船用钢板的高功率CO_2激光焊接

激光作为高能束和洁净热源在焊接中得到了越来越广泛的应用。船舶制造中的激光焊接技术也正得到广泛的研究并开始应用。利用15kW级CO2激光对国产船用板CCS-B、SUS304、A36以及CCS-A进行了对接接头和T形接头的激光焊接研究。在多种板厚条件下获得了良好的激光填丝和激光电弧复合焊接接头。通过宏观和显微金相分析比较CCS-B激光填丝焊和激光电弧复合焊接头焊缝截面形状和组织。通过成分分析,观察了在三种不同高功率激光焊方法(纯激光、激光填丝和激光复合)下焊缝中主要化学成分的含量变化。通过硬度测量、拉伸和弯曲试验测试分析了接头力学性能。

大功率TEA CO_2激光器的电磁辐射测试及屏蔽方舱设计

为了抑制大功率TEA CO2激光器对其他电子设备的电磁干扰,在测量并分析激光器的近场电磁辐射特性的基础上,设计了电磁屏蔽方舱并进行了实验验证。根据大功率TEA CO2激光器的工作原理,分析了激光器工作过程中的主要电磁辐射源;结合电磁辐射理论与激光器的实际结构,确定了电磁辐射测试的主要部位为火花开关、主回路、激光器出光口处。分析测试结果,得到了激光器近场不同方位的主要辐射频率及辐射场特性,据此设计了屏蔽方舱,并在屏蔽方舱门处进行了屏蔽效能验证。结果表明,大功率TEA CO2激光器在近场区的电磁辐射源为磁场源,据此设计的屏蔽方舱其屏蔽效能整体达到40dB以上,部分频率的屏蔽效能达到60dB以上。

高功率TEA CO_2激光器的双波长免调切换结构

为在一台激光器上切换输出10.6/9.3μm两种波长高能激光,采用输出镜镀膜选支方法获得了9.3μm单谱线输出,其脉冲能量与原10.6μm波长基本相当。设计出双波长密闭免调切换输出结构,利用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran对该结构的切换移动平台组件进行了静力学、热应力及热力耦合分析,并基于Matlab软件,运用最小二乘法对分析得到的位移变形量拟合出输出镜镜面绕坐标轴的偏转角度。分析计算得到结构的最大应力为101 MPa,镜面的最大变形量为6.95μm,镜面绕3个坐标轴的倾斜角度分别为0.07″,2.92″,0.009″。对研制出的实物装置进行发射试验,检测到两波长切换发射的指向性相对误差为8.7″。结果表明,该结构能够满足免调切换输出两种波长激光的性能参数要求。

大功率TEA CO_2激光远场发散角评估方法

在大功率激光远距离定向传输中,远场发散角是衡量其性能的一个重要参量。大功率TEA CO2激光具有功率高、光束直径大等特点,常规手段无法准确测量其远场发散角。为解决该难题,提出了一种利用激光光斑尺寸拟合分析法来评估大功率TEA CO2激光的远场发散角。首先,从理论上推导大Fresnel数多模高斯激光束远场发散角,分析了影响激光束发散角的主要因素;然后,采用光斑烧蚀法试验测量近场(≤20 m)光斑数据,基于光束质量(M2)因子理论拟合得出了激光光束质量和束腰大小,从而推导出激光束远场发散角;最后,对比分析了以上两种方法的计算结果,讨论了结果存在偏差的原因。结果表明,近场光斑数据拟合法可准确、便捷地测量大功率TEA CO2激光束远场发散角。

基于DSP的高功率TEACO_2激光器控制系统的高精度数据采集

针对基于DSP的高功率TEA CO2激光器控制系统直接利用DSP F2812内置A/D转换器(ADC)进行模拟量采样时存在转换误差较大,且模拟量易受电磁干扰等问题,从硬件和软件两个角度提出了校正DSP2812内置ADC的方法。硬件上采用硬件模拟滤波和隔离等手段对输入的模拟量进行处理;软件校正则通过将两路给定的参考电压值送入DSPF2812内置A/D转换器的两个转换通道,计算出ADC的偏置误差和增益误差,以此误差对其它通道A/D转换器进行校正。最后,实验分析了参考电压和A/D采样时钟频率对A/D转换精度的影响。结果表明,提出的方法能有效地提高A/D转换器的精度,A/D转换误差达到±3 LSB,特别是在对腔压值精度要求很高的0～12 000 Pa区段,A/D转换精度达±1 LSB,可以保证TEA CO2激光器的可靠运行。

