CN103880274A - 十字型放电管的加工制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光器内元器件的加工工艺，本发明提供了一种十字型放电管的加工制作方法，包括下料、预处理、固定、焊接、剪裁、修形、倒角、退火处理、直线度矫形等多个步骤得到十字型放电管。本发明所提供的十字型放电管的加工制作方法，通过模具、工装夹具等外界辅助方式的介入，在局部环节减少玻璃加工对人工因素的依赖，从而提高玻璃加工量产的品质；并且提供的工艺方法所制作的十字型放电管能够符合现在大功率激光器内对十字型放电管的焊接部位的位置尺寸精度控制在±0.5mm以内，安装尺寸的精度一般控制在±0.5mm以内，直线度控制在0.3mm以下等技术要求，从而推动大功率气体激光器的发展。

Description

十字型放电管的加工制作方法

技术领域

本发明涉及激光器内元器件的加工工艺，尤其是涉及一种十字型放电管的加工制作方法。

背景技术

激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。而气体激光器是利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件。它由放电管内的激活气体、一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成。

当前大功率气体激光器在切割、焊接、熔覆等行业领域有着广泛的用途，国内外加工市场对于大功率气体激光器的需求逐年呈上升趋势。在大批进口的大功率气体激光器涌入市场的同时，国产大功率气体激光器也逐渐开始崛起，其加工和使用性能已慢慢接近国外高水平的大功率气体激光器。

随着对国外技术的消化和吸收，国产激光器也开始发展有着自己特点的核心技术，激光器谐振腔十字型放电管就是其中之一。但此种放电管为玻璃制品，玻璃制品是一种通过加热使玻璃材料软化，再通过人工调整达到所需形状的产品。这种加工方式需要在高温下通过人工的经验判断玻璃材料软化的程度，并根据玻璃材料软化程度的不同人工调整出不同的形状来满足零件外形尺寸的需求。因此决定了传统的玻璃加工（包括国外在内）均为手工加工，玻璃制品的零件加工精度很难保证，手工制品又使得量产的放电管品质无法保持一致性和可重复性。传统的玻璃制品通过手工加工之后的外形尺寸的加工精度一般控制在±2mm，这种加工精度无法满足十字型放电管对外形尺寸的加工精度必须控制在±0.5mm以内的使用要求；另外，手工制品又使得量产的放电管质量无法保持一致性和可重复性。这种现象导致了激光器谐振腔十字型放电管这种新的核心技术无法大批量的复制和量产。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术之缺陷，提供一种十字型放电管的加工制作方法，采用该加工制作工艺可以批量复制生产放电管，并且控制其的加工尺寸精度在±0.5mm以内。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种十字型放电管的加工制作方法，包括以下工艺步骤：

下料：提供第一玻璃管、第二玻璃管和第三玻璃管；

固定：采用工装夹具将所述第一玻璃管水平固定，所述第二玻璃管垂直固定于所述第一玻璃管上方，所述第三玻璃管垂直固定于所述第一玻璃管下方，并使所述第二玻璃管与所述第三玻璃管设于同一直线上；

焊接：分别将所述第二玻璃管和所述第三玻璃管焊接于所述第一玻璃管上以形成十字型玻璃管；

剪裁：对所述十字型玻璃管进行尺寸剪裁得到十字型放电管。

具体地，所述第一玻璃管、所述第二玻璃管以及所述第三玻璃管均采用耐1000℃以上高温的玻璃管材。

进一步地，所述玻璃管材为石英玻璃管。

进一步地，在所述第一玻璃管与所述第二玻璃管的连接处以及所述第一玻璃管与所述第三玻璃管的连接处设置焊接部位，然后在所述下料步骤与所述固定步骤之间，对所述焊接部位进行加热然后利用模具使所述焊接部位得到模具的形状。

具体地，于所述剪裁步骤之后，对所述密封段进行修形，将所述十字型放电管置于1000~1500℃下，对所述第一玻璃管的两端、所述第二玻璃管的上端以及第三玻璃管的下端外形尺寸进行调整以达到安装尺寸的精度要求。

