CZ2001216A3

CZ2001216A3 - Zařízení a způsob pro vytváření zlepšeného laserového paprsku

Info

Publication number: CZ2001216A3
Application number: CZ2001216A
Authority: CZ
Inventors: John A. Hopkins; Frederick A. Schwartz; Maryhelen Mccay; Thurman Dwayne Mccay; Narendra B. Dahotre; John Brice Bible
Original assignee: The University Of Tennessee Research Corporation
Priority date: 1998-07-31
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2001-08-15
Also published as: CN1311870A; KR20010072161A; EP1101140A1; WO2000007054A9; CA2338422A1; BR9912667A; CN1149418C; IL140883A; WO2000007054A1; IL140883A0; US6016227A; AU4867599A; JP2002521833A

Description

Zařízeni a způsob pro vytvářeni zlepšeného laserového paprsku

Oblast techniky

Vynález se týká zlepšeného laserového paprsku pro zpracování povrchu materiálu a zařízení pro vytváření takového laserového paprsku. Zlepšený laserový paprsek podle vynálezu má takovou distribuci výkonu, že intenzita v okrajových oblastech paprsku je větší než ve středové oblasti. Vynález zahrnuje zařízení, které tvoří optické prvky 10 sestavené tak, aby zaostřovaly a/nebo tvarovaly laserový paprsek do nového tvaru vhodného pro zpracování povrchu materiálu. Laserový paprsek a zařízení podle vynálezu jsou vhodné pro způsoby laserových povrchových úprav (Laser Induced Surface Improvements) , které budou dále označovány 15 jen zkratkou LISÍ.

Dosavadní stav techniky

Laserové paprsky se používají pro ošetření a/nebo zpracování například kovových dílů. Dosud známá zařízení, v 20 nichž se využívá laserových paprsků ke zpracování materiálů, se skládají ze systému generování paprsku a _f pohybového systému pro pohyb dílu vzhledem k paprsku. Zpracovací účinek, který má laserový paprsek na díl, je funkcí mnoha proměnných, mezi něž patří i distribuce výkonu a tvar paprsku. Obvykle se 25 vyžaduje rovnoměrné zpracování povrchu dílu.

Jedna skupina dosud známých zařízení má Gaussovu nebo normální distribuci výkonu a povrchy zpracované takovými zařízeními tudíž vykazují značné nerovnoměrnosti. Podrobnosti 30 lze nalézt například v článku Jones a kol.: Laser-beam Analysis Pinpoints Critical Parameters (Stanovení kritických parametrů analýzou laserového paprsku), Laser Focus World, leden 1993. Další druh známých laserových paprsků má v příčném průřezu paprskem vyrovnanou nebo stejnoměrnou

distribuci výkonu. Takový paprsek je popsán například v U.S. patentu 5,124,993. Vnější hranice oblasti ozařované laserovým paprskem se stejnoměrnou distribucí výkonu však stejně pohlcují méně energie, protože sousedí s chladnějšími, 5 neozařovanými oblastmi, do kterých se hodně tepla odvádí.

Nestejnoměrnost zpracování vede k vadám a »

nepravidelnostem na povrchu zpracovávaného dílu a nestejnoměrné hloubce laserovým paprskem ovlivněného 10 materiálu pod povrchem dílu. Dosavadní laserové paprsky mají převážně kruhový průřez. Výkonová hustota kruhových paprsků je největší uprostřed, takže maximální pohlcování energie zpracovávaným materiálem lze očekávat ve středu paprsku. Typická distribuce výkonu dosud používaných paprsků je na 15 Obr. 1A.

V LISÍ procesech, v nichž je bod A ozařován dle obr. 1, platí, že množství pohlcené energie v bodě A je úměrné součinu výkonu v bodě A a doby ozařování bodu A, t j .

ED_A« P_A x T. Pokud je distribuce výkonu prostorově nestejnoměrná, je příslušně nestejnoměrná i distribuce pohlcené energie.

