分立供气轴快流CO2激光器占空比配气技术研究*

司立众

（江苏省南京工程高等职业学校电子工程系，江苏南京 211135）

SM系列轴快流CO2激光器是南京东方激光有限公司于2004年从德国ROFIN公司引进的先进激光制造技术，目前该公司已累计销售这一系列激光器近400台。然而这一系列激光器在工业应用中一个较长见的问题是气体配比波动较大，这也是该类激光器工作不稳的主要原因之一。如常州市力凯模具有限公司购买的SM激光器就存在类似问题，且经过多次维修仍不能根除。目前有关轴快流CO2激光器连续工作稳定性研究相对较少［1－2］，也未见涉及气体单元设计与激光器工作稳定性关系的研究［3－4］。为解决这一问题，仔细分析了这一系列激光器的气体单元的结构，认为控制He、N2、CO2三种气体流量的节流阀，在工作过程中其流量会随环境温度和工作时间长短而变化的。特别是通径最小的控制CO2的节流阀，在工作一段时间之后有时还会发生堵塞现象，其主要的外观特征是:激光器放电正常，但功率逐渐下降直至没有功率。为什么会出现这一情况呢?本文将以SM2000轴快流CO2激光器气体单元为例，来具体研究一下气体配比的变化。

1 气体单元

1.1 概述

如图1所示为SM2000轴快流CO2激光器气体单元基本结构图，图中N2、CO2、He分别通过手动可调节流阀1～3按调节好的比例通过电磁阀1向混气储罐充气。当混气储罐内压力低于0.12 MPa时压力开关1动作，电磁阀1开启，向混气储罐内充气;当混气储罐内压力高于0.15 MPa时压力开关2动作，电磁阀1关闭，停止向混气储罐内充气;电磁阀2的开启和关闭由检测谐振腔的压力开关控制。

1.2 可调节流阀结构

在气体单元中，为了保证恰当的气体配比，可调节流阀1～3选择了通径不同的针形节流阀，其中可调节流阀3通径最大，可调节流阀2通径最小。如图2所示，是这些针形节流阀结构示意图，阀芯3为圆锥形，调节调节螺母1可以改变阀芯与阀座之间的间隙，从而改变阀门导通面积，达到调节流量的目的。

1.3 可调节流阀缺陷

对于可调节流阀，在一般的应用场合并不存在问题，但在SM2000轴快流CO2激光器气体单元中并不是这样。图3为图2中沿A－A剖切的阀芯、阀座剖面结构示意图，图中阀芯、阀座间的白色圆环为节流阀导通面积。对于使用一般常用材料铸造加工的阀座、阀芯，当温度升高时，阀芯会因热胀而直径变大，同时阀座也会因热胀而使阀孔变小，这一双重作用的效果就是导致可调节流阀导通横截面的面积减小。由于3个调节阀的导通横截面的面积不一样，它们在热膨胀时导通横截面的面积变化比例也不一样，这样，在温度变化时，原来调节好的气体配比就会发生变化，进而也会影响激光器工作的稳定。特别是由于CO2的需求比例最小，所选用的控制CO2流量的可调节流阀2的通径也最小，即其开度（图3中的白色圆环）也最小，这样，在温度升高时，因热膨胀而造成的可调节流阀2导通面积的减小比例最大，甚至会造成气堵。

2 解决方案

2.1 方案结构设计

为克服上述缺陷，在此提出一种解决方案，即选用同一种通径的可调节流阀，并开启到最大导通截面，这样在温度变化的时候，因热胀冷缩而引起的各个节流阀导通面积的变化比例也一样，这样就能保证气体配比的稳定性。图4就是按这一思想设计的新的气体单元装置示意图，图中N2、CO2、He三种气体分别通过电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3进入混气储罐，3个电磁阀选用型号一样的电磁阀（可统一选用某一型号的小流量电磁阀），且阀芯开启度也完全一样，这样打开时3个阀的流量也一样大。显然，由上述分析可知，这几个电磁阀的导通面积随温度变化应一致，这样就不会因为温度的变化而引起气体混和比例的变化，进而实现稳定混合气体配比的目的。

2.2 方案工作方式设计

在上述的工作方案结构设计中，3个电磁阀是选用同一型号、同一通径阀芯、开启度也完全一样的电磁阀，那如何能够实现不同气体在混和气体中占有不同的比例呢?比较图4与图1，在图4中笔者用电磁阀代替了图1中的可调节流阀。相对于可调节流阀来说，电磁阀开启度虽然不可控，但它的开启时间是可控的，这样就可以通过控制不同电磁阀开启时间的长短来控制不同气体注入混气储罐的量，从而实现想要的气体混和比例。

2.3 方案具体实施方法

假设N2、CO2、He三种气体需要的混和比例为35∶5∶60（体积比），那么3个电磁阀的通电周期可以统一设为7 s（也可以设为8 s、9 s、10 s等，此处仅以7 s为例加以说明），则在每一个通电周期里，电磁阀1、电磁阀2、电磁阀3的通电时间可以分别设定为3.5 s、0.5 s、6 s，不通电时间分别设定为:3.5 s、6.5 s、1 s。这样，就能获得N2、CO2、He三种气体按混和比例35∶5∶60配比的混和气体。在实际应用中，电磁阀的开启和关断并不是一个时间为零的过程，即电磁阀从无流量到最大流量是需要一定时间的，所以，不同电磁阀在同一周期内的开启时间还需要进一步微调。另外，为提高气体混和的均匀性或减小气体混和的周期性不均匀变化的范围，可适当增大混气储罐的体积和缩短电磁阀的通电周期。

3 结语

本文提出的采用电磁阀代替可调节流阀的气体混和比例调节方案不仅能够应用于SM轴快流CO2激光器，也能够应用于其他流体混和的场合［5－8］;尤其是对于微小流量且设备工作环境温度变化显著的应用场合，其工作稳定性优于采用可调节流阀的设计方案。

南京东方激光有限公司目前是全球唯一一家由德国Rofin－Sinar laser公司授权的以其SM技术制造高功率轴快流CO2激光器的生产厂家。其SM轴快流CO2激光器制造技术居国内领先地位，但该类设备的气体单元部分故障率相对较高，其最主要的故障原因就是气体混和比例的失调。本文提出的设计方案能够有效地解决这一问题。这一问题的有效解决不仅能够提高SM轴快流CO2激光器的工作稳定性，也能在一定程度上提升国产轴快流CO2激光器的制造水平。

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