Устройство для лазерной обработки Советский патент 1992 года по МПК B23K26/08 

Изобретение относится к области лазерной обработки и может быть использова- но для целей лазерной сварки в машиностроительной, электротехнической, автомобильной и др, отраслях народного хозяйства.

Известно устройство питания системы оптической накачки твердотельного импульсного лазера для сварки. Устройство состоит из импульсного источника энергии, оптического и управляющего блоков. Отличительной особенностью импульсного источника энергии является подача на лампу накачки двух импульсов тока от двух накопителей. Первый импульс с меньшей энергией, второй импульс несет в себе основную часть излучения. К недостаткам данного устройства следует отнести низкие технологические возможности установки, связанные с

невозможностью сваривать изделия из металлов с высокой отражающей способностью, например меди, т. к. на нем невозможно сформировать форму импульса, необходимую для сварки металлов с высокой отражающей способностью.

Кроме того, отсутствие отрицательной обратной связи не позволяет автоматизировать технологический процесс и изменять энергетический вклад в свариваемый материал.

Вследствие того, что устройство формирует два импульса - первый с высокой плотностью мощности, который может вызывать явление выплеска материала из сварочной ванны, а так как второй импульс несет в себе основную часть энергии излучения, то процесс сварки может перейти в процесс резVI

О Јь Ю О

ел

к и материала. Таким образом, качество сварки низкое.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей и улучшение качества сварки.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство снабжено двумя формирователями сигналов, измерителем соот- ношения сигналов, формирователем импульсов обратной связи, разрядным ре- гистром последовательного приближения, десятью ждущими блокинг-генераторами, десятью запоминающими устройствами, десятью преобразователями код-аналог, десятью устройствами сравнения, десятью ждущими блокинг-генераторами зарядного коммутатора, регистрами кода скорости разряда и кода адреса памяти формы импульса, селектором скорости разряда, логической системой управления, дополнительно восемью импульсными источниками энергии, оптически связанными объективом, диафрагмой, конденсорной линзой, нейтральным светоделителем и двумя фотоэлектронными умножителями, вы- ходные окна которых снабжены светофильтрами с разнесенными полосами пропускания, а выходы через формирователи сигналов соединены с входами измерителя соотношения сигналов, выход которого через формирователь импульсов обратной связи связан с управляющим входом разрядного регистра последовательного приближения, каждый из десяти выходов которого через соответствующие ждущие блокинг-генераторы связаны с управляющими входами каждого из десяти разрядных коммутаторов, последовательно соединенными десятью запоминающими устройствами, преобразователями код-ана- лог, устройствами сравнения и ждущими блокинг-генераторами зарядного коммутатора, выходом связанными с управляющими входами генераторов зарядного тока, а также регистрами кода скорости разряда и кода адреса памяти формы импульса, выходом соединенными с каждым из десяти запоминающих устройств, причем выход регистра кода скорости разряда через последовательно соединенные селектор ско- рости разряда и логическую систему управления связан с установленным входом разрядного регистра последовательного приближения.

Изобретение дает возможность созда- ния импульсов необходимой формы и длительности у лазеров импульсно-периодического действия, за счет набора его из 10 коротких импульсов, каждый из которых регулируется по амплитуде. Так как импульс формируется

из набора коротких импульсов, то появляется возможность регулировки его по длительности.

При воздействии сформированного импульса повышается температура зоны сварки, которая улавливается оптическим блоком обратной связи. Температурный сигнал после регистрации сравнивается с эталоном, далее происходит остановка разряда накопителя, либо уменьшение паузы между импульсами в зависимости от заданного режима обратной связи.

Устройство состоит из клавиатуры 1, генератора тактовых импульсов 2, регистрового накопителя данных для хранения кода скорости разряда 3, регистрового накопителя данных для хранения кода адреса памяти формы импульса 4, селектора скорости разряда 5, логической системы управления 6, разрядного регистра последовательного приближения 7, формирователя импульса обратной связи 8, ждущих блокинг-генера- торов 9-18, формирователя импульсов сигнала обратной связи 19, измерителя соотношения сигналов 20, формирователей сигналов 21, 22. Система обратной связи 23-30 содержит электронные умножители 23, 24, 50% нейтральный светоделитель 25, светофильтры с разнесенной полосой пропускания 26, 27, конденсорной линзы 28, диафрагмы 29, объектива 30. Также устройство включает запоминающие устройства 31-40, преобразователи код-аналог 41-50, устройство сравнения 51-60, ждущих бло- кинг-генераторов зарядного коммутатора 61-70. Импульсный источник энергии, входящий в состав устройства 71-120, включает в себя генераторы зарядного тока 71-80, высоковольтные выпрямители 81-90, накопительные батареи 91-100, разрядные коммутаторы 101-110, формирователи импульсов 111-120, лампы накачки 121 и оптический блок 122.

Оптический блок 122 включает в себя фокусирующие элементы и защитные окна.

