ES2954207T3 - Método de mecanizado por láser de una pieza de trabajo con un láser de monóxido de carbono - Google Patents

Método de mecanizado por láser de una pieza de trabajo con un láser de monóxido de carbono Download PDF

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Abstract

El aparato de mecanizado por láser incluye un láser de monóxido de carbono (CO) que emite un haz de radiación láser que tiene cuarenta y cuatro componentes de longitudes de onda diferentes y elementos ópticos para entregar la radiación a la pieza de trabajo. Se proporciona un modulador acústico-óptico para modular el haz sobre la pieza de trabajo. Se proporciona una placa birrefringente en el haz transportado a la pieza de trabajo para la radiación polarizante aleatoria que incide sobre la pieza de trabajo. Una distancia mínima de la pieza de trabajo al láser y el número de componentes de diferentes longitudes de onda en el rayo láser garantizan que no se requiera ningún aislador óptico para evitar la retroalimentación de la radiación hacia el láser. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método de mecanizado por láser de una pieza de trabajo con un láser de monóxido de carbono
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere en general a operaciones de mecanizado por láser. La invención se refiere en particular a un método de mecanizado por láser de una pieza de trabajo con un láser infrarrojo (IR) de monóxido de carbono.
Discusión de la técnica anterior
Los sistemas de mecanizado por láser IR se utilizan ampliamente en operaciones industriales de mecanizado por láser, tales como el corte de láminas metálicas. El término láser IR aquí se refiere a láseres que emiten radiación que tiene una longitud de onda de aproximadamente 3 micrómetros ( μm) o mayor.
Un láser IR particularmente preferido para tales operaciones de corte es un láser de dióxido de carbono (CO2) que emite radiación láser con una longitud de onda de aproximadamente 10 μm . Dichos láseres están disponibles comercialmente con una potencia de salida de hasta un kilovatio (kW) o más.
Un problema que se puede encontrar en las operaciones de corte de lámina metálica con láser de CO2 es la inestabilidad de la salida del láser provocada por la retroalimentación en el láser de la radiación láser reflejada desde un objeto que se está cortando. Esto es particularmente problemático en el corte de láminas de metal, ya que la mayoría de los metales tienen una reflectividad superior al 80 % en longitudes de onda de alrededor de 10 μm , incluso en superficies que no están muy pulidas.
Una solución habitual para este problema es proporcionar un aislador óptico en la trayectoria del haz entre el láser y la pieza de trabajo que se está cortando. Un aislador óptico es un dispositivo sensible a la polarización dispuesto para transmitir radiación a lo largo de la trayectoria del haz hacia la pieza de trabajo que se está cortando y reflejar la radiación que regresa a lo largo de la trayectoria del haz.
Los aisladores ópticos para radiación de longitud de onda más corta, por ejemplo, radiación que tiene una longitud de onda de aproximadamente 1 μm , son dispositivos relativamente simples, que típicamente emplean un cristal birrefringente magneto-óptico que coopera con un polarizador y un analizador de polarización. Se requiere una disposición alternativa para longitudes de onda superiores a aproximadamente 3 μm , ya que no existen materiales magneto-ópticos prácticos (rotadores de Faraday) que transmitan de manera eficiente estas longitudes de onda.
Los aisladores ópticos para estas longitudes de onda largas se fabrican a partir de una serie de reflectores de película fina multicapa que dependen de la polarización para la amplitud reflejada o la fase reflectante. Todos estos reflectores se utilizan con radiación incidente sobre ellos con una incidencia no normal. Aquellos con fase reflectante dependiente de la polarización cumplen la función de los rotadores de Faraday en aisladores de longitud de onda más corta.
Los reflectores deben estar revestidos con tolerancias muy precisas, ya que efectivamente no hay medios para ajustar las fases reflejadas en un ángulo de incidencia fijo.
Dicho aislador puede aumentar significativamente el costo de un sistema de mecanizado por láser IR. Esto se debe a la cantidad de componentes requeridos, el coste de cumplir con las tolerancias de fase y reflectividad requeridas para los componentes, y la precisión requerida para alinear los componentes. Existe la necesidad de reducir el coste del aislamiento óptico en los sistemas de mecanizado por láser IR.
