直管多層環布式co的製作方法

2023-06-01 07:21:41

專利名稱：直管多層環布式co的製作方法
技術領域：
本發明是一種達6萬瓦級的強功率雷射裝置。
目前，國產高功率橫流式CO2雷射器為5kW，只能切割20mm左右的鋼板；進口的高功率CO2雷射器為9kW左右，可切割30mm左右的鋼板，但連續工作時間都不超過5小時。在國際上，橫流式高能CO2雷射器最大雷射功率為5萬瓦左右。
本發明的目的在於設計一種直管多層環布式高能CO2雷射器，其輸出雷射功率可達6萬瓦級，它有別於橫流式或縱向流動式的大功率CO2雷射器，工作介質是靜態的，工作時無噪聲。
本發明的技術要點為一種由內環、外環、外環雷射器直管，內環雷射器直管、多層環布式反射聚束組光學系統、帶有虛高壓特性的直流高壓電源及聚束控制機構構成的直管多層環布式CO2雷射器。其特徵如下a、直管多層環布式雷射器可以是單環或多環結構。多環結構則有外環及若干個內環，每一環內可以有多根CO2雷射器直管3、4。在圖1中畫出了內環1與外環2上雷射管的分布示意圖。每根直管為4.4m長的CO2雷射器。本裝置的內環與外環各均勻環布120根直管，內環管4與外環管3均勻錯開一個相同的角度，使在反射聚束時，不阻擋外環光路，使240束反射雷射束都位於同一光學錐面，射向中心軸上的反射聚束鏡B上。
在最佳工作狀態下，單管雷射功率為P1=260W，這個功率對雷射管透射鏡是比較安全的，可以長時間安全工作。240束雷射束的總體功率水平為P2=240×260=62400W，即總體雷射功率水平超過6萬瓦。各個單管的放電通道的氣路都是相通的，都處於同一氣壓，各個雷射管的水冷卻系統都並列連通，使各管的物理及電氣特性完全一致。
b、內環1一次反射鏡A1共120片，外環2一次反射鏡A2共120片，在本裝置中軸線Z上裝有馬達M，並跟絲杆D相連，絲槓D的另一端與非球面反射聚束鏡B連接組成直管多層環布式高能CO2雷射器反射聚束組光學系統。每片反射鏡A對應一根雷射管。內環1與外環2在Z軸方向上錯開一個距離，內環1的直管4與外環2的直管3在角度上有一相同的角度錯位，在結構上作到使內環不阻擋外環光路，並使內、外環的反射光路都處於同一錐面上射向中心軸上的B鏡。B鏡為一按數學模型加工而成的非球面反射聚束鏡。當B鏡的位置在中軸線上進行手動或自動微調時，則可改變光束的形態-發散、平行或者是聚焦，以滿足不同的加工要求，如切割、淬火或焊接。C鏡用於加工時改變光路。如果採用4層環布結構，每層120根8米直管，應用脈衝供電工作方式，則這種長直管多層環布式強功率CO2雷射器可輸出1兆瓦的雷射脈衝，則該雷射器可用來作為雷射武器運行。在這種情況下，C鏡可以取消。
為了保證雷射器的連續可靠運行，所有光學鏡片都必須通水冷卻。對於B鏡、外環2及內環3的240束反射雷射束不是落在一點，而是離開中心呈環狀分布，而B鏡是用特殊金屬材料加工而成，其反射損耗僅為1％，能保證B鏡長時間安全工作。
環布式雷射器的輸出功率為6萬瓦級，由於電源的傳輸效率及電-光轉換效率、整個雷射系統設計為600kW的功率輸入。
考慮到元部件的耐壓程度，每根4.4m單管分為兩段分別供電，為此，共需480個相對獨立的非線性直流高壓電源對多層環布式雷射器供電。
c、本裝置的直流高壓電源由三相高壓變壓器6，高壓矽堆組成的三相全波整流橋7，及在整流橋7兩端連有濾波電容C1，虛高壓發生器8，鎮流電阻9組成。三相變壓器6可以是一隻，也可以是很多隻並列運行。有多少個放電通道就需要多少個由隔離矽堆與電容組成的虛高壓發生器8相對應。本發明共有480個虛高壓發生器8和480隻鎮流電阻9。在雷射器放電通道起輝前，在放電通道上產生2倍於濾波電容C1上的瞬時高壓，一旦起輝後，虛高壓自動消失，完成了對雷射器非線性負載的自動跟蹤。對於雷射管放電通道而言，起輝電壓Vh≥28kV，穩定工作電壓V1=15-16kV。這樣，每個放電通道的鎮流電阻值大大減少而成為分流均衡電阻，從而提高了電源傳輸效率，減少了高壓變壓器的容量。
本發明的優點是該直管多層環布式CO2雷射器不但保留了直管CO2雷射器原有的特點，如電-光轉換效率高，工作時無噪聲，不產生有毒氣體，連續工作時間長，可操作性好等優點，還克服了單一雷射透鏡在通過強功率雷射束時產生的自損破壞，提高了雷射器的運行壽命，並能實現雷射功率的分段可調，可以切割50mm左右的任何鋼板及鈦合金板。這在造船工業中具有廣泛的用途。


