论计算及试验验证最终选择了芯径365微米的光纤，试验测得光纤输出功率508瓦，耦合效率92.7%。

2.2.2 光束整形及聚焦

对板材的切割效率而言，主要有两个影响因素，即聚焦直径和焦深。综合考虑两者的影响，最终设计了4片镜片的镜片组对激光进行了优化，实验测得切割最小线宽为0.2mm，切割效果良好。

（切割效果：厚度3mm）

同时，切割头还要具备更丰富的功能，如电容传感、焦点调节、防碰撞、水冷保护等功能。

2.3 数控机床

数控机床是激光切割的基础，包括床身、传动系统、排风系统、电气系统等。结合使用需求，最终设计加工了数控机床。幅面3000mm×1500mm，重复定位精度0.05mm，最大运行速度25m/min。对厚度0.5mm的不锈钢进行切割测试，最大切割速度可达15m/min。

2.4 数控系统

数控系统是切割机的大脑，激光器、数控机床、水冷系统、电气系统等均通过数控系统集成到一起，本文采用PA8000数控系统，成功实现激光切割的相关功能。

3、材料切割试验

在切割试验中选取了市场上主流的碳钢和不锈钢作为切割材料，测试了本台半导体泵浦YAG激光切割机的切割能力。

（半导体泵浦YAG激光切割机实验样机）

同时我们调研了市场上主流的灯泵浦YAG激光切割机的性能并做了比较，对比如下：

类型 灯泵浦YAG激光切割机 半导体泵浦YAG激光切割机

整机价格 30～35万 ---

能耗（水冷机功率） 18kW 2kW

切割效率（m/min）

1mm 3 6.5

2mm 1.5 3

3mm 0.8 1.8

4mm 0.5 1.2

5mm 0.3 0.9

（切割性能及能耗对比）

4、结论

本文对激光切割机的基本原理和主要组成进行了系统阐述，成功研制了半导体泵浦YAG激光切割机样机，同时对该样机进行了优化设计与实验研究，成功实现了对5mm以下碳钢的切割。此外，与市场上主流的灯泵浦YAG激光切割机相比，具有高效率、高稳定性和低能耗等优点。该研究表明本切割机具有高技术含量及良好的推广应用前景。

参考文献

[1]孙晓东.激光切割技术国内外研究现状.热加工工艺[J]2012，41（9）

[2]薛艳艳等‘高功率固体激光器的光纤耦合研究激光与红外，2013，10