Лазерная технологическая установка

 

Использование: для лазерной резки, сварки, прошивки отверстий и других видов лазерной обработки. Сущность изобретения: установка состоит из технологического лазера с устойчивым полуконфокальным резонатором, поворотного зеркала, плоского и сферического фокусирующего зеркала, технологического поста для крепления обрабатываемой детали. Лазерный луч отражается поворотным зеркалом вертикально вниз, после чего он попадает на плоское зеркало, отражаясь от которого он попадает на сферическое зеркало. На сферическом зеркале луч фокусируется и направляется на обрабатываемую деталь. Так как ось сфокусированного луча параллельна оси луча на участке от поворотного зеркала до плоского, то возможно совместное вертикальное перемещение плоского зеркала вместе с сферическим фокусирующим для отслеживания постоянства фокуса на поверхности обрабатываемой детали. Радиус сферического фокусирующего зеркала определяется по формуле, представленной в формуле изобретения. 1 ил.

Изобретение относится к лазерной обработке материалов и может быть использовано при лазерной резке, сварке, прошивке отверстия и других видах лазерной обработки.

Известно, что используемые для фокусировки лазерного излучения оптические элементы из проходной оптики-линзы имеют ряд существенных недостатков, основной из которых низкая лучевая стойкость.

Применение линз в качестве фокусирующих элементов ограничивает верхний уровень используемой мощности лазерного излучения, а также резко снижает надежность работы лазерной установки.

Для эксплуатации в промышленных условиях более пригодны фокусирующие системы из металлических элементов, обладающих значительно лучшими эксплуатационными характеристиками. Примером таких систем является двухзеркальный внеосевой объектив Кассегрена, представляющий собой комбинацию выпуклого и вогнутого зеркала, параметры которых связаны определенными соотношениями (авт. св. 1075538, 1159223). Двухзеркальные обращенные объективы Кассегрена наряду с рядом преимуществ (хорошие эксплуатационные характеристики, высокая концентрация мощности сфокусированного излучения) обладают следующими недостатками: большие габариты, т. к. вогнутое зеркало должно быть в 4 с лишним раза больше выпуклого и при этом должно быть удалено от фокуса на четыре с лишним фокусных расстояния объектива; сложность юстировки зеркал.

Оба недостатка зачастую затрудняют использования объективов Кассегрена на практике.

В лазерной технологии находят применение более простые металлооптические системы, фокусирующим элементом в которых является одиночное сферическое зеркало.

Прототипом предполагаемого изобретения является устройство, содержащее плоское и сферическое фокусирующее зеркало [1] Лазерный луч вводится в устройство горизонтально, а сферическое зеркало наклонено к оси фокусирующего лазерного пучка. Недостатком прототипа является ограниченность технологических возможностей, заключающаяся в невозможности обеспечения отслеживания неплоской поверхности обработки.

Действительно, при обработке неплоских поверхностей, например волнистой, для обеспечения постоянства положения фокуса относительно поверхности обработки, фокусирующую систему необходимо перемещать вертикально вдоль оси сфокусированного пучка синхронно с изменением профиля обрабатываемой поверхности детали. В прототипе вертикальное смещение сфокусирующего устройства вызывает потери мощности лазерного луча, т.к. входящий в систему лазерный луч и сфокусированный луч взаимно перпендикулярны и при вертикальном смещении устройства, часть входящего в него лазерного пучка (а при больших смещениях весь лазерный луч) не попадает на плоское зеркало. Это приводит к снижению качества и производительности лазерной обработки, а при больших смещениях к нефункциональности всего устройства. Для обеспечения нормальной работы устройства в условиях обработки неплоских поверхностей, необходима установка в устройстве дополнительного подвижного поворотного зеркала, установленного перед имеющимся в устройстве плоским зеркалом. Это дает возможность вводить лазерный луч в вышеописанное устройство параллельно с сфокусированным лучом. Однако такая система будет обладать увеличенными габаритами и весом, что затруднит ее использование в лазерных установках, где оба этих параметра в ряде случаев имеют важное значение.

Задачей изобретения является повышение качества и производительности лазерной обработки, расширение технологических возможностей.

