大功率CO2激光切割機的維護與保養

遲 海，張鳳姣

（1.中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110044；2.沈陽三洋球罐有限公司，遼寧 沈陽110044）

隨著大功率CO2激光切割機在國內的普及，越來越多的國外激光切割機進入國內。對于此種設備的維修來說，是一種挑戰，因其設備的特殊性，與普通數控設備的維修相比，有很大困難，如其有自己獨立的激光發生系統、激光光路、激光切割系統。單是一個激光發生器，就可以獨立成一門學問。故需要維修人員要有電、氣、光等方面的綜合知識。本文闡述了筆者維修過的激光切割機的一些實例，與同行分享。

1 CO2激光器工作原理

在 CO2激光器的放電管內，充有 CO2、N2、He等混合氣體，其配比和總氣壓可以在一定范圍內變化（一般是CO2:N2:He＝1:0.5:2.5，總氣壓為1066.58 Pa）。任何分子都有3種不同的運動形式：

一是分子里的電子運動，決定著電子能態；

三是分子的轉動，決定著分子的轉動能態。

CO2激光器就是利用CO2分子的振動和轉動能級間的躍遷來產生激光的，激光波長為10.6 μm。利用氣體放電泵浦方法向CO2氣體分子注入能量，使放電管中CO2分子達到反轉分布狀態：將直流電壓的兩輸出端分別接到放電管的兩電極上，當不加電壓或電壓很低時，兩電極間的氣體完全絕緣，內阻為無窮大，沒有電流流過；隨著電壓的升高，氣體中開始有帶電粒子移動，氣體的內阻開始減小，當達到某一電壓值時，內阻急劇減小，電流迅速增加、氣體被擊穿、放電開始，這一電壓值叫做著火電壓；放電管中的氣體被擊穿放電后，電流增長、氣體中載流子增加、激光放電管的內阻下降、又進一步引起電流的增加，這一過程反復進行，放電管呈現負阻效應，為了使放電能夠穩定地工作在放電管電流—電壓特性曲線的某一點上，在放電管的供電電路中采取了限流措施。

放電管放電時，在混合氣體中，N2分子與電子碰撞、獲得的電子能量而被激發，而在N2分子與CO2分子碰撞時，又把它從電子獲得的能量轉移給CO2分子，使CO2分子被激發，有利于激光的產生；管中的He氣有冷卻作用，可以阻止CO2氣體溫度上升，同時還可以使激光下能級減少，提高激光器的效率。

圖1 CO2激光器的工作原理框圖

2 故障實例分析

2.1 光路偏移并且激光頭噴嘴損壞

一臺國外三維激光切割機在激光加工過程中，出現激光光路偏移，并且激光頭噴嘴被激光損壞。這需要調整激光發生器發出的激光光路。激光在從激光器發出到加工工件，分為內光路與外光路，激光在激光器里震蕩產生激光，稱為內光路。在激光器發出后的光路，叫外光路。此激光切割機外光路調整，是在機床背后兩個反射鏡子，分別為X軸橫向調整和Y軸縱向調整。調整完X軸、Y軸后，需要調整Z軸垂直方向。在激光熱敏紙上，激光光斑需要面積一致，方可達到加工要求，調整需完畢還要安裝激光噴嘴，調整透鏡，使激光在切割三維立體工件時不偏移。

2.2 上高壓時無功率輸出且出現變頻器過載故障

一臺國外激光切割機在上高壓時，無功率輸出且出現變頻器過載故障。此890激光機采用CO2激光發生器，其工作原理在本文前面有所介紹。

首先，工作時要抽真空；

第二，當真空度達到 8 Torror后，He、CO2、N2、air混合氣體回填到諧振腔內，并且這時變頻器開始使渦輪機旋轉加速。在氣體填好后，渦輪機完成對氣體加速；

第三，在加速好后的氣體流動到諧振腔內，高壓電源開始工作。使諧振腔內兩端的腔內鏡上面震蕩出激光。在反復震蕩后，激光的級別不斷上升，當達到4級激光后，在輸出窗發出激光。

此機床故障出現在第二個階段，在渦輪機加速氣體階段，即將啟動高壓電源的同時，系統提示inverter fault,機床高壓電源無法開啟。檢查變頻器參數，無問題。由于系統提示變頻器出錯，繼續查找變頻器問題，懷疑變頻器功率板損壞。更換后，故障依舊。

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不過在其更換中發現，變頻器的負載電流確實超過了設定值，并且電流不是很穩定。說明渦輪機運行時負載大。其中有兩種可能：

第一種可能就是18000 r的渦輪機陶瓷軸承損壞，使自身負荷加大；

第二種可能是氣體混合不純，在加速過程中使渦輪機負載變大。

考慮第一種可能時，在機床變頻器啟動階段渦輪機的轉速逐漸上升，旋轉產生的聲音不是特別刺耳，說明里面旋轉得均勻。此種可能排除。

考慮第二種可能，查找諧振腔是否漏氣，其結果不是很明顯，不過在更換一瓶N2氣后，變頻器沒有報警，說明氣體混合不純，造成渦輪機負載過大，最終導致變頻器過流故障。

2.3 功率不穩定且重啟后無功率輸出

一臺國外二維激光切割機出現功率不穩定，且重啟后，無功率輸出。激光發生器是國外公司CO2激光器，功率在3 kW。機床本身無任何報警。將激光發生器擋板拆下，觀察激光升高壓情況，在升高壓的同時，諧振腔內有紫色的光，隨紫光的增強，電流和激光功率的也在升高。

檢查發現實際機床升高壓時，諧振腔內僅有微弱的紫光，且電流和激光功率均無，激光在諧振腔內沒有建立起來。在檢查后，發現機床在抽真空階段效率很低，于是按下F3功能鍵激光器檢測真空漏率，一般的標準在0.01以下，檢測結果為4095，這說明真空腔內漏率很大。需要查找諧振腔、渦輪機、冷卻器等相關真空腔內的泄漏點。

不過從現象上分析，即使泄漏激光也應有些功率，所以重點檢查諧振腔里，當檢查靠近反饋盒的一個反射鏡時，發現反射鏡已經嚴重損壞，檢查其他部位均無問題。這說明損壞的反射鏡，導致真空腔內泄露。更換后，激光機正常。

3 結束語

上述故障說明激光切割機并非通用數控加工設備，其有自己的特殊性，激光光路的調整（特別是三維激光機）決定機床加工工件的精度。其調整須懂得光學知識，還要掌握數控方面的電氣知識，是光電結合的綜合應用，也是考驗維修人員的維修經驗，不但如此，還要熟練掌握激光發生器的工作原理。

出現報警的原因，很明顯是激光發生器內部故障。前面提到激光發生器的結構和功能，變頻器是用來控制渦輪機工作的，它顯示的過流報警，除了自身原因還有是它的負載（所控制的渦輪機）出了問題。渦輪機的工作狀態不正常，還需檢查工作時流進渦輪機的混合氣體配比，需要對激光發生器有一個總體的認識和了解。

影響CO2激光器功率輸出有很多種情況，常見的有：一是氣體不純，導致功率不正確；二是長時間不使用，一旦使用激光器功率不穩定（特別是PRC激光器）需要有足夠的時間來暖機；三是真空泵效率低，導致激光器功率不穩定等等。有些故障原因，必須需要結合實際激光器故障現象加以判斷。

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