基于數控運動系統的高真空激光加工系統

朱援祥，王偉國，陳 蕓

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

焊接設備

基于數控運動系統的高真空激光加工系統

朱援祥，王偉國，陳 蕓

(武漢大學 動力與機械學院，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。比較固定光路激光和光纖激光的特點，研制了基于三維數控運動系統的固定光路真空加工系統。其特點是：可在高真空環境／保護氣體下進行打孔、焊接等加工方式，操作簡單靈活。進行了真空打孔實驗，和在沒有保護的條件下用光纖傳輸激光器的打孔試樣做了對比。實驗表明，本加工系統光斑小，加工精度高，完全滿足生產的要求。經過實際使用，系統運行穩定可靠。

記憶合金；高真空；固定光路；三維數控系統

0 前言

鎳鈦合金因擁有形狀記憶效應、良好的超彈性、抗疲勞性、生物相容性等優點，在醫學如齒科、矯形外科、介入手術等方面逐漸得到了應用。據統計，鎳鈦記憶合金應用于醫學領域的總質量僅占其總體應用的30%，但產值卻達到總產值的70%[1]。近年來，隨著微創介入治療的發展，鎳鈦合金在制造介入器械上的優勢日益明顯，已經成為了介入醫療器械設計使用得最普遍、最有潛力的材料。

鎳鈦合金醫療器械焊接的問題也引起了人們的重視，但由于介入醫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和超彈性，焊接接頭盡量不要有異種雜質的介入，焊點質量要求穩定、耐腐蝕等。而激光焊接由于無需填充材料，純化效應高，熱影響區小，可以實現微區加工，且可以通過透明介質對密封容器內的工件進行非接觸加工等優點，成為鎳鈦合金的主要加工手段之一。另外為了保護鎳鈦合金在焊接的過程中不被空氣中的成分干擾，保證焊接接頭的質量，達到所需要強度和穩定性的要求，還配備了高真空抽取單元和保護氣體單元，設計了一套高真空激光加工系統。

在此設計的高真空激光加工系統主要包括由真空室、真空獲得單元、保護氣體單元、激光器、結合x-y-z三維數控工作平臺組成。另外，在設計研制的過程中還考慮到了控制系統的安裝、激光傳輸光路的制作、外加循環水冷部件、CCD觀察顯示器的安裝固定。

1 真空系統的設計

1.1 真空室的設計

真空室形狀為圓筒形腔體，腔體材料為不銹鋼，力學結構簡單、強度好。由于介入醫療器械產品應用于人體中，體積微小，考慮到被焊工件的尺寸相對較小，所設計的真空室的內腔直徑200 mm，高度200 mm，壁厚5 mm。在此真空室內，完全可以保證直徑小于200 mm的腔體范圍內的每一點均能被激光斑照射到。

真空室上部設有光學石英玻璃為激光透射材料，集光學觀察窗、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壓力，抽氣后用氣壓和玻璃的自身重力壓緊連接，從而實現真空室的密封。當真空室放氣時，石英玻璃便自動松開，這種連接便于放入和取出被焊工件，操作簡便，無損耗。

真空室下部與擴散泵直接相連，側壁設有保護氣體針閥接口、機械泵抽氣接口、真空度測量接口和放氣閥接口。保護氣體針閥可以控制保護氣體的流入量；真空測量接口接有熱傳導真空計，這種真空計所測讀數為全壓力，并且沒有明顯的熱放氣和電清除現象；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

設計了由機械泵、擴散泵組成的二級真空獲得單元，如圖1所示。該組裝的真空系統震動小、可以快速達到較高真空度，符合工作要求。

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

圖1 真空獲得單元

擴散泵利用高溫高速噴射的油蒸汽抽氣，啟動時間一般約30 min。在實際生產的周期性工作時，為了提高生產效率，主要采用旁路預抽式，用機械泵作為抽氣系統的配泵。二級抽氣系統工作原理是配泵機械泵和主泵擴散泵一直工作，真空系統的周期性工作是通過周期性調節真空閥門的開關來實現的。

真空系統中擴散泵設置了水冷擋扳和液氨冷阱，有效地避免了出現擴散泵返油的狀況，在配泵出口處設有儲氣罐，不但可以起到防震、節能的作用，還能防止停電、設備發生故障等特殊情況下，機械泵突然停止工作，使擴散泵的油氣失去真空保護，起到了緩沖真空的作用，使真空系統的穩定性能大大提高。另外還配置了外加循環水冷部件，采用水管螺旋式焊在擴散泵的外壁上，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，首先關閉高真空蝶閥，三通閥打到機械泵一端，機械泵通過旁路對真空室預抽，當抽至壓強為6.6 sPa時(由真空測試儀7監測)，三通閥打到擴散泵一端，開起高真空蝶閥，擴散泵對真空系統抽氣，進而得到需要的高真空度，然后開始試驗研究。關閉時，先關閉直連式擴散泵，約20min后，關閉三通閥機械泵的一端。使用電離計時，應在真空室內壓強達到1.33×10-1Pa時，再使用電離真空計，防止因真空室內壓強高而燒壞規管。

