Способ лазерной обработки Советский патент 1989 года по МПК B23K26/00 C21D1/09 C21D11/00 

I

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к взаимодействию лазерного излучения с веществом, и может быть использовано при обработке лазерным лучом металлических образцов, а также при разработке и конструировании технологических лазеров.

Целью изобретения является поддержание повышенного энерговложения в образец в условиях изменения плотности потока мощности лазерного излучения на его поверхности.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего способа; на фиг. 2 - зависимость энерговложения в образец от интенсивности излучения; на фиг. 3 - зависимость времени релаксации от интенсивности излучения; на фиг. 4 - временная диаграмма лазерных импульсов; на фиг.5 временная диаграмма СВЧ-импульсов, излучаемых СВЧ-генератором; на фиг. 6 - временная диаграмма СВЧ-импульсов, отраженных от плазмы про- 16оя; на фиг 7 - функциональная схема блока управления.

На фиг. 2-6 принять следующие обозначения:

АЗФ - энерговложение лазерного импульса в образец (отношение энергии, идущей на нагрев образца, и энергии лазерного импульса);

«акс максимальное энерговложение в режиме образования приповерх4;:

Од

00

остной плазмы (зависит от конкретого материала образца);

I - падающая на образец плотность

отока мощности лазерного излучения

интенсивность);

Iпр - пороговая плотность потока

20

ощности лазерного излучения, при ко- орой у поверхности образца возникат плазма пробоя (зависит от конкрет- Q ого материала образца);

1опт - плотность потока мощности азерного излучения, соответствующая аксимальному энерговложению в режие образования приповерхностной плаз-15 тора мы (зависит от конкретного материала образца);

f период следования лазерных

импульсов;

-р - длительность лазерных импульсов;

- время релаксации плазмы;

Сро- оптимальное время релаксации плазмы, соответствующее максимальному энерговложению в образец в режиме образования приповерхностной плазмы (зависит от конкретного материала образца);

Т г..,, - период следования СВЧ-им

-йЧ

пульсов.

Устройство, в котором для измерения времени релаксации плазмы исполь- зу1рт СВЧ-радиоимпульсы (фиг. 1), содержит электроразрядный СО-лазер 1, работающий в имттульсно-периодичес- ком режиме с оптической системой и системой накачки, облучаемьй лазерными импульсами образец 2,. СВЧ-гене- ратор 3 с излучателем, приемник 4 СВЧ-излучения с антенной, блок. 5 управления.

лительность в период следования

25

30

В кач может генер ника ка СВ

Ус разом

Мо облуч плазм близ ца 2 СВЧтельплаз (фиг

сов ний.

излу плаз ряет тиче плаз

ния диои усло плаз та. , прим

35

40

лазерных импульсов 2,5 мкс,Тл 2,5 МКС.

Оптическая система лазера 1 съюс- д тирована так, чтобы лазерные импульсы облучали обрабатываемьй участок поверхности образца с плотностью потока мощности на поверхности 1опт 1,2-10 Вт/см2, соответствующей максимальному энерговложению А лдс(кс 40% (фиг. 2). Излучатель СВЧ-гене- ратора 3 и антенна приемника 4 направлены на область пространства, прилегаю1чую к облучаемому участку .поверхности образца. Выход приемни- ка 4 соединен с блоком 5 управления, выход которого, в свою очередь, соединен с системой накачки лазера 1.

пуль Выхо став чем проп пла имп сту имп счи зад опт мы. ния нен ног ния чив ние дае рег точ зер

0

5 тора

5

0

В качестве генератора СВЧ импульсов может быть использован измерительный генератор ГА-115, в качестве приемника СВЧ-сиГнапа - детекторная головка СВЧ с рупорной антенной.

Устройство работает следунлцим образом.

Мощные импульсы лазера 1 (фиг.4) облучают поверхность и инициируют плазму пробоя в непосредственной близости от места обработки образца 2. Плазму непрерывно облучают СВЧрадионмпульсами (фиг. 5) генера3 с периодом следования значительно меньшим, чем время релаксации плазмы, например Тсвч О (фиг. 3) .,

Несущую частоту СВЧ-радиоимпульсов выбирают из следуюпщх соображений.

Известно, что электромагнитное излучение эффективно отражается от плазмы, если его частота удовлетворяет условию f ЕКР где fnp- критическая (ленгмюровская) частота плазмы.

