激光加工机主光路调光方法探讨

张忠义

ZHANG Zhong-yi

（西安理工大学 材料学院，西安 710048）

激光加工机主光路调光方法探讨

Main optical path of laser processing machine method of dimming

张忠义

ZHANG Zhong-yi

（西安理工大学 材料学院，西安 710048）

JHM-1XY-500B多功能激光加工机的YAG激光器发出的激光束因光电转换效率只有3%左右，大量的电能都转换成热能。所以，主光路调光尤为重要，激光束与He—Ne管激光指示红光同轴性越好，激光输出功率越大。激光光斑越圆，能量分布越均匀，加工效果越好，能充分发挥激光加工优势。这就对激光器主光路调光方法有严格要求，掌握调光方法是保证激光加工的重要条件。

激光加工机；激光谐振腔；主光路；调光。

0 引言

激光加工技术发展非常迅速，在工业、商业、医疗、军事及研究等方面具有广泛的应用，诸如材料加工、材料表面处理、测量、印刷制版、通信、信息处理、娱乐、治疗、医生诊断、遥感、模拟、武器研制及光谱学等等。激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料（包括金属与非金属）进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一种加工新技术，涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科。在机械制造领域，不仅用于打孔、切割、焊接和热处理等领域，而且用于各种精细加工。现在激光加工技术已从各种特殊用途的加工技术变为通用的、具有多种加工能力的精加工技术。目前，激光应用项目正在不断扩大，激光被誉为“万能加工工具”、“未来制造系统的共同加工手段”。不仅在国防工业，在民用工业也得到广泛应用。先进工业国家的企业由于广泛应用激光加工技术，其生产技术正发生质的变化。目前，我国企业应用激光加工技术的速度正在不断加快，但与发达国家相比还有很大差距。

自从20世纪六十年代美国采用红宝石激光器在钻石上打孔以来，激光加工技术经过几十年的发展，已经成为工业生产中的一项常用技术。在今天，几乎所有的重要工业部门都应用了激光器。在国际范围内比较，激光加工的应用在各个地区的各种行业有所不同：在美国，激光加工主要应用于汽车业和金属加工业；在亚洲，电气工业和半导体工业则是激光器供应商的最大客户；在欧洲，金属加工业和汽车业中的激光加工应用较多，而在半导体工业中的应用相对较少。另外，在欧洲，激光器在其他行业，如塑料工业中也有广泛的应用。

激光是利用辐射激发光放大原理而产生的一种单色（单频率）、方向性好、能量密度高的光束。经透射或反射镜聚焦后获得的直径小于0. 1mm、功率密度高达1013W/m2的能束。当激光束照射到工件表面时，光能被加工表面吸收并转换成热能，在材料表层引起瞬时高温达到溶化、汽化温度，并在冲击波的共同作用下，使材料汽化蒸发或熔融溅出，达到激光加工的目的。激光加工就是利用激光的高功率密度，在极小区域内实现材料的形状、尺寸及表面性质的改变，属于无接触加工。

激光加工技术是近十几年发展起来的一项高新加工技术，激光有四大特性：高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。由于激光具有的宝贵特性，给激光加工带来如下一些其它方法所不具备的可贵特点：

1）无接触加工，加工速度快。激光束的能量及其移动速度均可调，因此可以实现多种加工目的；可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来， 在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。

2）适合加工高熔点、高硬度、特种材料。它可以对多种金属、非金属加工，特别是加工高硬度、高脆性及高熔点的材料；可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。

3）激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件 。

4）热变形及热影响区小。激光加工过程中，激光束能量密度高，加工速度快，并且是局部加工，对非激光照射部位没有或影响极小。因此，其热影响区小，工件热变形小，后续加工量小。

5）它可通过透明介质对密闭容器内的工件进行各种加工。还可在真空中加工。能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。