La solicitud de patente estadounidense con número de publicación US2015/083698 describe un aparato para perforar un orificio de paso en una placa de circuito impreso (PCB). El aparato incluye un láser de monóxido de carbono que emite pulsos de radiación láser. Los pulsos tienen un rango de longitud de onda relativamente amplio y flancos ascendentes y descendentes lentos. Los flancos ascendentes y descendentes de los pulsos se recortan mediante un modulador acústico-óptico (AOM). Un compensador de dispersión compensa la dispersión en los pulsos recortados introducidos por el AOM. La óptica de enfoque acromático enfoca los pulsos recortados compensados por dispersión en la placa de circuito impreso para la perforación del orificio pasante.
La patente de EE.UU. No. US 6.052.216 divulga un sistema de modulación de intensidad de rayo láser que comprende un circuito de retardo variable que se utiliza para controlar el retardo relativo en la entrega de una señal de vídeo entre dos AOM en cascada. Este circuito de retardo está controlado por un controlador de retardo que monitorea la modulación de intensidad del rayo láser para proporcionar control de retroalimentación.
Sumario de la invención
La invención está definida por la reivindicación independiente a la que ahora se debe hacer referencia.
La invención se refiere a un método de mecanizado por láser de una pieza de trabajo, el método comprende: un láser de monóxido de carbono que genera un haz de radiación láser que tiene una pluralidad de componentes de longitud de onda en diferentes longitudes de onda discretas; y
un único modulador acústico-óptico, AOM, que tiene un modo no activado y un modo activado, en el que:
en el modo no activado, el único AOM que transmite el haz de radiación láser a lo largo de un orden de difracción cero a través del AOM a una trayectoria de haz a través de una pluralidad de elementos ópticos, para alcanzar y modificar la pieza de trabajo; y
en el modo activado, el único AOM que difracta menos del 100 % de la potencia del haz de radiación láser fuera de la trayectoria del haz, y el pequeño porcentaje transmitido en el orden de difracción cero se mantiene de modo que la potencia que llega a la pieza de trabajo sea lo suficientemente baja como para que no se produzca ninguna modificación de la pieza de trabajo.
Breve descripción de los dibujos
Los dibujos adjuntos, que se incorporan y constituyen parte de la memoria descriptiva, ilustran esquemáticamente una realización preferida de la presente invención y, junto con la descripción general dada anteriormente y la descripción detallada de la realización preferida dada a continuación, sirven para explicar los principios de la presente invención.
La Figura 1 ilustra esquemáticamente una realización preferida del aparato láser utilizado de acuerdo con la presente invención para mecanizar con láser una pieza de trabajo, que incluye un láser de monóxido de carbono (CO) que emite un haz de radiación que tiene una pluralidad de componentes de longitud de onda polarizados en el plano, elementos ópticos dispuestos para transportar el haz y enfocar el haz sobre la pieza de trabajo, un modulador acústico-óptico para permitir selectivamente que el haz alcance la pieza de trabajo o evitar eficazmente que el haz de radiación láser alcance la pieza de trabajo, y una placa birrefringente configurada y dispuesta para pseudo-ranura. Los componentes de la longitud de onda de la radiación que llega a la pieza de trabajo se polarizan de forma elíptica.
La Fig. 2 es un histograma que ilustra esquemáticamente un espectro de salida medido de un láser de CO adecuado para usar como el láser de CO de la Fig. 1.
La Fig. 3 ilustra esquemáticamente la acción de polarización elíptica aleatoria de la placa birrefringente de la Fig. 1.
Descripción detallada de la invención
Volviendo ahora a los dibujos, la Fig. 1 ilustra esquemáticamente una realización 10 preferida de un aparato de mecanizado por láser utilizado en un método de mecanizado por láser de una pieza de trabajo de acuerdo con la presente invención. El aparato 10 incluye un láser 12 de monóxido de carbono (CO). El láser 12 es energizado por una fuente 14 de alimentación de radiofrecuencia (RFPS). El láser está dispuesto para entregar un haz de radiación láser polarizado en un plano, colimado, delimitado por haces 16. El haz 16 puede ser un haz pulsado o un haz de onda continua (CW).
