Способ лазерной обработки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 жиме образования приповерхностной плазмы . Реализация данного способа не сводится к стабилизации мощности лазерных импульсов, а предполагает поддержание постоянной величины плотноети потока мощности на поверхности образца в зависимости от измеряемого времени релаксации плазмы. 7 ило (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4189626/31-02 (22) 02. 02.87 (46) 30.03.89. Бюл. Ф 12 (71) Московский институт радиотехни- . ки, электроники и автоматики (72) И,П, Башкатов, В.В. Крутов и Е.Г. Точинский (53) 621.791.72(088.8) (56) Андрияхин В.M. и Чеканова Н.Т.

Поверхность. » Физика, химия, механика. 1983, У 2, с. 145.

Арузов М.И. и др. Квантовая электроника, 6, В 3, 466/1979/.

J. of Applied Physics, 1976, v. 47, У 7, р. 2966-2968. (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ (57) Изобретение относится к термической обработке металлов лазерным лучом и может быть также использовано при конструировании технологичес!

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 вре„„ЯЦ„„1468701 цц4 В 23 К 26/00 С 21 D !1/00 ких лазеров. Цель — поддержание повышенного энерговложения в образец в условиях изменения в процессе обработки плотности потока мощности лазерного излучения на обрабатываемой по» верхности. Суть предлагаемого технического решения заключается в поддержании плотности потока мощности лазерных импульсов на поверхности образца на уровне, соответствующем максимальному энерговложению в режиме образования приповерхностной плазмы. Реализация данного способа не сводится к стабилизации мощности лазерных импульсов, а предполагает поддержание постоянной величины плотнос- с е ти потока мощности на поверхности образца в зависимости от измеряемого времени релаксации плазмы.

7 ил. мени 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 пробоя; на фиг. 7 — функциональная схема блока управления.

На фиг. 2-6 принять следующие обозначения:

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

А„о„ вЂ” максимальное энерговложение в режиме образования приповерх14б8701 ностной плазмы (занисит от конкрет. ного материала образца);

I — падающая на образец плотность потока мощности лазерного излучения ,(интенсивность);

I „ — пороговая плотность потока мощности лазерного излучения, при которой у поверхности образца возникает плазма пробоя (зависит от конкрет- 10 ного материала образца);

Х<, — плотность потока мощности лазерного излучения, соответствующая максимальному энерговложению в режиме образования приповерхностной плаз- 15 мы (зависит от конкретного материала образца);

Т вЂ” период следования лазерных импульсон, 7„ - длительность лазерных им- 20 пульсон у

i — время релаксации плазмы;

" „ — оптимальное время релаксации плазмы, соответствующее максимальному энерговложению в образец в режиме 25 образования приповерхностной плазмы (зависит от конкретного материала образца);

Т „, — период следонания СВЧ-импульсон. 30

Устройство, в котором для измерения времени релаксации плазмы используют СВЧ-радиоимпульсы (фиг. 1), содержит электроразрядный СО-лазер 1, работающий в импульсно-периодичес35 ком режиме с оптической системой и системой накачки, облучаемый лазерными импульсами образец 2, СВЧ-генератор 3 с излучателем, приемник 4

СВЧ-излучения с антеннои, блок 5 управления.

Длительность в период следования лазерных импульсов „= 2,5 мкс, Т л =

2,5 мкс.

Оптическая система лазера 1 съюстирована так, чтобы лазерные импульсы облучали обрабатываемый участок поверхности образца с плотностью потока мощности на поверхности 1<,„,=

1,2 10" Вт/см, соответствующей максимальному энерговложению А

= 40 (фиг, 2). Излучатель СВЧ-генератора 3 и антенна приемника 4 направлены на область пространства, прилегающую к облучаемому участку ,поверхности образца, Выход приемника 4 соединен с блоком 5 управления, выход которого, в свою очередь, со" единен с системой накачки лазера 1.

В качестве генератора СВЧ импульсов может быть использован измерительный генератор Г4-115, в качестве прием" ника СВЧ-сигнала — детекторная головка СВЧ с рупорной антенной.

Устройство работает следующим образом.

Мощные импульсы лазера 1 (фиг.4) облучают поверхность и инициируют плазму пробоя в непосредственной близости от места обработки образца 2. Плазму непрерывно облучают

СВЧ-радиоимпульсами (фиг. 5) генератора 3 с периодом следования значительно меньшим, чем время релаксации плазмы, например Т ц„ = 10 мкс (фиг. 3) .

Несущую частоту СВЧ-радиоимпульсов выбирают из следующих соображений.

Известно, что электромагнитное излучение эффективно отражается от плазмы,, если его частота удовлетворяет условию f 1 „> где f„ — критическая (ленгмюровская) частота плазмы.

Для получения устойчивого отраже/ ния от плазмы несущая частота СВЧ-ра« диоимпульсов, должна удовлетворять условию Е ) с/d где d - диаметр плазмообразования, с — скорость света. Этим условиям удовлетворяет, например, 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 от соответствующего лазерного импульса. Пачки этих импульсов поступают на блок 5 управления. Здесь импульсы в пределах каждой пачки подсчитываются и сумма вычитается из заданного числа, соответствующего оптимальному времени релаксации плазмы. Таким образом, результат вычитания содержит величину и знак отклонения плотности потока мощности лазерного излучения от оптимального значения (I0<,, = 1,2 10 Вт/см ), обеспечивающего максимальное энерговложение (А „,= 40X). Этот результат подается к управляющему входу элемента регулировки выходного напряжения источника питания системы накачки лазера 1.

