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1、激光加工设备单元教学设计 项目 2 激光焊接设备任务 2 YAG激光焊接机 授课 班级 上课时间年月日 第节 上 课 地点 所 需 课时 4 教学 目标 能力（技能）目标知识目标 熟悉 YAG激光焊接机的主机操作流程，培 养爱岗敬业的奉献精神 了解 YAG激光焊接机结构 重点 难点 及 解决 方法 重点： YAG激光焊接机结构 难点： YAG激光焊接机的主机操作流程 解决方法： 1、通过实物观摩，增强学生的直观印象，为解决YAG激光焊接机结构打好基础。 2、通过观摩和讲解，并用多媒体手段，突破主机操作流程这一难点。 参考 资料 王中林 . 激光加工设备与工艺M. 武汉：华中科技大学出版社，20
2、11. 郑启光 . 激光加工工艺与设备M. 北京：机械工业出版社，2010. 王秀军 . 激光加工实训技能指导（下册）M. 武汉：华中科技大学出版社，2014 教学 设计 基本 框架 第一部分：组织教学和复习上次课主要内容（时间：分钟） 提问： 1. 请简述激光焊接设备的基本组成。 2.激光焊接机的光束与工件的相对运动形式主要有哪些？ 第二部分：学习新内容 【步骤一】说明主要教学内容、目的（时间：分钟） 1、了解 YAG激光焊接机结构。 2、熟悉 YAG激光焊接机的主机操作流程 【步骤二】新知识的引入（时间：分钟） YAG 激光焊接是用高能脉冲激光对工件实施焊接，它以脉冲氙灯作为泵浦源，以ND
3、 ：YAG 作为产生激光工作物质。激光电源首先将脉冲氙灯预燃，通过激光电源对脉冲氙灯放电，使氙灯 产生一定频率和脉宽的光波，光波经聚光腔照射ND ：YAG激光晶体，从而激发ND ：YAG激光晶体 产生激光，再经过谐振腔后产生波长为1064nm 的脉冲激光，激光经过扩束、反射（或经过光纤 传输）、聚焦后辐射至工件表面，使工件局部熔化实现焊接。 【步骤三】新知识学习（时间：分钟） 知识点一：激光焊接设备的基本组成 YAG 型激光焊接机总体结构：激光焊接机主要由电源 柜、主机柜、冷却系统构成。 1. 主机柜 2.激光器 3.升降机构 4.CCD 监视系统 5.导光聚焦系统 6.焊接夹具 7.两 维数
4、控工作台 8.外循环系统 9.控制系统 10.激光电源 11.内循环冷却系统 实体图及结构布置图 结构框图 设问： 激光焊接设备的基本组成有哪些？ 知识点二：Nd： YAG激光器 激光焊接机采用的是脉冲Nd：YAG固体激光器，工作介质是掺钕钇铝石榴石晶体，泵浦源为 氙灯。其输出激光波长为1.064um，是不可见红外光。 激光谐振腔原理如图 激光谐振腔原理图 激光谐振腔由垂直于激活材料光轴的两个相对的平行反射镜和输出镜构成，起到高选择反馈 器件的作用。将放大介质发射的部分信号耦合反馈，其相位保持不变，从而产生激光振荡。 设问： Nd：YAG激光器的基本原理是什么？ 知识点三：激光传输系统 激光焊
5、接机的激光谐振腔安装在光具座内，是整个设备的核心部件，光具座内部结构如图 1. 指示光源系统2. 全反射膜片架3. 光闸 4. 聚光腔 5. 光阑 6. 半反射膜片架7. 聚焦导光系统 光具座结构示意图 设问： 激光传输系统的结构有哪些？ 知识点四：激光器主光路 主光路由谐振腔膜片、光阑、YAG晶体、氙灯及聚光腔组成，它决定了激光的输出。激光谐 振框图如图。 激光焊接机的聚光腔采用的是新 型非全腔水冷式双椭圆柱面组合 结构。 该激光腔结构合理，拆卸方 便，密封性好，其光电转换率高， 但如果玻璃管破裂会造成冷却水外泄，所以操作时要格外小心，避免泵浦灯和晶体棒玻璃管的损 坏。如发生玻璃管损坏必须立
6、即切断电源，防止发生危险。 设问： 激光传输主光路是什么？ 知识点五：聚焦系统 聚焦系统主要由聚焦镜和Z 轴聚焦系统组成，激光焊接通常需要一定的离焦量，因为激光焦点处 光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔，离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀， 离焦方式有两种正离焦与负离焦，焦平面位于加工部位上方为正离焦，反之焦平面位于加工 部位下方为负离焦。在实际应用中，当要求熔深较大时采用负离焦。焊接薄材料时，不宜采用负 离焦。 设问： 如何正确理解离焦量？ 1全反射镜2、3聚光腔4半反射镜 知识点六：指示系统 指示光系统由激光灯管、电源及精密调整架组成。用于指示焊接位置，同时也作谐振腔及其 它光