Для получения устойчивого отражения от плазмы несущая частота СВЧ-ра- диоимпульсов, должна удовлетворять условию f - c/d, где d - диаметр плазмообразования, с - скорость света. Этим условиям удовлетворяет, на- , пример, f 37 ГГц. .

Отраженные от плазмы СВЧ-радиоимпульсы регистрируются приемником 4. Выходные сигналы приемника 4 представляют собой пачки импульсов, причем число импульсов в каждой пачке пропорционально времени релаксации плазмы о.т соответствующего лазерного импульса Пачки этих импульсов поступают на блок 5 управления. Здесь импульсы в пределах каждой пачки подсчитываются и сумма вычитается из заданногсЯ числа, соответствующего оптимальному времени релаксации плазмы. Таким образом, результат вычитания содержит величину и знак отклонения плотности потока мощности лазерного излучения от оптимального значения (1опт 1,2-10 Вт/смО, обеспечивающего максимальное энерговложение (А wo(c 40%). Этот результат подается к управляющему входу элемента регулировки выходного напряжения источника питания систе Ы накачки л а- зера 1.

Если время релаксации оказывается больше оптимального ( fpo 170 мкс), .,то под действием управляющего сигна- jjia уменьшается выходное напряжение источника питания системы накачки лазера 1. При этом уменьшается выходная мощности лазера 1 (последующего лазерного импульса), а значит, и плот- кость потока мощности лазерного излу- О чения на обрабатьшаемой поверхности. В свою очередь в соответствии с зависимостью, приведенной на фиг. 2, возрастает величина энерговложения, приближаясь к своему максимальному значению. Если же время релаксации оказьшается меньше оптимального ( 170 мкс), то под действием управляющего сигнала увеличивается выходное напряжение источника питания системы накачки лазера 1. При этом возрастает выходная мощность лазера 1 (последзпощего лазерного импульса) , а значит, и плотность потока мощности

выход которого является выходом бл ка 5 управления. Вход синхронизации УВХ 13 соединен с выходом второго одновибратора 15.

Блок 5 управления работает следу ющим образом.

В исходном состоянш-г синхронный счетчик 7 установки в состоя ше О J реверсивном счетчике 8 установлен заданное хшсло, на выходе устройств выборки и хранения УБХ 13, а следов тельно, и на выходе блока 5 управле ния присутствует аналоговый сигнал 15 от предьщущего цикла работы, элемен И 10 подютючен одним из входов к ст шему знаковому разряду сумматора 9, код которого в исходном состоянии есть 1, поэтому на ЦАП 11 поступает положительное опорное напряжение, одновибраторы 14, 15 и 16 находятся в исходном состояшш. Одновибратор 14 настроен так, что время его возб денного состояния равно максимально

го

лазерного излз чения на обрабатываемой 25 возможной длительности пачек импуль

поверхности. В свою очередь, возрастает величина энерговложения, приближаясь к своему максимальному значению.

БЛОК 5 управления (фиг, 7) содержит компаратор 6 (например, ИС К554 САЗ), синхронный 7 и реверсивный 8 счетчики (например, на ИС К555 ИЕ7), сумматор 9 (например, на ИС К555 ИМб), логический элемент И 10 (иапример/ на ИС К555ЛИ1), цифроаналоговый преобразователь 11 (например, на ИС К572 ПА1), буфер 12 (операционный усилитель 140УД6), устройство выборки и хранения (УВХ) 13 (напршугер, ИС КР1100СК2), первый 14, второй 15 и третий 16 одновибраторы (например, на ИС .К155АГ1) и инвертор 17 (например, на ИС К155ЛАЗ).

Вход компаратора 6 является входом блока 5 управления. Выход компаратора 6 подключен к счетному входу счетчика 7 и через последовательно включенные первый 14, второй 15 и третий 16 одновибраторы к его входу установки в О. Выход счетчика 7 через инвертор 17 подключен к одному из входов сумматора 9, к его другому входу подключен выход реверсивного счетчика 8. Выход сумматора 9 соединен с входом ЦАП 11 и через элемент И 10 с его входом установки опорного напряжения. Выход ЦАП 11 через УВХ 13 соединен с буфером 12,

сов.

Время возбужденного состояния од- новибраторов 15 и 16 короткое.