5 1468

Если время релаксации оказывается больше оптимального (ро = 170 мкс), . то под действием управляющего сигнала уменьшается выходное напряжение источника питания системы накачки лазера 1. При этом уменьшается выходная мощности лазера 1 (последующего лазерного импульса), а значит, и плотность потока мощности лазерного излу- 0

20 стемы накачки лазера 1. При этом возрастает выходная мощность лазера 1 лазерного излучения на обрабатываемой 25

30 сумматор 9 (например, на ИС К555 ИМб).

50 чения на обрабатываемой поверхности.

В свою очередь в соответствии с зависимостью, приведенной на фиг. 2, возрастает величина энерговложения, приближаясь к своему максимальному значению. Если же время релаксации оказывается меньше оптимального ( — 170 мкс), то под действием управляющего сигнала увеличивается выходное напряжение источника питания си(последующего лазерного импульса), а значит, и плотность потока мощности 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 ? и реверсивный 8 счетчики (например, на ИС К555 ИЕ7), логический элемент И 10 (напримерj на ИС К555ЛИ1), цифроаналоговый преобразователь 11 (например, на ИС

К572 ПА1), буфер 12 (операционный усилитель 140УД6), устройство выборки и хранения (УВХ) 13 (например, ИС КР1100СК2), первый 14, второй 15 и третий 16 одновибраторы (например, на ИС .К155АГ1) и инвертор 17 (например, на ИС К l55ЛАЗ).

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

701 6 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 состоянии синхронный счетчик 7 установки в состояние "0" р реверсивном счетчике 8 установлено заданное число, на выходе устройства выборки и хранения УВХ 13, а следовательно, и на выходе блока 5 управления присутствует аналоговый сигнал от предыдущего цикла работы, элемент

И 10 подключен одним из входов к старшему знаковому разряду сумматора 9, код которого в исходном состоянии есть i, поэтому на ЦАП 11 поступает положительное опорное напряжение, одновибраторы 14, 15 и 16 находятся в исходном состоянии. Оцновибратор

14 настроен так, что время его возбужденного состояния равно максимально возможной длительности пачек импульсов.

Время возбужденного состояния одновибраторов 15 и 16 короткое.

При поступлении очередной пачки синхронный счетчик 7 начинает считать импульсы, причем первый импульс возбуждает одновибратор 14. Результат суммирования синхронного счетчика 7 вычитается сумматором 9 из числа, фиксирован. 0го р-:-в:-рсивным счетчиком 8. При этом на выходе ЦАП 11 формируется аналоговый сигнал, соответствующий разнице между заданным числом и числом поступивших импульсов в пачке. Знак аналогового сигнала зависит от знака указанной разницы чисел.

По окончании поступления импульсов на вход блока 5 управления одновибратор 14 переходит в исходное со-. стояние и возбуждаст второй одновиб- . ратор 15. Последний запускает УВХ 13, который фиксирует выходной сигнал

ЦАП 11 ° Затем второй одновибратор 15 переходит в исходное состояние и saпускает третий одновибратор 16. По-. следний 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 между1 заданным числом и полным количест1468701

Фие.1 вом импульсов в данной пачке. Этот аналоговый сигнал от блока 5 управления подается на управляющий вход элемента регулировки выходного напряже5 ния источника питания системы накачки лазера 1.

Действие устройства, реализующего способ, не сводится лишь к стабилизации мощности лазерных импульсов. 1р

Действительно, в процессе обработки может меняться, например, ориентация образца, что приведет к изменению размеров пятна облучения, а следовательно, плотности потока мощности 15 лазерного излучения на поверхности и величины энерговложения. Существует и ряд других причин, приводящих к изменению плотности потока мощности лазерного излучения на поверхнос- 2р ти в процессе обработки.

Способ позволяет стабилизировать плотность потока мощности лазерного излучения на поверхности образца, а не выходную мощность лазерных им- 25 пульсов.

Использование способа при термической обработке металлов лазерным лучом позволяет обеспечить поддержание повышенного энерговложения в об- 30 разец в условиях возможных изменений в процессе обработки плотности потока мощности лазерного излучения на поверхности без нанесения специальных покрытий.

Применение изобретения позволяет по сравнению с прототипом (когда срыв в допороговый режим происходит непосредственно в начале обработки) сократить время обработки приблизительно в восемь раэ, соответственно, увеличить производительность труда.

Б случае интенсивной теплоотдачи облучаемого участка выигрыш еще более значителен.

Формула изобретения

Способ лазерной обработки, включающий облучение поверхности образца лазерными импульсами с плотностью потока мощности на поверхности, обеспечивающей максимальное э нерг овл оже« ние в режиме образования приповерхностной плазмы, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью поддержания повышенного энерговложения в образец в условиях изменения в процессе обработки плотности потока мощности лазерного излучения на обрабатываемой поверхности, дополнительно измеряют время релаксации плазмы, сравнивают

его с величиной, соответствующей максимальному энерговложению, вычисляют разность этих величин и по результату с учетом- знака либо увеличивают, либо уменьшают мощность последующего лазерного импульса. !

1468701

4Щ, 40

) у!

10 Ро

ИО

1468701

СЯй од

Составитель А. Абросимов

Редактор Л. Веселовская Техред Л.Сердюкова Корректор С, Черни

Заказ 1300/14 Тираж 892 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101