6）可对复杂形状的零件、微小件进行加工，由于激光束易于导向、聚焦，各方向加工变换容易实现，极易与数控系统配合，对复杂工件进行加工，因此它是一种极为灵活的加工方法。

7）激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。

8）因激光密度高、光斑小，可对零部件进行局部、表面热处理。也可对材料表面进行熔覆及改性

9）激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 加工无噪声，对环境无污染。

10）易于实现自动化，由于加工方法先进，可改变现有产品结构和材料。

11）生产效率高，加工质量稳定可靠，经济效益和社会效益好。

激光加工机的核心部分就是激光发生器（也叫激光谐振腔）部分，如图1、图2所示为固体激光器工作原理图。

激光谐振腔受激产生的激光要经过全反射镜及半反射镜反射、聚焦镜聚焦后才能到达工件表面，形成我们完成加工需要的激光束。电能转换成激光，其光电转换效率只有3%左右，大量的电能都转换成热能。若光路调整不好直接影响激光腔功率输出，使激光加工效率大大降低，只有保证He—Ne管激光指示器红光与激光谐振腔输出激光束同轴才能保证最大激光输出功率。特别是激光切割、打孔等要求精度较高加工中，为了保证加工质量，使辅助气体与激光束同轴从出光口喷出，在激光加工机最终出光口加装小孔喷嘴，若激光束与He—Ne管激光指示器红光（假定He—Ne管激光指示器红光与喷嘴同轴）不同轴，那么，部分激光功率消耗在喷嘴壁上，这样就造成出光口喷嘴出来到达工件表面的激光束功率不能达到百分之百，保证不了加工质量，还造成激光喷嘴烧损。如何保证激光束与He—Ne管激光指示器红光同轴并且顺利到达需要加工的工件表面是本文要解决的问题。

图1 固体激光器工作原理

图2 固体激光器工作原理

以我校现有JHM-1XY-500B型多功能激光加工机为例加以说明，而此调光方法适合所有固体激光器。JHM-1XY-500B型多功能激光加工机是脉冲式YAG激光加工机，激光器光路系统包括主光路系统、聚焦系统、指示器红光系统等部分组成。指示器红光系统由He—Ne电源、He—Ne管和He—Ne管架组成。He—Ne波长为0.632um，用于指示引导加工点位置，同时也作谐振腔及其它光学部件的调整基准。

He—Ne激光指示器红光调整方法：首先以He—Ne红色激光为基准调整激光谐振腔YAG晶体位置，装好激光谐振腔（YAG晶体及脉冲氙灯），目视把激光谐振腔放在调整架上，锁紧。在激光腔后放一上转换片，微调整YAG晶体位置使发光晶体在上转换片的反射光斑呈绿色圆状，He—Ne红色指示激光光斑与YAG晶体反射光斑要求同轴（也就是同心）。若不同轴调整激光谐振腔架（或微调YAG晶体位置），是He—Ne红色指示激光与YAG晶体光斑同轴。再是以激光谐振腔为基准，调整He—Ne红色指示激光。先装好激光谐振腔（YAG晶体及脉冲氙灯），目视把激光谐振腔装在激光架中间，锁紧。调整He—Ne管架前端调整螺丝使指示红光与上转换片上绿色光斑同轴，也可以调整He—Ne管架尾部调整螺丝使He—Ne激光指示红光与上转换片上绿色光斑同轴。若没有上转换片，在激光谐振腔后面放一张白纸，YAG晶体在白纸上的反射光斑呈许多同心圆红光，调整He—Ne激光指示红光与YAG晶体同心圆红光同心，调整方法与上面步骤相似，这里不再叙述。