进一步地，于所述修形步骤之后，对所述第一玻璃管两端的管口、所述第二玻璃管上端的管口以及第三玻璃管下端的管口进行倒角。

进一步地，于所述倒角步骤之后，再对所述十字型放电管进行退火处理，所述退火处理时的温度控制在900~1200℃。

进一步地，于对所述管口倒角步骤之后，再将所述十字型放电管置于900~1200℃下，对所述十字型放电管的整体直线度进行矫形。

进一步地，对所述十字型放电管进行直线度矫形之前，对所述十字型放电管进行筛选，选出有缺陷的十字型放电管。

进一步地，将所述有缺陷的十字型放电管置于1100~1300℃中进行灼烧以消除所述有缺陷的十字型放电管的缺陷。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种十字型放电管的加工制作方法，在下料过程中，将第一玻璃管、第二玻璃管以及第三玻璃管的尺寸留出足够的加工余量，然后再固定三个玻璃管，且在固定时引入工装夹具，通过工装夹具固定三个玻璃管的相对位置，不仅提高了十字型放电管的位置尺寸精度，还对十字型放电管的重复性一致性批量化生产提供了技术支持；并且在十字型玻璃管的焊接过程中，由于十字型玻璃管材局部受热软化，造成十字型玻璃管的外形尺寸发生变化，因此必须在焊接完成之后对十字型玻璃管进行裁剪以达到设计时产品的外形尺寸；本发明提供的十字型放电管的加工制作方法使得激光器谐振腔十字型放电管这种新的核心技术可以得到大批量的复制和量产，从而推动大功率气体激光器的发展。

附图说明

图1是本发明一较佳实施例的工艺流程图；

图2是本发明工艺流程中预处理时的第一玻璃管与模具的结构示意图；

图3是本发明工艺流程中焊接时的工装夹具与十字型玻璃管的结构示意图；

图4是本发明工艺流程中剪裁时的十字型玻璃管的结构示意图；

图5是本发明工艺流程中修形时的十字型放电管的结构示意图；

图6是本发明工艺流程中倒角时的十字型放电管的结构示意图；

图中：1         十字型放电管、

      11        第一玻璃管

      111       第一玻璃管与第二玻璃管的连接处

      112       第一玻璃管与第三玻璃管的连接处

      113       第一玻璃管的左密封段

      114       第一玻璃管的右密封段

      115       第一玻璃管的左管口

      116       第一玻璃管的右管口

      12        第二玻璃管

      121       第二玻璃管的上密封段

      122       第二玻璃管的上管口

      13        第三玻璃管

      131       第三玻璃管的下密封段

      132       第二玻璃管的下管口

      2         模具

      21        模具与第一玻璃管的接触面

      3         工装夹具

      31        第一固定端

      32        第二固定端

      33        第三固定端

      34        第四固定端。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，为本发明所提供的十字型放电管的加工制作方法的工艺流程图。

具体包括以下工艺步骤：

下料：提供第一玻璃管11、第二玻璃管12和第三玻璃管13三根玻璃管材；在下料时，提供的三根玻璃管材尺寸较实际产品的外观尺寸大，留出足够的加工余量。这么做，一方面是因为在后续加工过程中需要对三根管材固定，需要预留加工的固定位；另一方面是因为玻璃管材在加工过程中遇到热环境会发生局部形变，严重时形变达到5~10mm，需要预留出可能会伸缩的尺寸范围，保证后续加工过后，还能够得到产品需要的尺寸。

固定：请参见图3，对第一玻璃管11、第二玻璃管12和第三玻璃管13进行固定。传统的加工方式采用人工摆放第二玻璃管12以及第三玻璃管13的位置，且完全由人工将第二玻璃管12和第三玻璃管13对接到第一玻璃管11上，这种方式固定的尺寸对接精度仅为±2mm，根本无法满足大功率激光器谐振腔十字型放电管对对接精度的需求。因此，本发明中提供了一种工装夹具，如图3所示。夹具设有一个固定板3，于固定板3上分别设有4个固定端。第一固定端31和第二固定端32用于固定第一玻璃管11，将第一玻璃管11水平固定于固定板3上；然后第三固定端33固定第二玻璃管12的上端，第二玻璃管12的下端与第一玻璃管11对接，且第三固定端33使得第二玻璃管12垂直固定于第一玻璃管11的上方；第四固定端34固定第三玻璃管13的下端，第三玻璃管13的上端与第一玻璃管11对接，且第四固定端34使得第三玻璃管13垂直固定于第一玻璃管11的下方。该工装夹具不仅能够保证第二玻璃管12与第三玻璃管13设有同一直线上，还可以保证第二玻璃管12与第三玻璃管13焊接部位的位置尺寸精度可以控制在±0.5mm以内。该位置尺寸精度才能够满足大功率激光器谐振腔十字型放电管对对接精度的需求。引入了工装夹具的使用，不仅提高了十字型放电管的位置尺寸精度，还对十字型放电管能够重复性一致性的批量化生产提供了技术支持。