該高真空系統獲得單元工作真空度為10-3～10-2Pa，極限真空度為10-4Pa。系統操作簡便、工作可靠、震動小，可快速達到較高的真空度。

1.3 保護氣體氣路

設計了保護氣體的引入單元，可以實現控制所選用保護氣體的引入。在不適合真空保護情況下，可以選擇在保護氣體下進行焊接，從而使系統功能多樣化。該系統通過氣罐上的壓力表實時測量氣體壓力數值，通過調整針閥來精確控制氣體流入量。選取保護氣體的類型，主要根據不同的工作要求選用不同種類的氣體來進行試驗研究，同時要考慮到經濟效益和安全性，針對具體焊件制定不同的最佳工藝參數。保護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激光器波長高一個數量級[2]。由于真空室采用的石英玻璃作為透射窗，對CO2激光不透明，CO2激光器發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較小，脈沖能量相對低的激光器，而Nd∶YAG激光器采用摻釹釔鋁石榴石作為工作物質，相對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，熱導率高，故采用Nd∶YAG激光器。

該激光器功率為300 W，脈沖調節寬度為0.1～50 ms，頻率調節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107次。采用半導體激光器作為指示源，用作光學系統的調整基準及工作點的指示定位。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，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，增大了設備的加工精度。可以更換不同直徑的小孔光闌，從而調節出適宜加工的光斑大小。

內循環冷卻介質為去離子水或純凈水，外循環采用2P制冷機組冷卻。供水壓力為40 kPa，流量5 m3／h，水溫調節范圍15℃～30℃。用CCD顯示器代替人眼進行實時觀察，實時調整設備的工作狀態，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特殊的相位控制進行高精度充電，具有過電流、過電壓、流量保護裝置，其電流、脈寬、頻率均可調，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，可以進行遠距離傳輸，傳輸穩定，逐漸成為激光傳輸的主要方式。但是在實際生產應用中發現，光纖傳輸激光出現了很多問題，主要有以下幾點：

(1)由于YAG激光是基于光纖的全反射原理進行傳輸。激光在內部傳輸的過程中，會有散射、吸收等現象，導致激光能量在傳輸的過程中有一定的損耗。耦合時，由于調節不準、光纖端面的反射也會損耗激光的能量。

(2)由于熱透鏡效應、耦合調節不準等問題，經常發生光纖端面被激光燒損的現象。光纖端面的損傷主要表現為坑狀、熔融等形式，對光線傳輸激光的質量影響很大，激光失準嚴重，嚴重縮短了光纖傳輸設備的使用壽命。

(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到聚焦能量的4%[3]。可能損壞光纖的涂覆層和護套，甚至還可能沿著光纖一直返回到YAG晶體的表面，造成激光器燒毀。

對于高頻的Nd∶YAG激光器，脈沖頻率高，工作強度大，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，穩定性很高。固定光路最大的缺點就是傳輸不靈活，傳輸光路不容易改變，但是配以x-y-z三維數控工作臺，可以克服這種缺點，不但保證了光路的穩定性和經濟性，同時還可以靈活地調整激光的發射方向和高度。

3 x-y-z三維數控運動系統和控制系統

設計了x-y-z三維數控工作臺，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方位，激光與真空室可進行相對位置變動，目前主要有以下兩種運動方式：(1)激光源和激光傳輸單元固定不動，真空室置于工作臺上，工作臺帶動真空室作x-y方向平面移動。(2)將激光源和激光傳輸單元置于工作臺上，保持真空室中的焊件固定不動，工作臺帶動光學單元作x-y方向平面移動。

圖2 激光器激光光路

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

圖3 x-y-z工作臺原理

工作臺在x-y-z方向上的移動采用計算機控制，由步進電動機平移，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，也可采用計算機繪圖。

4 打孔試驗和結果分析

為了驗證本加工系統的性能，對寬1.2 mm，厚0.12 mm的鎳鈦合金帶進行打孔實驗，并和在沒有保護條件下用光纖傳輸的激光打孔樣品進行了比較，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，抽取真空，利用工作臺調節激光器入射位置，然后進行激光加工。激光器加工參數：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。打孔結果如圖4a所示。

圖4b是在沒有保護條件下用光纖傳輸的打孔照片，兩張圖片均放大30倍，通過兩張圖的對比可以明顯的看到，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。主要因為固定光路傳輸光路穩定，損失相對較少，且采用了小孔光闌，激光發散角較小，激光能量集中。

圖4b與圖4a相比，孔周圍有個明顯的暈圈，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，達不到打孔程度的激光能量就在孔周圍形成了熱影響區，鎳鈦合金受熱和空氣中的氧氣等發生反應，最終產生了暈圈。經過力學實驗驗證，在沒有保護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，不符合產品的生產要求。

對比可知，該加工系統光斑小，加工精度高，完全滿足生產要求。

5 結論

(1)研制了真空／保護氣氛單元與激光焊接單元相結合的真空激光焊接系統。系統在實現了對工件進行保護的基礎上發揮了激光焊接的優勢。

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

(3)打孔對比實驗說明了該設備光斑很小，能量集中，加工精度很高，同時保護工件不受空氣成分的影響，加工效果好，符合加工試驗要求。

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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備的研究工作。