El haz 16 incide en un modulador 16 acústico-óptico (AOM). El AOM 18 se activa mediante potencia de radiofrecuencia (RF) de un RFPS 20, amplificado por un amplificador 22 de RF. La activación se controla encendiendo o apagando el RFPS 20 usando una señal de conmutación proporcionada por el usuario.
Cuando el AOM 18 no está activado (el RFPS 20 está apagado), el haz 16 se transmite directamente a través del AOM a lo largo de un orden de difracción cero del AOM. Cuando el AOM 16 está activado (el RFPS 20 está encendido), el haz 16 es difractado por el AOM, típicamente en un primer orden de difracción, en un ángulo con respecto al orden de difracción cero.
El haz de radiación láser de CO no es monocromático e incluye una pluralidad de componentes de diferentes longitudes de onda que se analizan con detalle más adelante. Debido a esto, el haz difractado ya no está colimado, siendo dispersado por la difracción, en un plano, en un abanico de rayos delimitados por los componentes de longitud de onda más corta y más larga As y Al, respectivamente. El haz difractado es capturado por un volcado de haz 23.
El haz transmitido a través de AOM se transmite a través de una placa 24 relativamente gruesa de un material birrefringente, como el fluoruro de magnesio (MgF2). Un propósito de la placa 24 es despolarizar el haz 16. Varias operaciones de mecanizado por láser son sensibles a la polarización. La placa 24 puede omitirse para operaciones que no son sensibles a la polarización. Una descripción detallada de la placa 24 se presenta más adelante.
Después de la transmisión a través de la placa 24, el haz 16 es dirigido por un espejo 26 plano a un espejo 28 cóncavo que enfoca el haz sobre una pieza 30 de trabajo. La pieza 30 de trabajo se puede montar en una plataforma de traslación (no mostrada) que permite que la pieza de trabajo se traslade con respecto al haz enfocado en direcciones X e Y perpendicularmente opuestas, como se indica en el dibujo. El haz puede describirse como siguiendo una trayectoria de rayo desde el láser (en el plano A) hasta la pieza de trabajo (en el plano B). Esta trayectoria del haz tiene preferiblemente una longitud óptica de aproximadamente 250 milímetros o más, por las razones que se analizan más adelante. Es de esperar que parte de la radiación se refleje a lo largo de la trayectoria del haz hacia el láser, como indican las flechas R.
Un propósito de AOM es evitar selectivamente que la radiación en el haz 16 llegue a la pieza 30 de trabajo o permitir selectivamente que la radiación en el haz 16 alcance la pieza 30 de trabajo. En un haz 16 pulsado, esto puede ser necesario para dar forma a los pulsos de radiación “recortando” los bordes delantero o trasero de los pulsos, como se sabe en la técnica. En un haz CW o pulsado, esto puede ser necesario para evitar que la radiación de trabajo llegue a la pieza de trabajo.
En las disposiciones controladas por AOM de la técnica anterior que utilizan haces de múltiples longitudes de onda, el haz difractado se transmite a una pieza de trabajo. Una ventaja de esto es que cuando no hay difracción, la radiación del láser no llega a la pieza de trabajo. Una desventaja particular es que el haz se dispersa en el plano de difracción y se distorsiona anamórficamente. Se deben proporcionar medios ópticos que incluyan uno o más prismas o AOM para volver a colimar y remodelar el haz antes de que se enfoque en la pieza de trabajo.