В импульсном источнике энергии применены 10 независимых источников. Это позволяет заряжать накопительную батарею до различных, заданных заранее значе- ний заряда. Блок-схема импульсного источника энергии представлена на фиг. 1. Управление работой зарядных и разрядных цепей накопителя обеспечивается блоком управления. Блок управления на фиг. 1 представлен позициями с 1 по 22; с 31 по 70. Генератор тактовых импульсов 2 вырабатывает набор частот, необходимых для работы всей системы, селектор скорости разряда 5 необходим для выбора скорости разряда разрядного коммутатора. Регистровые накопители данных, служащие для хранения кода данных, записанных с клавиатуры 1, обозначены: 3 -для хранения кода скорости разряда, 4 - для хранения кода адреса памяти формы импульса. Логическая система управления 6 осуществляет управление системой в режимах работы заряд-разряд. Разрядный регистр последовательного приближения 7 управляет десятью ждущими блокинг-генераторами 9-18, Ждущие бло- кинг-генераторы вырабатывают последовательность коротких импульсов, необходимых для управления зарядных и разрядных тиристоров.

Клавиатура 1 связана с регистровым накопителем данных, который служит для хранения кода адреса памяти формы импульса 4. Код адреса памяти хранится в запоминающем устройстве 31-40. Для преобразования кода, хранящегося в запоминающем устройстве, служит преобразователь код- аналог 41-50. Аналоговый сигнал является опорным для устройства сравнении 51-60. Устройства сравнения через регистры последовательного приближения 61-70 связаны с генераторами тока 71-80.

Система обратной связи включает в себя с 23-30. Ока обеспечивает измерение параметров лучистого потока и строится по принципу спектральных отношений. Этот метод состоит в том, что измерительный поток разделяется системой цветоотделения и фильтрации на два узкополосных потока с разными длинами волн. Через объектив 30, диафрагму 29, конденсатор 28 световой поток попадает на 50% нейтральный светоделитель 25. На нем делится на 2 части и попадает на входные кона 26, 27, которые закрыты светофильтрами с разнесенными полосами пропускания. Фоюзлектронные умножители 23, 24 связаны с формирователями сигналов 21, 22 и далее с измерителем соотношения этих сигналов 20. В свою очередь, он связан с формирователем импульсного сигнала обратной связи 19 и далее с формирователем импульса обратной связи измерительной системы 8.

Оптический блок 122 включает в себя фокусирующие элементы и защитные окна.

Рассмотрим работу устройства. Для этого проследим работу одного канала, т. к. остальные работают аналогично. Перед началом работы вводятся данные в память блока управления, то есть задать форму импульса, необходимую для решения данной технологической задачи. Объем памяти прибора позволяет заносить 16 значений форм импульса и вызывать их по необходимости, меняя адрес запроса. Контроль формы импульса, вызываемого из памяти и заносимого в память, осуществляется по табло на передней панели прибора. Необходимо установить сЩЗбст ь разряда накопителя, значение которой тоже влияет на форму

выходного импульса. Скорость разряда набирается на клавиатуре двоичным кодом и отображается на передней панели. Далее устанавливают верхнее значение температур зоны сварки набором кода в блоке об0 ратной связи. При нажатии в клавиатуре клавиши импульс5 сигнал логическая 1 поступит в блок 6. Отработав сигнал блок 6 выдает команду на заряд накопителя. Генераторы зарядного тока силовой части нахо5 дятся в закрытом состоянии. Для поддержания этого состояния генераторы получают импульсы, необходимые для управления семистором от ждущих блокинг- генераторов, которые будут выдавать

0 импульс управления до тех пор, пока на их логическом входе будет записана 1. Блок 6 снимает 1 в логическом входе блокинг- генераторов и они прекращают выработку запускающих импульсов. Семисторы гене5 ратора тока закрываются, и на входе генератора начинает расти напряжение, которое через повышающий трансформатор и высоковольтный выпрямитель начинает заряд накопительной батареи. Код формы

0 импульса, записанный в память блока 31 по данному адресу, набранному с клавиатуры, поступает в преобразователь код-аналог, преобразуется в аналоговый сигнал, который является опорным, и подается на один

5 из входов устройства сравнения. На второй его вход по цепочке обратной связи поступает значение заряда на данный момент времени. При достижении равенства двух величин устройство сравнения переходит в

0 другое логическое состояние и записывает 1 в блокинг-генератор генератора тока, ко- торые получив команду, начинают вырабатывать импульсы. Семисторы генераторов тока открываются и закорачивают выход ге5 нераторов тока. Заряд накопительной батареи окончен. Затем блок 6 получает команду на формирование разрядного импульса. Поскольку скорость разряда накопительной батареи заранее выбрана и занесена в блок

0 3, то на выходе селектора присутствует одна из семи частот, поданных на селектор, которая и определит скорость разряда накопительной батареи. Последовательность разрядных импульсов вырабатывается бло5 ком 6 и поступает в регистр последовательного приближения, который с заданной скоростью запускает разрядные блокинг-ге- нераторы. Последние начинают вырабатывать импульс запуска тиристоров разрядного коммутатора. Открываясь по

очереди, тиристоры разрядного коммутатора в такой же последовательности разряжают накопительную батарею на импульсную лампу накачки, которая возбуждает оптическую часть установки. В результате импульс лазерного излучения воздействует на зону сварки, что приводит к мгновенному повышению температуры этой зоны, температура в свою очередь регистрируется измерительным блоком. Сигнал температурной обратной связи, сформированный в измерительном блоке, поступает в блок управления, где, пройдя дополнительное формирование и сравнение, поступает на разрядный регистр последовательного приближения. Это приводит к остановке регистра и остановке разряда части накопителя, что предохраняет нарушение технологического процесса.