При поступлении очередной пачки

30 синхронный счетчик 7 начинает считать импульсы, причем первый импульс возбуждает одновибратор 14. Результат суммирования синхронного счетчика 7 вычитается сумматором 9 из чис35 ла, фиксирован1-гого реверсивным счетчиком 8. При этом на выходе ЦАП 11 формирз ется аналоговый сигнал, соответствующий разнице между заданным числом и числом поставивших импуль- 40 сов в пачке. Знак аналогового сигнала зависит от знака указанной разниц чисел.

По окончании поступления импульсов на вход блока 5 управления одно- 45 вибратор 14 переходит в исходное ,состояние и возбулсдает второй одновибратор 15. Последний запускает УВХ 13 которьй фиксирует выходной сигнал ЦАП 11. Затем второй одновибратор 15 переходит в исходное состояние и запускает третий одновибратор 16. Последний обнуляет синхронный счетчик 7 переходит в исходное состояние и тем самым переводит в исходное состояние весь блок 5 управления. При этом на выходе блока 5 фиксируется аналоговый сигнал, величина и знак которого определяются разницей между заданным числом и полным количест50

55

выход которого является выходом блока 5 управления. Вход синхронизации УВХ 13 соединен с выходом второго одновибратора 15.

Блок 5 управления работает следующим образом.

В исходном состоянш-г синхронный счетчик 7 установки в состоя ше О J реверсивном счетчике 8 установлено заданное хшсло, на выходе устройства выборки и хранения УБХ 13, а следовательно, и на выходе блока 5 управления присутствует аналоговый сигнал от предьщущего цикла работы, элемент И 10 подютючен одним из входов к старшему знаковому разряду сумматора 9, код которого в исходном состоянии есть 1, поэтому на ЦАП 11 поступает положительное опорное напряжение, одновибраторы 14, 15 и 16 находятся в исходном состояшш. Одновибратор 14 настроен так, что время его возбужденного состояния равно максимально

сов.

Время возбужденного состояния од- новибраторов 15 и 16 короткое.

При поступлении очередной пачки

0 синхронный счетчик 7 начинает считать импульсы, причем первый импульс возбуждает одновибратор 14. Результат суммирования синхронного счетчика 7 вычитается сумматором 9 из чис5 ла, фиксирован1-гого реверсивным счетчиком 8. При этом на выходе ЦАП 11 формирз ется аналоговый сигнал, соответствующий разнице между заданным числом и числом поставивших импуль- 0 сов в пачке. Знак аналогового сигнала зависит от знака указанной разницы чисел.

По окончании поступления импульсов на вход блока 5 управления одно- 5 вибратор 14 переходит в исходное , стояние и возбулсдает второй одновиб - ратор 15. Последний запускает УВХ 13, которьй фиксирует выходной сигнал ЦАП 11. Затем второй одновибратор 15 переходит в исходное состояние и запускает третий одновибратор 16. Последний обнуляет синхронный счетчик 7, переходит в исходное состояние и тем самым переводит в исходное состояние весь блок 5 управления. При этом на выходе блока 5 фиксируется аналоговый сигнал, величина и знак которого определяются разницей между заданным числом и полным количест0

5

W

т

щ

РЙ:1

т

Р Ьз е fej

:

fcil

Изобретение относится к термической обработке металлов лазерным и может быть также использовано при конструировании технологических лазеров. Цель - поддержание повышенного энерговложения в образец в условиях изменения в процессе обработки плотности потока мощности лазерного излучения на обрабатываемой поверхности. Суть предлагаемого технического решения заключается в поддержании плотности потока мощности лазерных импульсов на поверхности образца на уровне, соответствующем максимальному энерговложению в ре жи- ме образования приповерхностной плазмы. Реализация данного способа не сводится к стабилизации мощности лазерных импульсов, а предполагает поддержание постоянной величины плотное- ти потока мощности на поверхности образца в зависимости от измеряемого времени релаксации плазмы. 7 ило (Л

фиеЛ

О О

40

то

РО

т т

3 SL

5ИО

tp ИКС

.с

Ф(/г. t

гю

г ,.8т. г.

3-W7 ЗЮ J

8т fTrF.

Фие. 3

Фиг. 6

фиг. 7

Составитель А. Абросимов Редактор Л. Веселовская Техред Л.Сердюкова Корректор С. Черни

Заказ 1300/14

Тираж 892

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина,101

Подписное