Dalším nedostatkem normální distribuce výkonu dosud známých laserových paprsků je pokles výkonové hustoty a odpovídajícího pohlcování energie s rostoucí vzdáleností od středu paprsku. Díly zpracované dosud známými paprsky proto vykazují nadměrné zpracování v oblastech ozářených středem paprsku a jsou zpracovány nedostatečně v oblastech, kam paprsek zasahoval jen svými okraji. Hloubka zpracování je úměrná distribuci výkonu. Zpracovaná oblast se nazývá natavená oblast (melt region). Typický tvar natavené oblasti pro dosavadní paprsky s Gaussovou distribucí je ukázán na obr. 1B. Průběh teplot v jednotlivých bodech A, B a • ·

C natavené oblasti dle obr.

distribuci výkonu dle obr. 1A je • · · · · · · ·· ·· US-q*77f)V

IB zpracované na obr. 1C.

paprskem s

V současných způsobech paprsky překrývají. Zmenšuje zpracování zejména v okrajových pro použití LISÍ technologií bývá obvykle tvrdosti a odolnosti proti korozi. Tyto vlastnosti závisí zejména hladkosti a homogenitě složení povrchové vrstvy zpracovaného dílu. Překrývaní paprsků podle dosud používaných způsobů však vede k. nežádoucím ve zpracované hloubce, složení a profilu paprskem se nestejnoměrnost Hlavními důvody dosažení větší zpracování dílů překrýváj í.

laserovým se tím oblastech.

používaných nestejnoměrnostem povrchu.

V některých LISÍ procesech se na díl, který se má ozařovat, nejprve umístí přídavný materiál. Nízká výkonová hustota ve vnějších oblastech kruhového paprsku může způsobit roztavení a odstranění přídavného materiálu ještě předtím, než se spojí s podkladem. Výsledkem je vznik nezpracovaných 20 ozářených oblastí.

Účinnost zpracovacích systémů pracujících s laserovými paprsky závisí na mnoha proměnných, jako jsou mimo jiné například tvar paprsku, jeho velikost a distribuce výkonu.

Dosavadní laserová zařízení trpí zejména malou rychlostí zpracování dílů, která je dána zejména malou plochou paprsku, nestejnoměrnou distribucí výkonu a kruhovým tvarem paprsku.

Vynález nabízí oproti dosud známým zařízením několik 30 výhod: a) zlepšenou distribuci výkonu; b) zvýšenou, kvalitu zpracovaného povrchu; c) zvýšenou rychlost zpracováváni. Výhod se dosáhne použitím zařízení pro tvarování a zaměřování paprsku, které dává zlepšený laserový paprsek s novou distribucí výkonu, jehož intenzita je v okrajových částech 35 větší než v oblastech středových. Zvýšené kvality povrchu se

dosáhne přímo distribucí výkonu podle vynálezu. Zvýšení zpracovací rychlosti je důsledkem větší, nekruhové plochy paprsku a stejnoměrnosti distribuce výkonu.

Podstata vynálezu

Vynálezem je zlepšený laserový paprsek pro povrchové zpracování materiálu a zařízení pro generování zlepšeného laserového paprsku.

Laserový paprsek má distribuci výkonu, jehož intenzita je v podstatě stálá ve středové oblasti, zvýšená ve vnějších oblastech a která se prudce (skokově) snižuje v koncových oblastech. Termín v podstatě stálá ve středové oblasti ve smyslu použitém v této přihlášce znamená, že maximální odchylka intenzity ve středové oblasti je menší než 7.5% maximální úrovně intenzity ve středové oblasti.

Křivka distribuce výkonu podle vynálezu připomíná netopýří hlavu a proto se na ni dále odkazuje jako na netopýří (bat ears) distribuci. Poměr špičkové intenzity nebo velikosti výkonu ve vnějších oblastech k průměrné intenzitě nebo velikosti výkonu ve středové oblasti je větší nebo roven 1.2.

V podstatě stálá intenzita ve středové oblasti zajišťuje v podstatě stejnoměrné pohlcování energie a zpracování -materiá-l-u—ve středové oblasti. Zvýšená intenzita paprsků ve vnějších oblastech kompenzují zvýšený odvod tepla do nezpracovávaných (tj. chladnějších) oblastí.

Vynález se může použít pro LISÍ zpracování dílů s takovým objemem, kdy oblasti dílu mimo oblast ozařování pracuj i jakc velká tepelná jímka. Tepelné vlastnosti

I

•.JTS-nAlpo.

