Способ определения положения фокального пятна Советский патент 1993 года по МПК B23K15/00 

Изобретение относится к способам фокусировки концентрированных источников энергии и может быть использовано в машиностроении при лазерной или электроннолучевой обработке изделий сложной формы.

Целью данного изобретения является повышение точности фокусировки.

На фиг. 1 изображен зонд для определения положения фокального пятна-пучка; на фиг. 2 - схема фокусировки электронных и лазерных пучков.;

Пример (конкретное выполнение способа). Вращающийся зонд 1 (фиг. устанавливают таким образом, чтобы его плоскости вращения находились на одинаковом расстоянии R от требуемого положения фокальной плоскости пучка (сечения пучка с максимальной плотностью мощности энергии) (фиг. 2}. Для измерения температуры в зоне взаимодействия пучка 2 с поглощающими поверхностями, над зондом 1 устанавливают электронно-оптические датчики 3 и 4, помещенные в защитные экраны 5 и 6. С помощью электродвигателя 7 приводят во вращение зонд 1, а пучок 2 требуемой мощности направляют на мишень 8 таким образом, чтобы плоскости зонда 1 пересекли его. После чего регистрируют температуру верхней и нижней плоскостей, сравнивают их с помощью блока сравнения 10 и при наличии сигнала рассогласования изменяют положение фокального пятна с помощью фокусирующих систем 9 до равенства амплитуд сигналов от датчиков 3 и 4. При равенстве амплитуд сигналов фокальное пятно будет находиться на одинаковом расстоянии R L/2 от поглощающих поверхностей зонда 2 (L - расстояние между поСО

ел о

v| Ю

тлощающими поверхностями), так как характер распределения плотности энергии в пучке (например, нормальное распределение) до и после перетяжки не меняется, а пучок симметричен Относительно фокальной плоскости.

Точность способа зависитоттемперату- ры зон, в кбторых проходит регистрация теплового воздействия пучка на поверхность зонда, так как удельный поток излучения Q2 Вт/м2 тела, нагретого до температуры Т °С, через его поверхность, согласно закону Стефана-Больцмана, пропорционален четвертой степени абсолютной температуры поверхности этого тела

Ц2

г Д+273и М 100 jl

где С - коэффициент излучения, зависящий от состояния поверхности.

Однако, если пучок имеет большую плотность мощности (близкую к значению в фокусе), то может происходить разрушение: зонда (плавление и испарение), поэтому расстояние между плоскостями зонда выбирают большим, чем длина перетяжки пучка, а зонд изготавливают из тугоплавких материалов (например, Та). Кроме того, температура зон регистрации зависит от скорости перемещения поверхностей, поэтому скорость перемещения обеих поверхностей должна быть одинаковой,

Вектор скорости,перемещения должен лежать в плоскости формальной к оси пучка, так как, в противном случае, увеличивается отражение излучения от поглощающих поверхностей и точность способа в значительной мере будет зависеть от физических свойств этих поверхностей,

Точность данного способа не зависит от вторичных токов; так как они не оказывают никакого теплового влияния на зонд. Изменение размеров зонда также не влияет на точность способа, поскольку сигнал регистрируется по амплитуде, а не по длительности. Кроме того, в процессе измерений разрушение зонда не происходит, так как они проводятся в областях, далеких от фокуса

(более полудлины перетяжки), где плотность мощности намного,меньше, чем в фокальном пятне. При этом скорость перемещения зонда выбирается такой, чтобы температура в зоне регистрации теплового излучения от

поглощающей поверхности была меньше температуры плавления материала зонда.

Экспериментальную проверку проводили при фокусировке электронных пучков мощностью 30 кВт (60 кв и 0,5 А), а лазерных

пучков - 2,5 кВт,Таким образом, по сравнению с прототипом предложенный способ значительно повышает точность фокусировки электронных и лазерных пучков и позволяет использовать их для электронно-лучевой и лазерной обработки деталей сложной формы. .. -..

Формула изобретения Способ определения положения фокального пятна, электронных и лазерных .лучков, при котором формируют контрольные сигналы с помощью равномерно вращающегося зонда, с поглощающей поверхностью, перпендикулярной оси луча,

пбсле чего положение фокального пятна и его смещение определяют по величине рас-. согласования контрольных сигналов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности фокусировки, используют зонд с

двумя поглощающими поверхностями, расположенными диаметрально противоположно относительно оси вращения зонда, на расстоянии одна от другой, большем дли- йы участка перетяжки пучка, амплитуду сигналов определяют по температуре . поглощающих поверхностей, а положение фокального пятна определяют по равенству амплитуд двух контрольных сигналов.

поглощающие лоДерхности. Фиг.А

Использование: при фокусировании концентрированных пучков при лазерной и электронно-лучевой обработке изделий сложной формы. Сущность изобретения: положение фокального пятна и его смещения определяют по величине рассогласования контрольных сигналов, для этого используют зонд с двумя поглощающими поверхно- ,стями; расположенными диаметрально . противоположно относительно оси вращения зонда, на расстоянии одна от другой, большем участка длины перетяжки пучка, амплитуду сигналов определяют по температуре поглощающих поверхностей, а положение фокального пятна определяют по равенству амплитуд двух контрольных сигналов. 2 ил.