大功率脉冲TEA CO_2激光器控制系统设计

大功率脉冲TEA CO2激光器不仅设备复杂,而且具有高电压、高激光功率、强电磁干扰的特点。本文采用工控机、可编程控制器和触摸屏,设计并实现了两级分布式大功率脉冲TEACO2激光器控制系统。详细阐述了系统硬件和软件的设计方案及实施过程。实际应用表明,该控制系统工作稳定可靠,具有较好的实际应用价值。

高功率横流CO_2激光器集散控制系统的研究

本文研究了一种用于高功率横流CO2激光器的集散控制系统,该系统兼具监测、控制、报警、保护四大功能。同时该系统在对激光器最重要的参量输出激光功率的检测研究方面,有其重要进展,该系统研制了一种新型的国内尚未解决的尾镜取样功率检测法,该检测方法线性度好,可实现对激光功率的实时检测又不影响激光输出。

轴对称折叠组合腔CO_2激光器的实验研究

对轴对称折叠组合腔CO_2激光器进行了相关的实验研究。主要用线图的方式研究了在两种不同混合气体比例条件下,输出功率与放电电流之间和输出功率与放电气压之间的关系。引入辅助气体Xe后,输出功率有很大的提高,能够达到35%左右。根据模型结构的实际参数,运用数值计算的方法模拟画出其输出光强和光斑分布图。以三维5根、7根和9根放电管同时放电时的输出光斑分布情况为例与实验光斑拍摄图进行对比,对轴对称折叠组合腔CO_2激光器输出进行理论与实验验证,结果表明实验和理论是一致的。通过以上实验研究,可以为CO_2激光器的生产提供参考。

管板式大功率横流CO_2激光横模测量及数值模拟

为了提高激光稳定性和激光加工质量,实验测量了大功率横流CO2激光横模,并理论分析了横模形成机理。针对大功率横流CO2激光器管板式电极结构,由麦克斯韦方程给出电场的横向分布,并通过数值计算得到了激光强度的横向分布。实验结果与数值模拟得到的激光能量分布基本一致。结果表明,在给定放电电压条件下,电极结构和气体流动速率决定了激光横模峰值大小,激光峰值的横向位置取决于气体流动的速率。

激光器方舱穿线孔布设位置的EMC预测

依据激励电路耦合有限元方法,计算了激光器系统的电磁环境,对激光器方舱穿线孔布设位置进行了EMC预测.首先,在分析了大功率TEA CO2激光器的工作原理基础上,提出了激光器方舱穿线孔布设位置的EMC预测问题;其次,建立了激光器的物理模型,采用激励电路耦合有限元方法,计算了激光器近场区的磁场分布;最后,依据有限元计算的结果,结合场线耦合方法,对激光器方舱穿线孔布设位置进行了分析.结果表明:当激光器处于放电工作状态下,激光器方舱底边的中心处磁场辐射最低(0.79A/m),适于布设穿线孔.

36kV/10kW CO_2激光器充电电源的研制

为了改善现有CO2激光器工频LC谐振充电时充电电压随激光器工作频率升高而降低、影响激光输出的稳定性和光束质量,不利于装置的小型化和轻量化的问题。采用全桥逆变结构和串联谐振软开关电路,研究了36k V/10k W高频高压充电电源。该电源系统采用三相380V交流电作为供电系统,大功率智能功率模块作为全桥逆变电路。逆变交流信号经串联谐振电路及高频脉冲变压器得到高压脉冲信号,高压脉冲经整流给负载电容充电,电源应用电压电流双闭环控制系统,输出电压、电流经采样及放大后,反馈到电源控制芯片SG3525,芯片SG3525通过判断反馈信号的大小,控制输出脉冲宽度调制驱动信号的占空比。激光器放电频率为25Hz时,电源输出电压为37k V,峰值输出功率为13.05k W,充电效率为0.826。结果表明,该高频高压充电电源适合用作CO2激光器的高压充电电源。

大功率TEA CO_2激光器的脉冲激励电源

为了提高大功率TEA CO2激光器的工作性能,选用大功率旋转火花开关作为功率开关器件,制作了一种由高压谐振充电电路、高抗干扰的开关触发器、大功率旋转火花开关以及倒空式L-C反转电路等组成的脉冲激励电源。介绍了脉冲激励电源的设计方案,给出了电路工作原理,并对其在大功率TEA CO2激光器的实际工作进行了测试和评估。结果表明,所研制的脉冲激励电源可以满足大功率TEA CO2激光器的特殊工作要求,其重复工作频率可以在100～400Hz任意设定,输出工作电压可达40～50kV,电源平均功率>220kW,电源峰值功率高达1000MW。