焊接：对固定好的第一玻璃管11、第二玻璃管12和第三玻璃管13进行焊接。分别将固定好的第二玻璃管12的下端焊接到固定好的第一玻璃管11的上方，将固定好的第三玻璃管13的上端焊接到固定好的第一玻璃管11的下方，以形成一个十字型玻璃管。由于引入了工装夹具3的使用，使得此焊接过程避免了因人工摆放而焊接的随机性，有效的将第二玻璃管12和第三玻璃管13的相对位置固定焊接。

剪裁：请参见图4，对所述十字型玻璃管进行尺寸剪裁得到所述十字型放电管。由于在上述焊接过程中，十字型玻璃管的第一玻璃管11与第二玻璃管12的焊接处以及第一玻璃管11与第三玻璃管13的焊接处受到焊接时产生的高温热量作用，使得焊接处局部受热软化，造成十字型玻璃管的外形尺寸发生变化，这种尺寸变化使得十字型玻璃管无法满足大功率激光器谐振腔的安装使用。并且由于该十字型放电管实际应用于不同的激光器谐振腔，或者不同安装位置的十字型放电管，所需要的外形尺寸也不同。因此必须在焊接完成之后对十字型玻璃管进行裁剪，保证裁剪后的十字型玻璃管的外形尺寸公差在±0.5mm以内。在经过冷加工裁剪之后的十字型玻璃管，其外形尺寸达到设计时产品的外形尺寸以得到满足大功率激光器谐振腔安装使用的十字型放电管1。

通过本发明所提供的上述制作方法制成的十字型放电管能够满足激光器谐振腔安装使用的十字型放电管，能够将激光器谐振腔内的十字型放大管进行大批量的复制和生产，从而推动大功率气体激光器的发展。

具体地，在本发明中所提及的第一玻璃管11、第二玻璃管12以及第三玻璃管13均采用耐1000℃以上高温的玻璃管材。因为十字型放电管1是放置于激光器谐振腔内使用。而大功率的激光器谐振腔的工作环境比较苛刻，一般3000W~10000W的大功率激光器其压力范围在-0.8～-1.6个标准大气压（即真空负压）且温度在380~640℃之间。因此在大功率激光器的谐振腔内使用的十字型放电管1必须能够耐温高压。作为优选地，采用石英玻璃管作为十字型放电管的材料最为合适。只有石英玻璃管才能满足大功率激光器的要求。如果采用例如硼硅玻璃或者添加不同比例石英成分的各种规格硼硅玻璃为十字型放电管的原材料则会出现管壁龟裂现象。从而无法保证十字型放电管于谐振腔内的长时间持续性使用。

具体地，在第一玻璃管11与第二玻璃管12的连接处111以及第一玻璃管11上与第三玻璃管13的连接处112设置为焊接部位，然后在上述下料步骤与固定步骤之间，对焊接部位111（112）进行预处理，即对焊接部位111（112）进行加热，然后利用模具2使焊接部位111（112）得到模具2的形状。预处理之后的第一玻璃管11如图2所示，而由于石英玻璃管材质的特性，其在950~1400℃的温度范围内开始软化，而软化的程度由于材料的品质不同会有一定的差异。在预处理之前，第一玻璃管11为一直筒形长条玻璃管材，然后对该焊接部位111（112）进行加热，其加热温度控制在900~1500℃之间，当该焊接部位111（112）软化之后，在焊接部位111（112）放上模具2夹持，使得焊接部位111（112）得到如图2所示的形状。在本实施例中，模具2与第一玻璃管11的接触面21为一曲面，使得焊接部位111（112）形成一个向外拱起的曲面。当然由于十字型放电管1的具体结构略有不同，模具2的尺寸以及形状可能各不相同，不仅限于本实施例中模具2的接触面21为曲面的结构。由于该焊接部位111（112）作为整个十字型放电管的中间连接部分，其外观形状不仅起到连接的作用，同时还要兼顾未来放电管工作环境中，管内气体的流动情况及管内阳极放电的工作需求。因此对焊接部位111（112）进行预处理，通过模具2保证其焊接部位111（112）的外形尺寸，使需要加工的焊接部位111（112）变形达到设计预期的形状，可以有效的避免玻璃手工加工的不一致性，为后续焊接时的对接以及十字型放电管1的可重复性制作、批量化生产提供了可靠的保证。