(teplotní vodivost) materiálu tepelné toky mezi ozařovanými a dílu poté způsobuji značné neozařovanými oblastmi.

V podstatě skokový pokles v koncových oblastech umožňuje řízené oblasti o šířce přibližně rovné šířce je výhodná zejména v zpracovává laserovým paprskem pásech. Díky poměrně přesně možné minimalizovat překrytí zpracování a zmenší nestejnoměrnost ozáření na hranicích pásů vzhledem k jejich středům.

distribuci výkonu v zpracování materiálu v paprsku. Tato vlastnost kdy se materiál dílu postupech, v dotýkajících se rovnoběžných ohraničené hranici ozařování je pásů, čímž se zvýší rychlost

Zařízení podle vynálezu je kombinaci optických prvků pro generování laserového paprsku podle vynálezu. Kombinace optických prvků se prvního válcového optického prvku.

podle vynálezu.

skládá z kolimačního optického prvku, optického prvku a druhého válcového

Zařízení tvoří optické prvky získaly popsané vlastnosti paprsku, odpovídající zaměřování kolimovaného nekolimovaného vstupního laserového tak, aby zabíralo minimálně zařízení je proměnná tak, nebo požadovaným výkonovým uspořádat vzdálenost stáváj icim uspořádané tak, aby se Zařízení umožňuje (rovnoběžného) nebo paprsku a může se místa. Ohnisková aby bylo možné vyhovět parametrům.

Protože zařízení podle vynálezu odlišných od podmínek pro lze množství nazpět poškození přiváděného po měrných výkonů nebo pasivním chlazením optických podmínek paprsek, pravděpodobnost následného laserového paprsku dosaženi vysokých zkonstruovat s aktivním se bude provozovat za odpovídající kruhový odražené energie a minimalizovat použitím optickém vlákně. Pro se zařízení může prvků.

• ·

Součástí zařízení může být i systém dodávky plynu, který podporuje vlastní zpracování paprskem, chladí zařízení a chrání optické prvky před možným znečištěním.

Zařízení se může vyrobit bezpečnosti by z libovolného materiálu, kvůli laserové však stěny zařízení měly být neprůhledné.

Vnitřní i vnější stěny se mohou opatřit povlakem pro pohlcováni vedlejších odražených paprsků. Optika se může před znečištěním chránit skleněným krytem, který nemění účinnost zařízení. Zařízení lze navrhnout tak, aby se spíše uvolnilo z uložení, než aby se samo poškodilo.

Přehled obrázků

Na obr. 1A je Gaussova (normální) distribuce výkonu 15 dosavadních paprsků;

Na obr. 1B je typický vzhled natavené oblasti dosavadního paprsku dle obr. 1A;

Na obr. 1C je typická závislost teploty na čase na dílu zpracovaném dosavadním paprskem příslušná natavenému profilu dle obr. 1B a distribuci výkonu dle obr. 1A;

Na obr. 2A je distribuce výkonu laserového paprsku podle 25 vynálezu v příčném směru;

. . obr.' 2B je distribuce výkonu laserového paprsku podle vynálezu v podélném směru;

Na obr. 2C je půdorys průřezu laserovým paprskem podle vynálezu;

Na obr. 3 je bokorys provedení zařízení podle vynálezu;

···· • · ··· · · · · · ·

-..••..US-^íd.77pt_k

Na obr. 4 je půdorys provedeni zařízeni podle vynálezu;

Na obr. 5 je izometrický pohled na provedení zařízeni podle vynálezu.

Příklady provedeni vynalezu

V přednostním provedení má laserový paprsek podle vynálezu v příčném řezu 20 šířkový rozměr 22 a délkový rozměr 24 (viz obr. 2C) . V přednostním provedení je šířka paprsku nejméně osmkrát větší než délka. Poměr šířky a délky měřené v místě poloviny maximální intenzity se dále v této přihlášce nazývá poměr stran.

Jak je ukázáno na obr. 2A, laserový paprsek dle vynálezu 15 má v příčném směru distribuci výkonu, která je ve středové oblasti 10 v podstatě konstantní, ve vnějších oblastech 12 se zvyšuje a v podstatě skokově klesá v koncových oblastech 14. Poměr intenzity nebo velikosti výkonu ve vnějších částech k intenzitě nebo velikosti výkonu ve středové oblasti je větší 20 než nebo roven 1.2. V dalším popisu se tento poměr nazývá poměr vnější intenzity k střední intenzitě.

