СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ Советский патент 1995 года по МПК B23K26/00 B23K26/02 

Изобретение относится к технологии лазерной обработки.

Цель изобретения повышение производительности, точности и снижение энергозатрат.

На фиг.1 изображена блок-схема одного из возможных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 схема немеханического перемещения точки обработки в глубь материала; на фиг.3 контур усиления активной среды свип-лазера с указанием диапазонов перестройки длины волны в обоих направлениях; на фиг.4, 5 оптическая схема свип-лазеров соответственно с механической перестройкой и с электронной перестройкой, основанной на введении в дисперсионный резонатор оптического дефлектора.

В зону обработки направляют лазерное излучение 1 с изменяющейся длиной волны, которое фокусируют оптической системой 2 с хроматической абберацией положения фокуса 3. Изменение длины волны излучения 1 осуществляют, уменьшая его, а для фокусировки излучения используют оптическую систему 2 с положительной хроматической абберацией положения фокуса 3. При этом уменьшение длины волны осуществляют со скоростью, соответствующей скорости перемещения пятна нагрева при геометрических или структурных изменениях в зоне обработки 4 (фиг.1, 2 и 3).

Изменение длины волны излучения осуществляют в свип-лазере на неодинаковом стекле, содержащем активный элемент 5, отражающее зеркало 6, дисперсионный элемент-призму 7, дефлектор 8, дифракционную решетку 9 (фиг.4, 5).

Фокусировка излучения может быть осуществлена линзой Френеля.

Изменение длины волны излучения 1 может быть осуществлено периодически или непрерывно.

Вследствие динамической перестройки (свипирования) длины волны излучения образуется регулярная последовательность импульсов (пичков), каждому из которых в спектре соответствует своя, строго определенная, длина волны излучения, уменьшающая от пичка к пичку.

Излучение с такими спектральными характеристиками направляют на фокусирующую систему 2, обладающую положительной хроматической аберрацией положения, т.е. фокусное расстояние этой системы увеличивается с уменьшением длины волны излучения. Тогда каждый последующий пичок излучения, соответствующий более короткой длине волны, будет фокусироваться на все более удаленные от оптической системы расстояния. В результате при свипировании длины волны в сторону ее уменьшения, точка обработки будет смещаться вглубь обрабатываемого материала. Точки М₁, М₂, М₃ и т.д. на фиг.2 соответствуют длинам волн λ₁, λ₂, λ₃ и т.д. причем λ₁ > λ₂ > λ₃.

При каждом взаимодействии излучения с обрабатываемым материалом в последнем происходят геометрические (испарение части вещества, выброс жидкой фазы) и структурные (разупорядочение, перекристаллизация и т.д.) изменения. При этом процесс обработки оптимизируется только в том случае, когда скорость перемещения сфокусированного лазерного пятна будет согласована со скоростью образования указанных изменений в материале. Если после первого пичка в материале образовалась выемка глубиной δh₁, то длина волны второго пичка должна быть такой, чтобы соответствующее ей фокусное расстояние увеличилось на δf≃δh₁-fδλ₁/(δλ₁=λ₁-λ₂) и т.д. Таким образом задают требуемый закон перестройки длины волны в зависимости от свойств обрабатываемого материала при известной величине положительной хроматической аберрации положения фокусирующей системы.

В случае отжига или закалки по определенному закону должна изменяться энергия излучения в процессе обработки. Это легко осуществляется за счет перемещения фокальной плоскости при перестройке длины волны, что приводит к управляемому изменению плотности мощности в обрабатываемой области материала.

Широкодиапазонная динамическая перестройка длины волны лазерного излучения за короткое время (для свип-лазера на неодинаковом стекле за одну вспышку лампы накачки, т.е. за 1-2 мс) приводит к существенному сокращению продолжительности отдельного цикла технологической обработки, что обеспечивает существенно более высокую производительность.

Согласование скоростей и законов перемещения сфокусированного лазерного пятна и образования нужных изменений в обрабатываемом материале позволяет значительно уменьшить энергозатраты на проведение одного цикла обработки. А возможность периодического повторения циклов обработки на одной и той же обрабатываемой поверхности (объема) способствует увеличению точности обработки (например, позволяет осуществить точную калибровку отверстия, выполнить отверстие с заданной конусностью и т.д.).