7kW轴快流CO_2激光器的热平衡分析及换热器设计

为了解决高功率轴快流CO_2激光器设计中的主要问题——清除激活区热量,采用对流冷却的方法,分析了高功率轴快流CO_2激光器的内部循环热交换过程,建立了热量的平衡方程;同时针对高功率激光器热负荷量大、总体结构受限、风机特定的工作特点,分析比较各类换热器的换热特性并最终选择结构紧凑、换热系数高、流阻小的矩形翅片圆管束换热器作为激光器的散热部件,最后针对研制中的7kW轴快流CO_2激光器进行了换热器的设计和换热计算,得到可以实现37.4kW的换热量的结果。结果表明,选用的换热器能满足所设计的轴快流CO_2激光器的换热要求。

平均功率3.3kW高重复频率TEA CO_2激光器

研制了一台平均功率3.3 kW横向激励大气压(TEA)CO2激光器。激光器采用单节放电体积为5 cm×4 cm×90 cm的两节腔体串连的形式,印刷板电路预电离结构和闸流管开关放电电路,实现了激光器单脉冲能量输出,高重复频率工作。在重复频率150 Hz条件下,获得了3.3 kW平均输出功率。获得32.8 J单脉冲输出能量,电光转换效率达到15.4%。

高功率CO_2激光焊中He-Ar侧吹气体组分研究

在高功率CO2激光深熔焊中,光致等离子体的抑制是保证熔深、稳定焊接过程的关键技术之一。常用的抑制方法是侧吹氦气,而采用氦氩混合气体可降低生产成本,特别是当氦气含量高于50%时。本文采用氦氩比为4∶6的混合气体,对12mm厚船用E级钢板进行高功率CO2激光焊接,通过工艺参数优化实现了稳定的焊接过程,全熔透焊缝的质量达到船级社标准。采用流体力学方法建立了高功率CO2激光焊光致等离子体的物理数学模型,分析了氦氩混合气体侧吹时的等离子体特性及对激光能量的影响。

高功率TEA CO_2激光器脉冲激励电源的研制

基于脉冲激励电源技术水平是高功率TEA CO2激光器研制中的关键环节,提出了氢闸流管作为电源开关元件的、选用非稳激光腔结构的设计思路。详细阐述了高压充电部分、高压稳压部分、脉冲放电部分三个方面的电路设计方案。

轴快流CO_2激光毛化在冷轧生产中的应用

本文对轴快流CO_2激光毛化技术的基本原理及主要设备组成进行了介绍,分析了轴快流CO_2激光毛化技术在冷轧生产应用过程中存在的优点和不足。

高功率横流CO2激光横模随时间变化的测量

用激光光束分析仪实时在线测量了一台连续运转的高功率横流CO2激光器的激光横模,获得了较为完整的激光横模随时间的变化关系.测量结果表明,激光输出由两个分离的、非对称的高阶横模叠加组成("双模"),两横模中心相距约8 mm.形成"双模"的原因是串接式谐振腔的前腔和后腔两者的中心轴线不重合以及阴极铜管形变.横模随激光器运行时间的延长而逐步蜕化,呈更高阶和复杂化趋向.初步分析表明,横模的时间变化主要与激光器连续运转过程中腔内气体组分发生的变化有关.

高功率CO_2激光钎焊金刚石颗粒

采用高功率横流CO2激光扫描钎料合金与金刚石颗粒。研究了激光工艺参数对钎焊层结合性能及金刚石热损伤的影响,分析了钎焊层与金刚石结合机制及金刚石颗粒在激光作用下的热损伤机制。研究结果表明,激光功率和扫描速度是影响金刚石热损伤及表面浸润的主要因素。在氩气保护下,粉末厚度为0.5 mm,激光光斑直径3 mm,功率为800 W,扫描速度为8.39 mm/s时,可获得金刚石颗粒、钎料合金、金属基体三者具有最佳结合性能的钎焊层。合金粉末对金刚石颗粒浸润良好,并发生冶金化学反应,生成TiC和SiC。当激光输入能量太高时,金刚石颗粒开始与外界的氧发生氧化反应,在自由能方程中的气体分压下,金刚石一直氧化,直到与氧化物处于平衡状态。这一过程表现为金刚石颗粒石墨化,逐步氧化烧损变成气体。

延迟位相在大功率CO_2多模激光束传输与聚焦中的重要性

采用激光光束的延迟位相分析法,研究了大功率CO_2激光束传输与聚焦时光束横截面的大小和光强分布的变换规律。采用大功率激光束光斑质量诊断仪测量了TLP6000型CO_2激光束在不同位置处横截面的大小和光强分布,理论分析与实际测量结果相吻合。根据延迟位相分析法,设计了在焦点附近获得最小的光强起伏变化的光学变换系统。