V přednostním provedení zobrazeném na obr. 2A sahá středová oblast po nejméně 50% šířky, paprsku.. V dalším přednostním provedení sahá středová oblast po 60-75% šířky paprsku.

V přednostním provedení je distribuce výkonu v podélném směru v podstatě konstantní (viz obr. 2B). Velikost délky je s výhodou menší než 1 mm.

V přednostním provedení se může laserový paprsek podle vynálezu pohybovat podle potřeby ve směru rovnoběžném s délkovým rozměrem paprsku.

··· · · · ♦ · · · ···· · · · · · · ·* · · · · · · · · · • »····· · · · .... .. ·· ·· US-*l*77pt?

Zařízení podle vynálezu slouží k tvarování laserového paprsku, který vychází ze zdroje, tak, aby jeho poměr vnější intenzity k střední intenzitě byl větší než nebo rovný 1.2.

Zařízení podle vynálezu je zobrazeno na obr. 3 a 4. Zařízení zahrnuje kolimační optický prvek 32, který kolimuje (usměrňuje do přesně rovnoběžného uspořádání) laserový paprsek emitovaný ze zdroje. První válcový optický prvek 34 má první zakřivený vnější povrch 33. Kolimovaný laserový 10 paprsek putuje z kolimačniho optického prvku 32 do prvního válcového optického prvku 34, který je od kolimačniho optického prvku 32 vzdálen o 0.1 mm až 5 m. Na obr. 3 je tato vzdálenost naznačena písmenem D.

Další součástí zařízení podle vynálezu je druhý válcový optický prvek 36, který má druhý zakřivený vnější povrch 35, který je oproti prvnímu zakřivenému povrchu pootočen o 89.5 až 90.5 stupně. Laserový paprsek putuje z prvního válcového optického prvku 34 do druhého válcového optického prvku 36. V 20 přednostním provedení jsou první a druhý zakřivený povrch 33 a 35 otočeny směrem k sobě.

Jak je naznačeno na obr. 3 a 4, zahrnuje přednostní provedení vynálezu také bikonkávní (dvouvydutou) čočku 30, 25 která se nachází mezi zdrojem laserového paprsku a kolimačním optickým prostředkem. Čočka 30 rozbíhající se paprsek dále rozšiřuje.

V dalším přednostním provedení vynález zahrnuje také 30 laserový zdroj 71, který emituje paprsek koherentního světla s vlnovou délkou 1.06 μιη, a optické vlákno 72 o průměru 600 μπι, ze kterého paprsek vystupuje (viz obr. 5) . V přednostním provedení se laserový paprsek rozbíhá (diverguje) pod úhlem 4.4 stupně. V takovém přednostním provedení se čočka může vyrobit z taveného křemičitého skla a opatřit antireflexním

9-42

povlakem, který bude vhodný pro použiti s normálním dopadajícím zářením s vlnovou délkou 1.06 pm.

V dalším přednostním provedení má bikonkávní čočka ohniskovou vzdálenost 75 mm a leží 98 mm od bodového zdroje laserového paprsku. Kolimační optický prvek je sférický optický prvek s ohniskovou vzdáleností 100 mm a leží 41.3 mm za bikonkávní čočkou.

V přednostním provedení je prvním válcovým optickým prvkem válcová čočka s ohniskovou vzdáleností 200 mm, která leží 22 mm za kolimačním optickým prvkem. V přednostním provedení je druhým válcovým optickým prvkem válcová čočka s ohniskovou vzdáleností 152.4 mm, která leží 5 mm od prvního válcového optického prvku. Druhý válcový optický prvek je vzhledem k prvnímu válcovému optickému prvku otočen podél osy dráhy paprsku o 90 stupňů. Zakřivený povrch druhého válcového optického prvku směřuje k prvnímu válcovému optickému prvku (viz obr. 5). V přednostním provedení leží ohnisková rovina

7 3, ve které se dosahuje požadovaného průběhu, distribuce energie, 167.2 mm od druhého válcového optického prvku.

