Способ лазерной обработки

. : -йяугЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ нинститу автом в, В.ВТ тва" вложение лазерног ец (отношение эн А- энергоимпульса в обрагии, идущей наэнергии лазерноА, - максиние в режиме об агрев образца,о импульса); ец отиг. 3 оже ерх эне аль зования прип ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ(57) Изобретение относится к терческой обработке металлов лазернымлучом и может быть также использно при конструировании технологич 4Изобретение 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 подде жанне 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 образ интенсивности излучения; на ф зависимость вреких 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 режиме образования приповерхностной плазмы. Реализация данного способа не сводится к стабилизации мощности лазерных импульсов, а предполагает поддержание постоянной величины плотнос- сйе ти потока мощности на поверхности образца в зависимости от измеряемого времени релаксации плазмы. 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:ностной плазмы (зависит от конкретного материала образца);1 - падающая на образец плотностьпотока мощности лазерного излучения,(интенсивность);1- пороговая плотность потокамощности лазерного излучения, при ко"торой у поверхности образца возникает плазма пробоя (зависит от конкретного материала образца);1 оп - плотность потока мощностилазерного излучения, соответствующаямаксимальному энерговложению в режиме образования приповерхностной плазмы (зависит от конкретного материалаобразца);Т - перно следования лазерныхимпульсов;7 - длительность лазерных импульсов;7 Р - время релаксации плазмы;", - оптимальное время релаксацииплазмы, соответствующее максимальному энерговложению в образец в режиме 25образования приповерхностной плазмы(зависит от конкретного материалаобразца);Тсвч - период следования СВЧ-импульсов. 30Устройство, в котором для измерения времени релаксации плазмы используют СВЧ-радиоимпульсы (фиг, 1), содержит электроразрядный СО-лазер 1,работающий в импульсно-периодичес 35ком режиме с оптической системой исистемой накачки, облучаемый лазерными импульсами образец 2, СВЧ-генератор 3 с излучателем, приемник 4СБЧ-излучения с антеннои, блок 5 уп"равления,Длительность в период следованиялазерных импульсов = 2,5 мкс, Т л =2,5 мкс.Оптическая система лазера 1 съюстирована так, чтобы лазерные импульсы облучали обрабатываемый участокповерхности образца с плотностьюпотока мощности на поверхности 1 ,=1,2 10" Вт/см, соответствующеймаксимальному 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 импульсовможет быть использован измерительныйгенератор Г 4-115, 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 инициируютплазму пробоя в непосредственнойблизости от места обработки образца 2, Плазму непрерывно облучаютСВЧ-радиоимпульсами (фиг. 5) генератора 3 с периодом следования значительно меньшим, чем время релаксацииплазмы, например Т ц = 10 мкс(фиг. 3) .Несущую частоту СВЧ-радиоимпульсов выбирают из следующих соображений.Известно, что электромагнитноеизлучение эффективно отражается отплазмы если его частота удовлетворяет условию Я ( Г , где Г - критическая (ленгмюровская) частотаплазмы.Для получения устойчивого отражения от плазмы несущая частота СВЧ-радиоимпульсов, должна удовлетворятьусловию Г ) с/й, где .й - диаметрплазмообразования, с - скорость света. Этим условиям удовлетворяет, например, Г = 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 заданноголчисла, соответствующего оптимальному времени релаксации плазмы. Таким образом, результат вычитания содержит величину и знак отклонения плотности потока мощности лазерного излучения от оптимального значения (1 О = 1,210 Вт/см), обеспечивающего максимальное энерговложение (А ,= 40 Ж). Этот результат подается к управляющему входу элемента регулировки выходного напряжения источника питания системы накачки лазера 1.5 1468Если время релаксации оказывается больше оптимального ( р = 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 20 стемы накачки лазера 1. При этом возрастает выходная мощность лазера 1 лазерного излучения на обрабатываемой 25 30 сумматор 9 (например, на ИС К 555 ИМб). 50 чения на обрабатываемой поверхности. В свою очередь в соответствии с зависимостью, приведенной на фиг. 2,возрастает величина энерговложения,приближаясь к своему максимальномузначению. Если же время релаксацииоказывается меньше оптимального (- 170 мкс), то под действием управляющего сигнала увеличивается выходное напряжение источника питания си(последующего лазерного импульса), азначит, 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 К 554 САЗ), синхронныйи реверсивный 8 счетчики (например, на ИС К 555 ИЕ 7),логический элемент И 10 (напримерна ИС К 555 ЛИ 1), цифроаналоговый преобразователь 11 (например, на ИСК 572 ПА 1), буфер 12 (операционныйусилитель 140 УД 6), устройство выборки и хранения (УВХ) 13 (например,ИС КР 1100 СК 2), первый 14, второй 15и третий 16 одновибраторы (например,на ИС .К 155 АГ 1) и инвертор 17 (например, на ИС К 155 ЛАЗ),Вход компаратора 6 является входом блока 5 управления. Выход компаратора 6 подключен к счетному входусчетчика 7 и через последовательновключенные первый 14, второй 15 итретий 16 одновибраторы к его входуустановки в "0". 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 установкиопорного напряжения. Выход ЦАП 11через УВХ 13 соединен с буфером 12,35 40 45 701 6выход 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 стар. 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 состоянии. Оцновибратор 14 настроен так, что время его возбужденного состояния равно максимально возможной длительности пачек импульсов.Время возбужденного состояния од" новибраторов 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. ого реверсивным 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 одно- вибратор 14 переходит в исходное со". стояние и возбуждаст второй одновибратор 15. Последний запускает УВХ 13, который фиксирует выходной сигнал ЦАП 11Затем второй одновибратор 15 переходит в исходное состояние и запускает третий одновибратор 16. По-. следний обнуляет синхронный счетчик 7, переходит в исходное состояние и, тем самым переводит в исходное состояние весь блок 5 управленияПри этом на выходе блока 5 Фиксируется аналоговый сигнал, величина и знак которого определяются разницей между 1 заданным числом и полным количест+ вом импульсов в данной пачке. Этот аналоговый сигнал от блока 5 управления подается на управляющий вход элемента регулировки выходного напряже 5 ния источника питания системы накачки лазера 1.Действие устройства, реализующего способ, не сводится лишь к стабилизации мощности лазерных импульсов. 1 О 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 ти в процессе обработки.Способ позволяет стабилизировать плотность потока мощности лазерного излучения на поверхности образца, а не выходную мощность лазерных им пульсов.Использование способа при термической обработке металлов лазерным лучом позволяет обеспечить поддержание повышенного энерговложения в об 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 энерговложение 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 резуль- тату с учетом. знака либо увеличивают, либо уменьшают мощность последующего лазерного импульса.1468701 г.7 Коррек Черни Подписное ственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 Про Составитель А. АбросимовРедактор Л. Веселовская Техред Л.Сердюкова Заказ 1300/14 Тираж 892ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и113035, Москва, Ж, Раушская наб крытиям при ГКНТ СССд. 4/5