分立供氣軸快流CO2激光器占空比配氣技術(shù)研究*

司立眾

（江蘇省南京工程高等職業(yè)學校電子工程系，江蘇南京 211135）

SM系列軸快流CO2激光器是南京東方激光有限公司于2004年從德國ROFIN公司引進的先進激光制造技術(shù)，目前該公司已累計銷售這一系列激光器近400臺。然而這一系列激光器在工業(yè)應(yīng)用中一個較長見的問題是氣體配比波動較大，這也是該類激光器工作不穩(wěn)的主要原因之一。如常州市力凱模具有限公司購買的SM激光器就存在類似問題，且經(jīng)過多次維修仍不能根除。目前有關(guān)軸快流CO2激光器連續(xù)工作穩(wěn)定性研究相對較少［1－2］，也未見涉及氣體單元設(shè)計與激光器工作穩(wěn)定性關(guān)系的研究［3－4］。為解決這一問題，仔細分析了這一系列激光器的氣體單元的結(jié)構(gòu)，認為控制He、N2、CO2三種氣體流量的節(jié)流閥，在工作過程中其流量會隨環(huán)境溫度和工作時間長短而變化的。特別是通徑最小的控制CO2的節(jié)流閥，在工作一段時間之后有時還會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，其主要的外觀特征是:激光器放電正常，但功率逐漸下降直至沒有功率。為什么會出現(xiàn)這一情況呢?本文將以SM2000軸快流CO2激光器氣體單元為例，來具體研究一下氣體配比的變化。

1 氣體單元

1.1 概述

如圖1所示為SM2000軸快流CO2激光器氣體單元基本結(jié)構(gòu)圖，圖中N2、CO2、He分別通過手動可調(diào)節(jié)流閥1～3按調(diào)節(jié)好的比例通過電磁閥1向混氣儲罐充氣。當混氣儲罐內(nèi)壓力低于0.12 MPa時壓力開關(guān)1動作，電磁閥1開啟，向混氣儲罐內(nèi)充氣;當混氣儲罐內(nèi)壓力高于0.15 MPa時壓力開關(guān)2動作，電磁閥1關(guān)閉，停止向混氣儲罐內(nèi)充氣;電磁閥2的開啟和關(guān)閉由檢測諧振腔的壓力開關(guān)控制。

1.2 可調(diào)節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

在氣體單元中，為了保證恰當?shù)臍怏w配比，可調(diào)節(jié)流閥1～3選擇了通徑不同的針形節(jié)流閥，其中可調(diào)節(jié)流閥3通徑最大，可調(diào)節(jié)流閥2通徑最小。如圖2所示，是這些針形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)示意圖，閥芯3為圓錐形，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺母1可以改變閥芯與閥座之間的間隙，從而改變閥門導通面積，達到調(diào)節(jié)流量的目的。

1.3 可調(diào)節(jié)流閥缺陷

對于可調(diào)節(jié)流閥，在一般的應(yīng)用場合并不存在問題，但在SM2000軸快流CO2激光器氣體單元中并不是這樣。圖3為圖2中沿A－A剖切的閥芯、閥座剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中閥芯、閥座間的白色圓環(huán)為節(jié)流閥導通面積。對于使用一般常用材料鑄造加工的閥座、閥芯，當溫度升高時，閥芯會因熱脹而直徑變大，同時閥座也會因熱脹而使閥孔變小，這一雙重作用的效果就是導致可調(diào)節(jié)流閥導通橫截面的面積減小。由于3個調(diào)節(jié)閥的導通橫截面的面積不一樣，它們在熱膨脹時導通橫截面的面積變化比例也不一樣，這樣，在溫度變化時，原來調(diào)節(jié)好的氣體配比就會發(fā)生變化，進而也會影響激光器工作的穩(wěn)定。特別是由于CO2的需求比例最小，所選用的控制CO2流量的可調(diào)節(jié)流閥2的通徑也最小，即其開度（圖3中的白色圓環(huán)）也最小，這樣，在溫度升高時，因熱膨脹而造成的可調(diào)節(jié)流閥2導通面積的減小比例最大，甚至會造成氣堵。