具体地，请参见图5，由于本发明所提供的制作方法生产的十字型放电管1是应用于大功率激光器的谐振腔内，因此必须满足其压力范围在-0.8~-1.6个标准大气压（即真空负压）的要求。因此设定第一玻璃管11的左端113和右端114、第二玻璃管12的上端121以及第三玻璃管13的下端131为十字型放电管1的密封段，需要在高真空度的工作环境中使用。而玻璃管材的外形尺寸精度较差，一般管径尺寸控制在±0.5mm以内的成品率较低，因此于上述剪裁步骤之后，必须对第一玻璃管11的左端113和右端114、第二玻璃管12的上端121以及第三玻璃管13的下端131进行修形。即将裁剪后的十字型放电管1置于高温下，高温一般控制在1000~1500℃，使第一玻璃管11和第二玻璃管12以及第三玻璃管13的管壁局部软化，然后通过人工针对性的对第一玻璃管11的左密封段113和右密封段114、第二玻璃管12的上密封段121以及第三玻璃管13的下密封段131的外形尺寸进行调整以达到安装尺寸的精度要求。安装尺寸的精度一般控制在±0.5mm以内。在石英玻璃管材的软化过程中，不同细微的材质变化及不同温度下的材质软化程度不同，而此处修形的主要目的是将十字型放电管1的外形尺寸精度调整到设计时需要的安装尺寸精度。如果此时外形尺寸差异大的话，管材需要软化程度就较大，这样可以获得较大程度的变形量；反之亦然。由于以上状况都是随机出现的，因此需要人工根据实际情况，现场临时灵活应对处理，即通过人工的针对性调整以确保十字型放电管1在实际安装后满足大功率激光器谐振腔内十字型放电管的密封使用要求。

正是由于十字型放电管1是应用于大功率激光器的谐振腔内，必须满足其压力范围在-0.8～-1.6个标准大气压（即真空负压）的要求。因此，在第一玻璃管11左端管口115和右端管口116、第二玻璃管上端管口122以及第三玻璃管下端管口132必须使用O型橡胶圈。而玻璃管材的特性，使得其管口容易出现尖角，容易对O型橡胶圈造成损伤。因此于上述修形步骤之后，对第一玻璃管11的左端管口115和右端管口116、第二玻璃管12的上端管口122以及第三玻璃管13的下端管口132进行倒角，倒角采用冷加工处理方式，例如磨砂打磨等切削性质的加工进行倒角。而进行倒角之后，容易在管口出现外观尖角以及管材内部应力积累等不良的缺陷。因此于上述倒角之后，再对所述十字型放电管1进行退火处理。而此退火处理时的温度控制在900~1200℃，使得第一玻璃管11的左端管口115和右端管口116、第二玻璃管12的上端管口122以及第三玻璃管13的下端管口132部位局部软化。经过退火处理的十字型放电管1，其管口尖角部位局部软化，在材料自身张力的作用下，出现圆角的自然变化，并且因为退火处理，可以将石英玻璃管材中因上述冷加工方式产生的应力有效的释放出来，这样可以避免零件因材料内部应力产生变形或者龟裂的现象。经过退火处理之后的十字型放电管1能够在大功率激光器的实际工作中增加管口局部受热的受热面积，较好的提高其抵抗高温热变形的能力，从而有效的避免了石英玻璃管材的应力龟裂的问题。

最后，在对管口倒角之后，再对十字型放电管1进行直线度矫形。即将十字型放电管1置于高温下，高温控制在900~1200℃之间，而具体温度受到其直线度偏差的影响，需要通过人工针对性调节。对十字型放电管1的整体直线度进行矫形使其满足大功率激光器对十字型放电管的要求。而该十字型放电管1由于经过上述多步骤中的高温处理，会产生微量的变形，因此需要重新对其整体直线度进行矫正。而该十字型放电管1的内部管径大小以及轴向方向的直线度将会直接影响十字型放电管1的工作效果，因此必须将其直线度控制在0.3mm以下。

具体地，在对十字型放电管1进行直线度矫形之前，必须先对十字型放电管1进行筛选，该筛选过程由人工逐一查看。由于石英玻璃管材的材料因素，管材内部会有不同程度的杂质，而该杂质在上述高温加工过程中产生热量形变，使得管材上出现类似气泡、气线、银纹或者细小裂纹等不同程度的缺陷。又或者，在上述多个加工过程中，由于人工手法的熟练程度不同，在管材的表面产生碰伤、划伤等不同程度的缺陷。而这些缺陷都是随机出现在每个加工的十字型放电管1上的。必须通过人工对加工后的十字型放电管1进行逐一检查。如果不存在缺陷的十字型放电管1可以进行最后的直线度矫形过程。而将存在上述缺陷的十字型放电管1一一选出，形成有缺陷的十字型放电管。