激光主光路调光方法：以He—Ne红色指示激光器为基准调整激光加工机主光路。装好激光谐振腔后，必须使YAG晶体与He—Ne红色指示激光同轴，才能保证激光能量（功率）的输出。先取下半反膜片座及全反膜片座。将小孔光阑分别套上晶体棒两端，并将He—Ne红色指示激光调到与YAG晶体轴线同轴，即He—Ne红色指示激光同时透过YAG晶体棒两端的小孔光阑，并在白纸上呈现多个同心圆形的红色光斑，将晶体反射到指示光滤光片上的点调至与滤光片上的小孔重合为止。将另一小孔光阑装入450半反镜座小孔上，检查经过晶体的两端小孔光阑的指示光是否穿过反射镜小孔中心，即三个小孔是否成一条直线，若有所偏移，则分别调整450半反镜座或聚光腔，直到三个小孔准直成一条直线。

将半反膜片架装上导轨锁紧，在半反膜片后放一上转换片（无上转换片时放一张白纸），看指示光反射点与YAG晶体棒套一端的小孔光阑是否重合，若不重合，调整半反膜片架上右端调节螺丝，逆时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光上移（激光光斑下移），顺时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光下移（激光光斑上移）；调整半反膜片架下左端调节螺丝，逆时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光左移（激光光斑右移），顺时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光右移（激光光斑左移）；直到将He—Ne激光指示红光反射点调入YAG晶体棒套一端的小孔光阑内为止。将全反膜片架装上导轨锁紧，在半反膜片后放一上转换片（无上转换片时放一张白纸），看He—Ne激光指示器红光反射点与YAG晶体棒套一端的小孔光阑是否重合，若不重合，调整全反膜片架上右端调节螺丝，逆时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光下移（激光光斑上移），顺时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光上移（激光光斑下移）；调整半反膜片架下左端调节螺丝，逆时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光右移（激光光斑左移），顺时针方向旋转He—Ne激光反射指示红光左移（激光光斑右移）；直到将指示红光反射点调入晶体棒套一端的小孔光阑内为止。至此主光路粗调方可结束。

取下三个小孔光阑。打开主电源，将调光上转换片放在半反膜片后，因上转换片表面镀膜，激光在上转换片上反射光斑呈绿色光斑。激光输出能量调至较低值，一般为电流100A、脉宽0.3ms、频率30Hz为宜。若参数调整过大，就可能把上转换片上镀膜烧掉。若用曝光相纸观察，根据出光情况，若开始不出光，可适当加大激光输出能量，直到有激光输出为止，一般电流为200A、脉宽1.0ms、频率0.5-1.0Hz。若激光在曝光相纸上出现光斑时，则可降低激光参数，一般为100A、脉宽为1.0ms、频率为0.5-1.0Hz。若激光光斑上、下存在缺斑现象，微调全反及半反膜片架上端调整螺丝，利用上转换片和曝光相纸进行观察，使激光光斑成规则的圆形。若光斑左右存在缺陷，则微调整全反及半反膜片架下端调整螺钉；若光斑上下存在缺陷，则微调整全反及半反膜片架的上端调整螺钉，直到光斑较园，且激光能量分布均匀，激光束与He—Ne指示激光红光同轴。此时，激光输出效果最好。

以上是我们在使用激光加工机过程中，经过反复调整、验证、探讨出的简单而实用的固体激光器主光路调光方法。希望能对你有所帮助。

注意：1）调整膜片架时一次调整幅度不宜过大。

2）应在工作电压较低时进行调整。调整激光输出时，切勿将手碰着氙灯两端的电极，以免发生伤害。

3）发光晶体在上转换片上反射光斑呈绿色圆形光斑，白纸上反射光斑为红色同心圆环。

[1] 张永康.激光加工技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2] 陈彦宾.现代激光焊接技术[M].北京:科学出版社,2006.

[3] 王家金.激光加工技术[M].北京:中国计量出版社,1992.

[4] JHM-1XY-500B多功能激光加工机使用说明书.武汉:楚天工业激光设备有限公司,2006.

TG485

B

1009-0134(2010)11(上)-0052-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.11(上).17

2010-04-17

张忠义（1957 -），工程师，研究方向为材料成型（焊接）教学及工艺、设备研究。