7、学部件的调整基准。 知识点七：激光电源 激光焊接机电源是激光焊接机的重要组成部分，它可供激光焊接机的脉冲氙灯工作，其脉冲 频率和脉冲电源均可调。 本电源为开关电源，主要原理为：三相交流电经整流、滤波后变成直流，对储能电容充电， 经整流逆变后，再通过大功率开关管放电，并经过高功率、精密电感变为恒流源，使氙灯放电， 放电的频率和宽度由控制信号决定。 电源由主电路、触发电路、预燃电路、控制电路、保护电路组成。 设问： 激光电源系统是由哪些部分组成的？ 知识点八：冷却系统 电能转换成激光，其光能转换效率只有3左右，大量的电能都转换成热能。这部分热能对 激光器件有巨大的破坏力，使YAG激光晶体及氙灯破裂
8、，聚光腔变形失效等，所以必须有冷却系 统提供冷却保障。 考虑到系统的光学效率，冷却介质一般为去离子水或蒸馏水。以保证内循环系统不受污染。 本系统则采用双循环制冷机组，内循环水冷却激光器，外循环水冷却内循环水。 冷却系统包含水箱、过滤器、磁性泵以及水温、水流量保护器等组成。其原理图如下所示： 冷却系统主回路原理图 设问： 冷却系统的作用是什么？ 知识点九：主机操作 本机为液晶显示、单片机控制的激光电源。用户通过操作键对多种激光波形和参数进行编程 （程序可贮存199 组），从而实现对工作电流、工作频率、脉冲宽度和焊接斑点直径的智能化 控制。具有控制功能强，性能稳定，体积小，操作方便且便于维修等特点
9、。 1）激光电源面板 激光控制面板示意图 液晶显示内容有“开机”( 或“关机” ) 、“切换”、“程序号”、“电流 A ”、“脉宽 ms ”、“频率 Hz ”和“光斑直径 mm ”等。 按“选择”键，光标在液晶显示屏上移动至所需编辑或操作选项处；按“调节”键，光标所 在处后面的数字减少可增加；按“OK ”键，前面的编辑或操作得到确认。 2）开机前检查（当电源经长途运输后，开机前按下列要求对整机全面检查）： a. 印制板无松动； b. 器件无脱落； c. 线鼻子无松动； d. 所有接地正确。 3）开机 a. 闭合空气开关，接通动力电源； b. 用钥匙开关接通电源； c. 按“选择”键，将光标移动
10、至“开机”处，按“OK ”键。大约75 秒钟后， 机器自动鸣笛一声，液晶显示“关机”，氙灯预燃成功。 4）装载程序 预燃成功后，液晶屏上自动调出第一组焊接参数程序。在装载状态下，将光标移至“程序” 处，按组合键或可逐个调用其它已贮存的焊接参数程序。 5）编程 本系可以统贮99 组焊接参数程序。用户使用时可以选择适当焊接参数的程序进行焊接。程 序编辑方法如下： 首先将光标移至 “程序” 处，按“调节” 键，调出不同的参数组，找到该参数的编号，按“OK ” 键，进入该组参数的编辑状态。 将光标移致“电流”或“脉宽”处，按“调节”键，可设置电流或脉宽。将光标移致“分段 号”，按“调节”键，设置参数在
11、各段之间切换并对应各段的编号。增加波形段数，可按“调节” 键，最多允许15 段。如要删除某一波形段数，就将该段脉宽设置为“0”，再按“ OK ”键，则该 段被删除。 6）关机 按“选择”键，光标移至“关机”处，按“OK ”键， 5 秒钟后，机器长鸣一声，主电源关断 成功。再按“停机”按钮，关断控制电源。最后关断空气开关。此时按空气开关使整机断电。 每次开关机时，每个继电器的通断吸合按程序执行的，用户仔细听是有一定规律的，如果在 开机时听到继电器吸合不正常如抖动或不规律等，有可能是印制板没有插到位或者是松动了，插 紧后再开机。 7） 焊接操作面板 焊接操作面板示意图 焊接操作面板使用说明： 驱动
12、：按下驱动键可启动工作台 校正：专用于调光和指示，如安装有夹具一般情况下可减少使用该功能 回零：按下此键则工作台将回到最初的零点位。 程序：按下程序键，可走预先设好的程序。 程控：按下驱动键后，按下程控键，再踩脚踏开关或按程序键，则工作台开始走预先设计 好的程序并出光。 手控：按下手控键，就出激光。 切换开关是根据需求对Y轴和旋转夹具之间进行切换。 X， X， Y， Y则是对工作台进行微调。 设问： 主机操作的步骤有哪些？ 【步骤四】总结（时间：分钟） 激光焊接可应用于钛、铝、铜、锌、金、银等多种金属及合金、钢等合金材料间的焊接，也可应 用于铜 - 黄铜、铜 - 钛、镍 -铜、铜 - 钛等多种异种金属的焊接。请理解激光焊接设备系统及操作步 骤。 第三部分：布置作业、说清楚作业的要求（时间：分钟） 1. 画出 YAG激光焊接机的结构框图。 2. 简述 YAG激光焊接机的激光电源。 3. 简述 YAG激光焊接机的主机操作流程