2 解決方案

2.1 方案結(jié)構(gòu)設(shè)計

為克服上述缺陷，在此提出一種解決方案，即選用同一種通徑的可調(diào)節(jié)流閥，并開啟到最大導通截面，這樣在溫度變化的時候，因熱脹冷縮而引起的各個節(jié)流閥導通面積的變化比例也一樣，這樣就能保證氣體配比的穩(wěn)定性。圖4就是按這一思想設(shè)計的新的氣體單元裝置示意圖，圖中N2、CO2、He三種氣體分別通過電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3進入混氣儲罐，3個電磁閥選用型號一樣的電磁閥（可統(tǒng)一選用某一型號的小流量電磁閥），且閥芯開啟度也完全一樣，這樣打開時3個閥的流量也一樣大。顯然，由上述分析可知，這幾個電磁閥的導通面積隨溫度變化應(yīng)一致，這樣就不會因為溫度的變化而引起氣體混和比例的變化，進而實現(xiàn)穩(wěn)定混合氣體配比的目的。

2.2 方案工作方式設(shè)計

在上述的工作方案結(jié)構(gòu)設(shè)計中，3個電磁閥是選用同一型號、同一通徑閥芯、開啟度也完全一樣的電磁閥，那如何能夠?qū)崿F(xiàn)不同氣體在混和氣體中占有不同的比例呢?比較圖4與圖1，在圖4中筆者用電磁閥代替了圖1中的可調(diào)節(jié)流閥。相對于可調(diào)節(jié)流閥來說，電磁閥開啟度雖然不可控，但它的開啟時間是可控的，這樣就可以通過控制不同電磁閥開啟時間的長短來控制不同氣體注入混氣儲罐的量，從而實現(xiàn)想要的氣體混和比例。

2.3 方案具體實施方法

假設(shè)N2、CO2、He三種氣體需要的混和比例為35∶5∶60（體積比），那么3個電磁閥的通電周期可以統(tǒng)一設(shè)為7 s（也可以設(shè)為8 s、9 s、10 s等，此處僅以7 s為例加以說明），則在每一個通電周期里，電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3的通電時間可以分別設(shè)定為3.5 s、0.5 s、6 s，不通電時間分別設(shè)定為:3.5 s、6.5 s、1 s。這樣，就能獲得N2、CO2、He三種氣體按混和比例35∶5∶60配比的混和氣體。在實際應(yīng)用中，電磁閥的開啟和關(guān)斷并不是一個時間為零的過程，即電磁閥從無流量到最大流量是需要一定時間的，所以，不同電磁閥在同一周期內(nèi)的開啟時間還需要進一步微調(diào)。另外，為提高氣體混和的均勻性或減小氣體混和的周期性不均勻變化的范圍，可適當增大混氣儲罐的體積和縮短電磁閥的通電周期。

3 結(jié)語

本文提出的采用電磁閥代替可調(diào)節(jié)流閥的氣體混和比例調(diào)節(jié)方案不僅能夠應(yīng)用于SM軸快流CO2激光器，也能夠應(yīng)用于其他流體混和的場合［5－8］;尤其是對于微小流量且設(shè)備工作環(huán)境溫度變化顯著的應(yīng)用場合，其工作穩(wěn)定性優(yōu)于采用可調(diào)節(jié)流閥的設(shè)計方案。

南京東方激光有限公司目前是全球唯一一家由德國Rofin－Sinar laser公司授權(quán)的以其SM技術(shù)制造高功率軸快流CO2激光器的生產(chǎn)廠家。其SM軸快流CO2激光器制造技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先地位，但該類設(shè)備的氣體單元部分故障率相對較高，其最主要的故障原因就是氣體混和比例的失調(diào)。本文提出的設(shè)計方案能夠有效地解決這一問題。這一問題的有效解決不僅能夠提高SM軸快流CO2激光器的工作穩(wěn)定性，也能在一定程度上提升國產(chǎn)軸快流CO2激光器的制造水平。

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