En la disposición del aparato 10, no se puede evitar completamente que la radiación llegue a la pieza de trabajo ya que la eficiencia de difracción de un AOM es inferior al 100 %. Un porcentaje restante se transmite en orden cero o se difracta en órdenes de difracción más altos. Se ha encontrado, sin embargo, que el pequeño porcentaje transmitido en el orden cero puede mantenerse a una potencia suficientemente baja en la pieza de trabajo para que no se produzca ninguna modificación de la pieza de trabajo. A los efectos de esta descripción y de las reivindicaciones adjuntas, esto puede describirse como que se impide efectiva o sustancialmente que el haz alcance la pieza de trabajo. Una ventaja particular de usar el haz transmitido de orden cero como haz de trabajo es que se puede usar una disposición óptica relativamente simple, que usa óptica reflectante, para transportar el haz y enfocar el haz sobre la pieza de trabajo.
Bajo ciertas condiciones del aparato 10 operativo, no es necesario proporcionar un aislador ópti retroalimentación de la radiación en el láser 12 de CO. A continuación se proporciona una descripción de las condiciones requeridas con referencia continua a la Fig. 1, y referencia además de la Fig. 2.
La Fig. 2 es un histograma que ilustra esquemáticamente un espectro de salida medido de un láser experimental similar al láser de monóxido de carbono modelo J-3 disponible de Coherent, Inc. de Santa Clara, California. El láser funciona en modo pulsado a una frecuencia de repetición de pulso (PRF) de 2 kilohercios (kHz) con un ciclo de trabajo del 60 % con una potencia de salida media de unos 250 vatios (W). Puede verse que la salida consta de al menos unas veinte (20) longitudes de onda oscilantes individuales en un intervalo de longitudes de onda entre aproximadamente 5.3 μm y 6.1 μm. Las fuerzas relativas de las longitudes de onda oscilantes se pueden estimar a partir del eje vertical. Este rango de longitudes de onda se crea utilizando espejos de resonador láser en el láser 12 que tienen un ancho de banda suficiente para hacer que todas las longitudes de onda oscilen.
En un experimento para determinar la sensibilidad de realimentación del láser, la salida del láser se reflejó directamente en el láser con un espejo, altamente reflectante en todas las longitudes de onda, a varias distancias del láser. Se encontró que siempre que el espejo estuviera ubicado a una distancia del láser igual o mayor a doscientos cincuenta (250) milímetros, la salida del láser permanecía estable, es decir, insensible a la retroalimentación. Esto determina la longitud mínima preferida para la trayectoria del haz del aparato 10 discutido anteriormente. Esta cantidad de realimentación supera con creces la que se encontraría en un aparato como el aparato 10. Se considera, sin limitarse a una hipótesis particular, que la insensibilidad a la realimentación resulta de lo siguiente.
Se puede considerar que el haz emitido por el láser (haz 16 del aparato 10) tiene más de veinte haces componentes discretos que se propagan colinealmente, cada haz componente tiene una longitud de onda diferente de la de cualquier otro haz componente. Los haces componentes dejan el láser (más precisamente el último componente reflectante del resonador del láser) en fase entre sí. Los haces componentes se vuelven cada vez más desfasados entre sí a medida que aumenta la distancia de propagación, de modo que después de una distancia de ida y vuelta superior a unos 500 mm, la condición de desfase es suficiente para que un haz combinado devuelto no pueda causar interferencia ni inestabilidad en el láser.
En otra perspectiva, la probabilidad de realimentación y la consiguiente inestabilidad está inversamente relacionada con el número de longitudes de onda oscilantes. Se considera que debe haber al menos quince (15) y preferiblemente al menos veinte (20) longitudes de onda oscilantes para evitar la inestabilidad de la retroalimentación.
Continuando con referencia a la Fig. 1, se proporciona la placa 24 del aparato 10 para despolarizar el haz 16. En un sistema que usa un láser monocromático, es habitual proporcionar una placa de cuarto de onda que convierte la radiación polarizada plana en radiación polarizada circularmente. La radiación polarizada circularmente es efectivamente la misma que la radiación no polarizada (polarizada aleatoriamente) desde la perspectiva de la pieza de trabajo. En el caso de un haz con más de veinte componentes de longitud de onda, distribuidos en un amplio rango y no relacionado con submúltiplos o enteros, no es posible proporcionar una placa de onda que polarice circularmente todos los componentes de longitud de onda.