Данная совокупность блоков позволяет формировать различные формы импульса как по амплитуде фиг. 2а, б, так и по длительности фиг. 2 в, г. Что, в свою очередь, открывает возможность производить сварку металлов с высокой отражающей способностью. Т. к. при применении импульса с крутым передним фронтом, характерным для частотно-периодических лазеров (рис. 1, е), процесс сварки механизмов с высокой отражающей способностью организовать невоз- можно 1. Это позволяет расширить технологические возможности установки. Улучшение качества сварки происходит за счет возможности регулировать тепловло- жение в зону сварки. Т, е. форма, длительность, амплитуда импульса формируются в зависимости от теплофизических характеристик свариваемых материалов и условий сварки.

Известно применение импульсных источников энергии, которые применяют для сварки материалов 1. В предлагаемом изобретении разделение импульсного источника энергии на 10 отдельных секций, причем каждая секция соответственно связанная с блоком управления обратной связью, и системы обратной связи позволяют получить тот или иной закон введения энергии и изменять его в течение технологического процесса в зону сварки.

При проведении экспертизы не выявлено технических решений, которые сходны с предлагаемыми, следовательно, последнее обладает существенными отличиями.

Использование устройства для лазерной обработки позволяет улучшить качество сварки материалов, так при этом уменьшается нестабильность глубины проплавления в 3,6 раза; уменьшается ширина зоны термического влияния в 3 раза; снижается число пор на единицу длины шва в 4 раза.

Кроме того, можно осуществлять сварку металлов с высокой отражающей способно5 стью, например медь и алюминий. Формула изобретения Устройство для лазерной обработки, содержащее оптический блок, первый и второй импульсные источники энергии,

0 состоящие из последовательно соединенных генератора зарядного тока, высоковольтного выпрямителя, накопительной линии, разрядного коммутатора, формирователя импульсов, генератора тактовых им5 пульсов, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей и улучшения качества сварки, оно снабжено двумя формирователями сигналов, измерителем соотношения сигналов,

0 формирователем импульсов обратной связи, разрядным регистром последовательного приближения, десятью ждущими блокинг-генераторами, десятью запоминающими устройствами, десятью преобразо5 вателями код-аналог, десятью устройствами сравнения, десятью ждущими блокинг-генераторами зарядного коммутатора, регистрами кода скорости разряда и кода адреса памяти формы импульса, селектором скоро0 сти разряда, логической системой управления, дополнительно восемью импульсными источниками энергии, оптически связанными объективом, диафрагмой, конденсорной линзой, нейтральным светоделителем и

5 двумя фотоэлектронными умножителями, входные окна которых снабжены светофильтрами с разнесенными полосами пропускания, а выходы - через формирователи сигналов соединены с входами измерителя

0 соотношения сигналов, выход которого через формирователь импульсов обратной связи связан с управляющим входом разрядного регистра последовательного приближения, каждый из десяти выходов

5 которого через соответствующие ждущие блокинг-генераторы связаны с управляющими входами каждого из десяти разрядных коммутаторов, последовательно соединенными десятью запоминающими

0 устройствами, преобразователями код-аналог, устройствами сравнения и ждущими блокинг-генераторами зарядного коммутатора, выходом связанными с управляющими входами генераторов зарядного тока, а

5 также регистрами кода скорости разряда и кода адреса памяти формы импульса, выходом соединенным с каждом из десяти запо- минающих устройств, причем выход регистра кода скорости разряда через по- следовательно соединенные селектор скорости разряда и логическую систему управления связан с установленным входом разрядного регистра последовательного приближения.

Использование: относится к области машиностроения и предназначено для лазерной обработки. Сущность изобретения: устройство содержит импульсный источник энергии, который составлен из десяти отдельных секций. Каждая секция выполнена из последовательно соединенных генератора зарядного тока, высоковольтного выпрямителя, накопительной батареи, разрядного коммутатора, формирователя импульсов Система обратной связи состоит из объектива, диафрагмы, конденсаторной линзы и 50%-ного нейтрального светоделителя, установленных на одной оси, и двух фотоэлек- тронных умножителей. Входные окна умножителей закрыты светофильтрами с разнесенными полосами пропускания, расположенными перпендикулярно оптическим осям каждого плеча, а умножители связаны с блоком управления. Изобретение позволяет формировать различные формы импульсов излучения. Изобретение расширяет номенклатуру свариваемых материалов, повышает глубину проплавления и прочность швов путем подбора оптимальной формы и длительности импульсов. 2 ил. Ј

djjjjjjJM.

т

a

LI Li

S 5Ю

A

иШШШША.

s

Ш

MM