再针对有缺陷的十字型放电管进行消除缺陷处理。即将其置于高温中进行灼烧。该高温控制在1100~1300℃之间，具体的温度由于其缺陷的原因以及缺陷的程度不同，需要有人工进行调节。而有缺陷的十字型放电管1在高温灼烧过程中，其局部管壁，特别是有缺陷的管壁上容易软化，通过其石英玻璃管材的特质，其管壁在软化过程中，自身材质在自由张力的作用下自行释放，从而起到弱化气泡、气线、银纹或者细小裂纹以及碰伤、划伤的划痕的作用，提高整个十字型放电管1零件表面的光洁度。由人工针对性的控制灼烧时间以消除十字型放电管上的缺陷，能够大幅度降低放电管在放电过程中的故障率。在经过消除缺陷处理之后的十字型放电管1再对其进行最后的直线度矫正处理。

经过上述方法制作的十字型放电管，通过引入模具2对焊接部位预处理；引入工装夹具3对第一玻璃管11、第二玻璃管12以及第三玻璃管13进行固定使其能够满足位置尺寸精度控制在±0.5mm以内；并且对密封段进行修形，使其安装尺寸精度控制在±0.5mm以内；再对其管口进行倒角以及退火处理，使其管口能够适应O型橡胶密封圈的使用且增加其局部受热面积防止应力龟裂的现象；并且对存在外观缺陷的进行消除缺陷处理，以大幅度降低放电管在工作过程中的故障率；最后进行直线度矫正以保障其在大功率激光器谐振腔内使用的工作效果。因此，本发明所提供的工艺制作方法中，通过模具2、工装夹具3等外界辅助方式的介入，在局部环节减少玻璃加工对人工因素的依赖，从而提高玻璃加工量产的品质。并且本发明所提供的工艺方法所制作的十字型放电管能够符合现在大功率激光器内对十字型放电管的技术要求，因此本发明也可以为如何应用传统玻璃加工制作高精度的激光行业用的零件，提供一种可行有效的操作方式和方法。为大功率激光器谐振腔提供满足其技术要求的十字型放电管，从而推动大功率气体激光器的发展。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

下料：提供第一玻璃管、第二玻璃管和第三玻璃管；

固定：采用工装夹具将所述第一玻璃管水平固定，所述第二玻璃管垂直固定于所述第一玻璃管上方，所述第三玻璃管垂直固定于所述第一玻璃管下方，并使所述第二玻璃管与所述第三玻璃管设于同一直线上；

焊接：分别将所述第二玻璃管和所述第三玻璃管焊接于所述第一玻璃管上以形成十字型玻璃管；

剪裁：对所述十字型玻璃管进行尺寸剪裁得到十字型放电管。

2.如权利要求1所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，所述第一玻璃管、所述第二玻璃管以及所述第三玻璃管均采用耐1000℃以上高温的玻璃管材。

3.如权利要求2所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，所述玻璃管材为石英玻璃管。

4.如权利要求3所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，在所述第一玻璃管与所述第二玻璃管的连接处以及所述第一玻璃管与所述第三玻璃管的连接处设置焊接部位，然后在所述下料步骤与所述固定步骤之间，对所述焊接部位进行加热然后利用模具使所述焊接部位得到模具的形状。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，于所述剪裁步骤之后，对所述密封段进行修形，将所述十字型放电管置于1000~1500℃下，对所述第一玻璃管的两端、所述第二玻璃管的上端以及第三玻璃管的下端外形尺寸进行调整以达到安装尺寸的精度要求。

6.如权利要求5所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，于所述修形步骤之后，对所述第一玻璃管两端的管口、所述第二玻璃管上端的管口以及第三玻璃管下端的管口进行倒角。

7.如权利要求6所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，于所述倒角步骤之后，再对所述十字型放电管进行退火处理，所述退火处理时的温度控制在900~1200℃。

8.如权利要求6所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，于对所述管口倒角步骤之后，再将所述十字型放电管置于900~1200℃下，对所述十字型放电管的整体直线度进行矫形。

9.如权利要求8所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，对所述十字型放电管进行直线度矫形之前，对所述十字型放电管进行筛选，选出有缺陷的十字型放电管。

10.如权利要求9所述的一种十字型放电管的加工制作方法，其特征在于，将所述有缺陷的十字型放电管置于1100~1300℃中进行灼烧以消除所述有缺陷的十字型放电管的缺陷。

Images