圖1、為直管雙層環布式CO2雷射器的橫斷面示意圖1、內環2、外環3、外環雷射器直管4、內環雷射器直管圖2、為直管雙層環布式CO2雷射器的結構示意圖3、外環雷射器直管4、內環雷射器直管A1、內環反射鏡組A2、外環反射鏡組B、聚束鏡C、聚焦鏡M、馬達D、絲槓Z、中心軸圖3、為直管多層環布式CO2雷射器直流高壓電源6、三相高壓變壓器7、三相高壓矽堆整流橋8、虛高壓發生器9、鎮流電阻10、雷射管放電通道實施例，如6萬瓦直管雙層環布式CO2雷射器的技術性能指標為1、輸入電壓3相380V，50Hz，總電源功率P=600kW2、雷射器為雙環結構，每環120根單管，共240根單管，單管長度L=4.4米，分兩段放電，起輝電壓Vm≥28kV，工作電壓V0=15-16kV，工作電流I=30-40mA；3、設計功率P=60kW，分2kW、3kW、4kW、6kW、10kW、15kW、20kW、30kW、60kW共9檔，分段可調；4、雷射模式可以是環狀模，也可以調成準基模，聚焦後的最小光斑直徑約為2mm左右；光束的輸出形態也可按需調成發散、平行或聚焦；5、電-光轉換效率=15-20％，電源傳輸效率η≥70％6、工作時無噪聲，不產生有毒物質；7、使用壽命長，連續穩定工作時間可遠遠超過橫流式CO2大功率雷射器；
8、存貯壽命長，CO2氣體消耗少，貯備2kg最佳配比的CO2雷射混合氣體管內氣體更新在5分鐘之內可以方便更換，並維持工作半年以上。
權利要求
1．一種由內環、外環、內環雷射器直管、外環雷射器直管、直流高壓電源、中心軸控制機構成的直管多層環布式CO2雷射器，其特徵在於a、多層環布式CO2雷射器可以為單環或多環結構，多環結構有外環及數個內環，每環可以由多根CO2雷射器直管組成；b、在直管多層環布式CO2雷射器的中心軸上裝有馬達，馬達與絲杆連接，絲杆的另一端裝有聚束鏡，每層環體中都對應有與雷射管根數相同的反射鏡組，反射鏡組的反射光都射向聚束鏡，構成多層環布式反射聚束組光學系統；c、由三相高壓變壓器，高壓矽堆連接構成三相高壓矽堆整流橋，其兩端與濾波電容連接，由一隻隔離高壓矽堆及一隻高壓電容構成虛高壓發生器，每個虛高壓發生器之後連接一隻鎮流電阻，鎮流電阻再分別與雷射管放電通道連接，構成直流高壓電源。
全文摘要
直管多層環布式CO
文檔編號H01S3/00GK1286512SQ9911924
公開日2001年3月7日 申請日期1999年8月27日 優先權日1999年8月27日
發明者史常龍, 戴立盛 申請人:中國科學院自動化研究所, 中國科學院高能物理研究所