半導體泵浦YAG激光切割機的研制與應用

袁明飛 劉德嘉

摘要：本文系統闡述了激光切割機的基本原理及主要組成，采用半導體泵浦YAG激光器作為光源研制了激光切割機。此類型的激光切割機在國內還少見報道，與傳統的燈泵浦YAG激光切割機相比，具有更高的切割效率、穩定性和更低的能耗；同時，本文對研制的激光切割機樣機進行了全面的切割測試，并與市場上主流的國內外激光切割機進行了分析對比，認為半導體泵浦YAG激光切割機具有廣闊的市場前景。

關鍵詞：半導體泵浦； YAG激光器； 激光切割； 光纖耦合

中圖分類號：TN245 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

1、引言

激光由粒子受激輻射產生，具有良好的單色性、方向性和極高的亮度。激光加工技術即激光由反射鏡傳遞并通過聚焦鏡聚焦到加工物件上，使加工物件因高溫而迅速融化或汽化，從而配合機床的運行軌跡達到加工的目的。

世界第一臺激光切割機誕生于上世紀七十年代。三十多年來， 隨著激光技術的不斷發展，激光切割技術已逐步發展成為一種先進的加工方法。同時，作為激光切割機核心的激光器亦不斷更新，燈泵YAG激光器、光纖激光器、碟片激光器等正在對傳統的CO2激光器造成前所未有的沖擊，尤其燈泵YAG激光器以其國產化后低廉的價格迅速搶占了薄板切割機市場。

2、總體方案設計

激光切割機主要由激光器、光束傳輸系統、數控機床和數控系統四部分組成。

2.1 激光器

激光器是激光切割機的核心，本文中的激光發生器采用半導體泵浦，使用兩個泵浦模塊，輸出功率500瓦。

2.2 光束傳輸系統

光束傳輸系統包括光纖耦合和整形聚焦兩部分，光纖傳輸的成功實現大大增加了系統的靈活性和可靠性；對光纖輸出后的激光進行優化，實現了激光對板材的高效切割。

2.2.1 光纖耦合

高功率YAG激光器輸出光束質量隨激光功率的增加有所變化，通過理論計算及試驗驗證最終選擇了芯徑365微米的光纖，試驗測得光纖輸出功率508瓦，耦合效率92.7%。

2.2.2 光束整形及聚焦

對板材的切割效率而言，主要有兩個影響因素，即聚焦直徑和焦深。綜合考慮兩者的影響，最終設計了4片鏡片的鏡片組對激光進行了優化，實驗測得切割最小線寬為0.2mm，切割效果良好。

（切割效果：厚度3mm）

同時，切割頭還要具備更豐富的功能，如電容傳感、焦點調節、防碰撞、水冷保護等功能。

2.3 數控機床

數控機床是激光切割的基礎，包括床身、傳動系統、排風系統、電氣系統等。結合使用需求，最終設計加工了數控機床。幅面3000mm×1500mm，重復定位精度0.05mm，最大運行速度25m/min。對厚度0.5mm的不銹鋼進行切割測試，最大切割速度可達15m/min。

2.4 數控系統

數控系統是切割機的大腦，激光器、數控機床、水冷系統、電氣系統等均通過數控系統集成到一起，本文采用PA8000數控系統，成功實現激光切割的相關功能。

3、材料切割試驗

在切割試驗中選取了市場上主流的碳鋼和不銹鋼作為切割材料，測試了本臺半導體泵浦YAG激光切割機的切割能力。

（半導體泵浦YAG激光切割機實驗樣機）

同時我們調研了市場上主流的燈泵浦YAG激光切割機的性能并做了比較，對比如下：

類型 燈泵浦YAG激光切割機 半導體泵浦YAG激光切割機

整機價格 30～35萬 ---

能耗（水冷機功率） 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

（切割性能及能耗對比）

4、結論

本文對激光切割機的基本原理和主要組成進行了系統闡述，成功研制了半導體泵浦YAG激光切割機樣機，同時對該樣機進行了優化設計與實驗研究，成功實現了對5mm以下碳鋼的切割。此外，與市場上主流的燈泵浦YAG激光切割機相比，具有高效率、高穩定性和低能耗等優點。該研究表明本切割機具有高技術含量及良好的推廣應用前景。

參考文獻

[1]孫曉東.激光切割技術國內外研究現狀.熱加工工藝[J]2012，41（9）

[2]薛艷艷等‘高功率固體激光器的光纖耦合研究激光與紅外，2013，10