В предлагаемом устройстве, включающем плоское и сферическое зеркала, лазерный луч направляется на плоское зеркало вертикально вниз; его отражающая поверхность параллельна главной плоскости сферического фокусирующего зеркала, а сферическое фокусирующее зеркало выполнено с радиусом кривизны поверхности, определяемым по формуле: R 0,511 + (L/1-C)^2/3 (1) где Z расстояние от лазера до сферического зеркала, мм; L длина резонатора лазера, мм; С отношение удвоенного расстояния t между ближним к фокусу краем плоского зеркала и фокусом к радиусу кривизны сферического зеркала.

На чертеже приведена схема установки.

Она состоит из лазера 1, имеющего устойчивый полуконфокальный резонатор с расстоянием между крайними зеркалами L, поворотного зеркала 2, плоского 3 и сферического 4 зеркал, по которым проходит лазерный луч 5. Обработка детали проводится на технологическом посту 6.

Ближний к фокусу сферического зеркала край плоского зеркала находится на расстоянии t от фокуса; сферическое зеркало находится на расстоянии от лазера: Z l₁ + l₂ + l₃, где l₁ расстояние от резонатора лазера до поворотного зеркала; l₂ расстояние от поворотного до плоского зеркала; l₃ расстояние от плоского зеркала до сферического. Отражающая поверхность плоского зеркала и главная плоскость сферического зеркала параллельны.

Установка работает следующим образом. Лазерный луч 5 из лазера 1 с помощью поворотного зеркала 2 направляется на плоское зеркало 3 и отражается от последнего на сферическое зеркало 4, которое фокусирует луч на деталь. Во время обработки закрепленная на технологическом посту 6 деталь может перемещаться в двух взаимно перпендикулярных горизонтальных направлениях (Х и Y).

При обработке неплоских деталей осуществляется совместное перемещение плоского и сферических зеркал (для поддержания постоянства положения фокуса относительно обрабатываемой поверхности). Вследствие того, что отражающая поверхность плоского зеркала и главная плоскость сферического зеркала параллельны, ось лазерного луча на участке от поворотного до плоского зеркала параллельна оси сфокусированного сферическим зеркалом луча. Поэтому совместные вертикальные перемещения плоского и сферического зеркал для поддержания постоянства положения фокуса относительно обрабатываемой поверхности не нарушают условия фокусировки и не приводят к потерям мощности лазерного излучения, как в прототипе, за счет чего достигаются стабильность качества и производительности лазерной обработки изделий с неплоской поверхностью.

Представленная формула получена следующим образом. Известно, что полный размер фокального пятна определяется суммой двух составляющих: составляющей d_w, обусловленной расходимостью лазерного луча и составляющей d_a, обусловленной аберрациями фокусирующей системы.

При этом d_w F где F фокусное расстояние системы; расходимость лазерного луча, а d_aD³/F², где D диаметр лазерного луча.

В настоящее время в промышленных технологических лазерных установках применяются в основном лазеры с устойчивыми резонаторами, причем в процессе обработки расстояние Z между лазером и сферическим зеркалом может изменяться. В этом случае в формуле для расчета d_a нужно учесть зависимость D от Z.

Представленная формула получена для лазера с полуконфокальным резонатором (выходное полупрозрачное зеркало плоское, а фокус глухого сферического зеркала лежит на выходном зеркале).

Полный угол расходимости луча такого лазера равен:
0,116(L)^-0,5 Диаметр луча на расстоянии Z от лазера:
D 0,365L1 + где L длина резонатора лазера.

Член (I-C) в формуле (1) учитывает величину угла наклона сферического зеркала к оси падающего на него лазерного луча и следовательно, ответственен за величину аберраций астигматизма, которая является преобладающей при фокусировке наклонных лучей и пропорциональны квадрату угла наклона луча к оси зеркала.

Окончательная формула получена подстановкой указанных выражений в известные соотношения для вычисления оптимальных параметров фокусирующих систем и соответствующими преобразованиями и упрощениями.

Формула изобретения

ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая лазер с устойчивым полуконфокальным резонатором, поворотное зеркало, плоское и сферическое фокусирующие зеркала, технологический пост для крепления обрабатываемой детали, отличающаяся тем, что отражающая поверхность плоского зеркала выполнена параллельной главной плоскости сферического зеркала, причем последнее выполнено с радиусом кривизны поверхности

где Z расстояние от лазера до сферического зеркала, мм;
L длина резонатора лазера, мм;
C отношение удвоенного расстояния между ближним к фокусу краем плоского зеркала и фокусом к радиусу кривизны R сферического зеркала.

РИСУНКИ

Рисунок 1