П р и м е р. Прожигали отверстия в пластине из алюминия толщиной 2 мм. Обрабатываемую деталь устанавливали так, чтобы ее поверхность была удалена от оптической фокусирующей системы на расстоянии 150 мм, равном ее фокусному расстоянию для длины волны λ₁= 1080 нм. Включали лампу накачки, которая своим излучением, длительностью 2,5-3 мс, переводила активную среду в возбужденное состояние. Через 0,5 мс (время нарастания инверсной населенности активной среды до порогового значения) от начала вспышки лампы накачки с синтезатора частот поступал на пьезопреобразователь сигнал с частотой 30 МГц. С установлением акустической решетки в дефлекторе лазер излучал первый пичок на длине волны λ₁=1080 нм. Это излучение фокусировали линзой Френеля на верхней поверхности обрабатываемой детали в пятно 100 мкм, что при энергии в пичке 0,05 Дж соответствовало плотности мощности 5 ˙ 10⁸Вт/см². Поскольку эта величина превышала порог разрушения алюминия, происходило испарение материала с образованием лунки глубиной Δ h ≅ 0,1 мм. Через Δ t 30 мкс (время Δ t регулировали в зависимости от требований обработки в пределах 10-100 мкс) после излучения первого пичка программное устройство увеличивало частоту сигнала синтезатора на 0,5 МГц. В дефлекторе устанавливали акустическую решетку с меньшим периодом, что приводило к уменьшению длины волны второго генерационного пичка на 0,5 мм (λ₂= 1080 нм 0,5 мм 1079,5 нм).

Так как линза Френеля обладает положительной хроматической аберрацией, то изменение длины волны на 0,5 нм в соответствии с выражением Δf= (f фокусное расстояние, λ_o- средняя длина волны рабочего диапазона) фокусное расстояние увеличивалось на 0,075 нм и второй пичок фокусировался на расстоянии 150 мм + 0,075 нм, т.е. точка обработки опускалась вглубь материала на 0,075 мм. Излучение практически оказывалось сфокусированным на дне первоначально образовавшейся лунки, в результате чего материал испарялся и образовывалась новая лунка.

Если бы дальнейшую перестройку проводили линейно, то за 30 пичков излучения длина волны изменялась бы от 1080 до 1065 нм, а точка фокусировки опустилась бы вглубь материала на 2 мм. Но в этом случае перемещение точки фокусировки не было бы согласовано с образованием лунки и отверстие за одну вспышку не было бы пробито. Это связано с тем, что по мере продвижения излучения вглубь материала, дополнительное углубление от действия каждого последующего пичка уменьшалось вследствие экранировки излучений краями отверстия.

Закон изменения глубины лунок определяли экспериментально и в соответствии с ним изменяли частоту акустической волны с помощью программного устройства управления синтезатором. Это позволяло уменьшить энергозатраты, увеличить скорость обработки и глубину отверстия.

Изобретение относится к технологии лазерной обработки. Целью изобретения является повышение производительности, точности и снижение энергозатрат. В зону обработки направляют лазерное излучение с изменяющейся длиной волны. Излучение фокусируют оптической системой с положительной хроматической аберрацией положения фокуса. При обработке уменьшают длины волны со скоростью, соответствующей скорости перемещения пятна нагрева при геометрических или структурных изменениях в зоне обработки. В результате динамического изменения длины волны (периодического или непрерывного) в сторону ее уменьшения точка обработки смещается вглубь обрабатываемого материала. 4 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ, при котором в зону обработки направляют лазерное излучение с изменяющейся длиной волны, которое фокусируют оптической системой с хроматической аберрацией положения фокуса, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, точности и снижения энергозатрат, изменение длины волны излучения осуществляют, уменьшая ее, а для фокусировки излучения используют оптическую систему с положительной хроматической аберрацией положения фокуса, при этом уменьшение длины волны осуществляют со скоростью, соответствующей скорости перемещения пятна нагрева при геометрических или структурных изменениях в зоне обработки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение длины волны излучения осуществляют в свип-лазере на неодимовом стекле. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что фокусировку излучения осуществляют линзами Френеля. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение длины волны излучения осуществляют периодически. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение длины волны излучения осуществляют непрерывно.