Se determinó que el número de diferentes componentes de longitud de onda podría aprovecharse para diseñar una placa de onda lo suficientemente gruesa como para que la placa de onda polarice elípticamente la mayoría de los componentes de longitud de onda con ejes de polarización orientados aleatoriamente entre sí simulando en conjunto un haz no polarizado. Cualquier componente que no esté polarizado elípticamente, probablemente estará polarizado circularmente sin un eje de polarización definible. La radiación está polarizada circularmente cuando la diferencia de fase (retardo de fase) entre los haces ordinarios (“o”) y extraordinarios (“e”) es un múltiplo impar de λ/4, como se sabe en la técnica. Se puede seleccionar un espesor de placa tal que todos los componentes de longitud de onda estén polarizados elípticamente.
Esto se ilustra esquemáticamente en la Fig. 3. Aquí, tres componentes de longitud de onda polarizados en un plano Ai, A2y A3 se representan con orientaciones de polarización paralelas entre sí. Estos componentes de longitud de onda se transmiten en la dirección de propagación del haz 16 (aquí representado por un solo rayo), a través de la placa 24 birrefringente, que tiene un espesor t, preferiblemente igual o superior a aproximadamente 0.2 mm. Los componentes de longitud de onda emergen polarizados elípticamente, con los ejes principales de la polarización elíptica (indicados por líneas discontinuas largas y cortas) en un ángulo entre sí.
Un material birrefringente preferido para la placa 23 es el fluoruro de magnesio (MgF2). Una placa de fluoruro de magnesio que tiene un espesor t de 1 mm proporciona una diferencia de fase de 5λ/4 (retardo de fase) para la radiación que tiene una longitud de onda de 6 μm y un retardo de fase de 7λ/4 con una longitud de onda de 5 μm. La radiación que tiene una longitud de onda entre 5 mm y 6 mm tendría algún otro retardo de fase y estaría polarizada elípticamente. A modo de ejemplo, todos los componentes de longitud de onda identificados en el histograma de la Fig. 2 estarían polarizados elípticamente.
Como se indicó anteriormente, es posible que un espesor de placa particular acoplado con un componente de longitud de onda particular produzca un haz polarizado circularmente. Los solicitantes consideran que, en general, la mayoría de los componentes de longitud de onda estarían polarizados elípticamente con tal vez sólo uno o dos componentes de longitud de onda polarizados circularmente. Además, también es posible, aunque generalmente poco probable, que uno de los componentes de la longitud de onda pueda polarizarse linealmente. Se considera que un sistema que produjo solo un componente de longitud de onda polarizado linealmente junto con 14 o más componentes de longitud de onda que están polarizados elípticamente puede usarse con éxito en aplicaciones que son sensibles a la polarización.
En resumen, la presente invención se describe anteriormente con referencia a una realización preferida y otras. La invención, sin embargo, no se limita a las realizaciones descritas y representadas en este documento. Más bien, la invención está limitada únicamente por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (1)

REIVINDICACIONES
1. Un método para mecanizar con láser una pieza (30) de trabajo, comprendiendo el método:
un láser (12) de monóxido de carbono que genera un haz (16) de radiación láser que tiene una pluralidad de componentes de longitud de onda en diferentes longitudes de onda discretas; y
un único modulador acústico-óptico, AOM, (18) que tiene un modo no activado y un modo activado, en el que: en el modo no activado, el AOM único transmite el haz (16) de radiación láser a lo largo de un orden de difracción cero a través del AOM a una trayectoria de haz a través de una pluralidad de elementos ópticos, para alcanzar y modificar la pieza (30) de trabajo; y
en el modo activado, el único AOM que difracta menos del 100 % de la potencia del haz (16) de radiación láser fuera de la trayectoria del haz, y manteniéndose el pequeño porcentaje transmitido en el orden de difracción cero de modo que la potencia que alcanza la pieza (30) de trabajo es suficientemente baja para que no se produzca ninguna modificación de la pieza (30) de trabajo.
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