浅谈激光焊接机的原理与维修

浅谈激光焊接机的工作原理

【摘要】文章以深圳大族激光科技股份有限公司生产的W150A型激光焊接机为例介绍了激光焊接机的工作原理及内部电路的工作流程

1 前言

激光焊接主要应用在要求焊接精度比较高的场合，如钟表游丝、显像管电子枪的组装、锂电、集成电路引线等。激光焊接的主要优点是焊接速度快、深度大、变形小，能在室温和特殊条件下进行焊接。焊接过程为热传导型，可以通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和频率等参数使工件熔化，形成特定熔池，达到想要的焊接效果。激光焊接因其独特的焊接方式决定了其独特的工作原理。目前国内主要生产商有深圳大族激光、武汉楚天激光、武汉高能激光等厂家，其生产的激光焊接机在工作原理上都大同小异，但在控制系统上都有许多差别。下面以深圳大族激光生产的W150A型激光焊接机为例来说明一下其工作原理。

2 整机原理

2.1 氙灯

氙灯是一种内部充满氙气的柱状玻璃灯管,其阳极、阴极直接接触气体，分布在灯管外部两端的电极和内部电极直接相连。氙灯工作时分为预燃状态和放电状态两种状态，首先通过在外部电极施加一高电压脉冲来将灯管内惰性气体离子化使其进入预燃状态并且得以维持，

然后再通入大的电流使其过渡为高电流密度的弧光放电，产生极强的闪光。氙灯发光强，亮度很高，功率大，发出的强光在这里用来激发激光物质产生出激光，所以也称泵浦光源或光泵。

2.2 激光的产生Nd：YAG激光器）

在现实中要想产生激光，就必须满足两个条件：首先能够找到实现粒子数反转的工作物质，即激光介质；第二要建立一个谐振腔，使某一频率的能量源在腔内谐振，在激光介质中多次往返时有足够的机会去激励处于粒子数反转状态的激光介质。只有这样才能产生激光。这些受激发射的光子又去激发其它原子，一个变两个，两个变四个……，产生连锁反应，光被雪崩似地放大，产生出强烈的激光。Nd:YAG激光器是固态晶体激光器的一种，它采用Nd：YAG晶体棒做激光介质。Nd：YAG晶体是将激光介质钕(Nd)原子掺在晶体钇铝石榴石（YAG）中，被制做成棒状，具有良好的光学性能、机械性能和热力学性能。采用氙灯作为激励用的泵浦源，因为它能发出0.73um和0.8um的光，用这波长的光来激励Nd原子是最有效的。把Nd:YAG激光棒和氙灯并排放在具有镀金聚光腔的光学腔体内，镀金聚光腔内表面是经过精密设计的，以便氙灯发出的泵浦光能全部聚集到Nd：YAG 晶体上。工作时光学腔、激光晶体氙灯都需要用水冷却，所以光学腔内有流动的去离子水，且在光学腔的底部有一进水口和一出水口。

2.3 整机原理

激光焊接机主要由光学系统、控制系统、激光电源、冷却系统组成。通电后水泵抽动冷却水在光学腔内做循环流动并且激光电源开始

启动，氙灯被点着后即激光电源启动成功。通过激光电源对氙灯脉冲放电，形成一定频率、一定脉宽的光波，该光经镀金聚光腔辐射到Nd：YAG晶体上，激发晶体发出激光，发出的激光会入射到前面的半反射镜片和后面的全反射镜片上。

全反射镜片把照射到上面的光全

部反射回镀金聚光腔内，半反射镜

片只把照射到上面的光部分反射

回镀金聚光腔（两者只反射波长为

1.06um的激光），另一部分透射出

去。被反射回镀金聚光腔的激光会

激发晶体产生更多的激光，它们共

同组成一个光谐振系统。透过半反射镜片的激光经扩束后聚焦到要焊接的工件上，工作台会按设定的程序运动，完成焊接。工作台X、Y 轴的运动速度和行程用机器面板上的按键进行设定，焊接时需要的脉冲波形、激光功率、峰值、脉冲宽度等参数由激光电源主控制板控制。

3.2 激光电源电路工作流程

根据电路工作原理图可以看出，接入交流380V电源后，变压器输出30V交流电压，经整流滤波后由稳压摸块IC1和IC2输出+5V和+12V 电压给控制电路。主控制板首先检测冷却系统的水压力传感器和水温度传感器传来的信号是否正常，如果不正常，则显示屏上显示报警（故障代码为2-wp),电源不会启动。如果正常，则主控制板发出高电平信号给V1，V1导通，继电器J1和J2吸合，把软启动电阻 R1 、R2、

R3接入电路,3相交流电经过软启动电阻后再整流、滤波,然后对电容组进行充电,充电约40s后，主控制板发出高电平信号给V2，V2导通，继电器J3吸合，把接触器K1的线圈接通，K1闭合，K1闭合后会把软启动电阻短路掉，3相交流电被全部接入电路。接着主控制板发出脉冲信号给V3，使V3导通一下，在V3控制下继电器J7也会通断一下，J7的通断使高压包的次级线圈产生一个瞬时高压，这个高压和整流后的540V电压一起加在氙灯上去电离内部的气体。如果气体成功被击穿，那么氙灯中就会有电流流过，使得540V直流电压经并联电阻R10 、R11 、R12及继电器J5的线圈到氙灯和负极构成回路（简称维持回路），继电器线圈上分的电压约为12V，J5吸合，吸合后反馈给主控制板一12V电压信号，表示预燃成功。如果J7通断一次后氙灯没被击穿，则上述回路中没有电流流过，J5不吸合，主控制板得不到预燃成功信号，这时主控制板会再发出脉冲信号给V3让J7通断，使J7连续通断3次后氙灯还没被击穿的话，主控制板就发出低电平信号给V2，V2截止，把接触器K1断开，同时把故障代码“1-AW 或0-AW”显示在显示屏上，这时需要检查一下电路和氙灯是否有问题。主控制板在接到继电器J5发来的预燃成功信号后，接着发出高电平信号给V4，V4导通，继电器J4吸合，把接触器K2的线圈接通，K2闭合，IGBT被接入电路。然后主控制板给IGBT驱动板一脉冲信号，使IGBT打开一次，电容组上存储的电能经IGBT快速向氙灯释放，氙灯放电一次，这时显示屏上显示“0K 0K”，表示启动成功。在氙灯放电的过程中，霍尔传感器会检测流过氙灯的电流是否正常，如不正

常，霍尔传感器就向主控制板发出出错信号，让主控制板发出低电平信号给V2和V4，使V2和V4截止，把接触器K1和K2断开，同时把故障代码（Hr-1或Hr-2）显示在显示屏上。实际操作时，先把各个参数调节好，再由脚踏开关或机器面板上的RUN键发出运行信号，工作台就会在单片机板的控制下按设定程序运行，主控制板控制

电路原理图

IGBT的通断，电流经过IGBT对氙灯放电。无运行信号时，IGBT断开，这时氙灯靠维持回路提供的小的持续电流维持导通（大约0.36A)。机器关闭后，接触器K1的常闭触点K1D把放电电阻 R4接通，存储在电容组上的剩余电荷会通过R4全部放完。

【关键词】激光焊接机Nd：YAG晶体氙灯IGBT

参考文献

1 深圳大族激光， YAG系列激光焊接机使用手册

2 周志敏、周纪海等， IGBT和IPM及其应用电路，人民邮电出版社， 2006