Výše uvedený popis vynálezu je pouze ilustrativní a příkladný. Popsaná provedení lze realizovat s mnohými změnami v tvaru, velikosti, použitých materiálech, apod., všechny takové změny je nutno posuzovat v duchu připojených patentových nároků.

0/-7·/6 ·· · · · · · · ·

US-477po

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY (UPRAVENÉ)

1. Laserový paprsek, zahrnující středovou oblast a dvě kdy každá z vnějších distribuci výkonu, středové oblasti a vnější oblasti, hranu, mající konstantní ve oblastech a která klesá na vnějších oblastí zahrnuje vnější jenž je zvýšená hranách, v podstatě ve vnějších takže poměr špičkové vnější intenzity ku průměrné středové intenzitě paprsku je větší než nebo roven 1,2.
2. Laserový paprsek podle nároku 1, vyznačující se tím, že příčný řez paprskem má šířkový rozměr a délkový rozměr.

15
3. Laserový paprsek podle nároku 2, vyznačující se tím, že středová oblast sahá po nejméně 50% šířky paprsku.
4. Laserový paprsek podle nároku 3, vyznačující se tím, že středová oblast sahá po 60-75% šířky paprsku.
5. Laserový paprsek podle nároku 2, vyznačující se tím, že má poměr šířky ku délce větší než nebo rovný 8.
6. Laserový paprsek podle nároku 2, vyznačující se tím, že 25 yelikost délkového rozměru je menší než 1 mm.
7_ L_aserový paprsek, s obdélníkovým příčným průřezem s šířkovým rozměrem a délkovým rozměrem,kdy šířka je nejméně osminásobkem velikosti délkového rozměru,přičemž paprsek má 30 dále distribuci výkonu v šířkovém rozměru, distribuce výkonu zahrnuje středovou oblast a vnější oblasti, zahrnující vnější hrany,přičemž distribuce výkonu je v podstatě konstantní ve středové oblasti a zvýšená ve vnějších oblastech a klesající na vnějších hranách šířkového rozměru.
8. Laserový paprsek podle nároku 7, vyznačující se tím, že středová oblast sahá po nejméně 50% šířky paprsku.
9. Laserový paprsek podle nároku 7, vyznačující se tím, že

5 poměr špičkové vnější intenzity ku průměrné středové intenzitě paprsku v šířkovém rozměru je větší než nebo roven 1,2.
10. Zařízení pro tvarování laserového paprsku, emitovaného 10 ze zdroje laserového paprsku, aby poměr špičkové vnější intenzity ku průměrné středové intenzitě paprsku byl větší než nebo roven 1,2, vyznačující se tím, že zahrnuje:

a) kolimační optický prvek, umístěný tak, aby kolimoval laserový paprsek, emitovaný ze zdroje - optického

15 vlákna;

b) první válcový optický prvek, který má první zakřivený vnější povrch, první válcový optický prvek, je umístěný tak, aby do něho vstupoval kolimovaný laserový paprsek z kolimačního optického prvku, kde první válcový optický

20 je od prvek kolimačního optického prvku vzdálen o 0,1 až

5000,0 milimetrů;

c) druhý válcový optický prvek, který má druhý zakřivený vnější povrch, který je vzhledem k prvnímu zakřivenému povrchu pootočen, o 89,5 až 90,5 stupně, druhý válcový

25 optický prvek je umístěný 5 milimetrů od prvního válcového optického prvku; a d) bikonkávní čočku, která leží mezi zdrojem laserového paprsku a kolimačním optickým prvkem tak, aby na kolimační optický prvek předávala více se rozbíhající 30 laserový paprsek.
11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že kolimačním optickým prvkem je kolimační čočka.

r • · ♦ · ·« ·· · * · · • · · »· ·' «··· * 15 • ··· Φ · 9 9 « · ··#· ·· ·· ·· ·· ·· US-477po
12. Zařízeni podle nároku 10, vyznačující se tím, že prvním a druhým válcovým optickým prvkem jsou válcové čočky.

13. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že 5 ohnisková vzdálenost prvního válcového optického prvku je 200 milimetrů.

14. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že ohnisková vzdálenost druhého válcového optického prvku je

10 152,4 milimetrů.
15. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že první a druhý zakřivený povrch jsou otočeny směrem k sobě.