IT9019834A1

IT9019834A1 - Contenitore di fibre multiple per accoppiatore di uscita e metodo per usare il medesimo

Info

Publication number: IT9019834A1
Application number: IT019834A
Authority: IT
Inventors: Angel Luis Ortiz Jr
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1989-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1991-09-27
Also published as: US4958900A; DE4009089A1; FR2644900A1; CA2009602A1; CA2009602C; GB2230353B; GB9006718D0; IT1239492B; JPH02284783A; GB2230353A; IT9019834A0

Description

alta potenza uscenti dalle fibre.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un contenitore per una pluralità di fibre ottiche e, più particolarmente, tale contenitore nel quale si può regolare l'orientazione di fibre tra di loro.

La luce proveniente da un laser può essere usata per eseguire processi industriali, per esempio, foratura, saldatura, brasatura, ecc. A questo scopo, una pluralità di fibre ottiche che convogliano luce laser sono tenute nella stazione di lavoro vicino al pezzo da un contenitore come quello mostrato nel brevetto USA No. 4.744.627. Tuttavia, tale contenitore contiene le fibre parallele e ad una distanza fissa tra di loro. Parecchi tipi di lavorazione industriali richiedono che la distanza tra le fibre e anche l'angolo tra le medesime fibre siano regolabili. Perciò, uno scopo della presente invenzione è di realizzare un contenitore per una pluralità di fibre ottiche che consenta regolazione della distanza e dell'angolo tra le fibre e un metodo per usare il contenitore.

Un contenitore da usare con una pluralità di fibre ottiche illuminanti un pezzo in lavorazione comprende un corpo avendo un foro centrale per ricevere le fibre e mezzi, disposti in detto foro, per impegnare le fibre e per regolare l'orientazione delle fibre tra di loro.

Un metodo per lavorare un pezzo comprende regolare l'orientazione reciproca di una pluralità di fibre ottiche e illuminare il pezzo con energia laser ad alta potenza proveniente da dette fibre.

La figura 1 mostra una vista in sezione di un accoppiatore usante il contenitore dell'invenzione;

la figura 2 è uno schema di un telescopio usato in figura 1;

le figure 3A e 3B sono viste in sezione mostranti modifiche dell'accoppiatore di uscita di fibre di figura 1 ;

la figura 4A è una vista in sezione di una prima realizzazione di un accoppiatore usato in figura 1, mentre la figura 4B mostra un'orientazione particolare di fibre ottiche nel contenitore di figura 4A;

le figure 5A , B, C e D sono grafici di intensità di fascio in funzione del diametro del fascio per svariate configurazioni di fibre ottiche di figura 4;

la figura 6 è una vista in sezione di una seconda realizzazione di contenitore;

le figure 7A, B, C e D sono mappe topografiche di distribuzioni di fasci laser su un pezzo in lavorazione corrispondenti alle distribuzioni di intensità di figura 5.

Nei disegni ad elementi corrispondenti sono stati dati numeri di riferimento corrispondenti.

In figura 1 c'è un contenitore generalmente indicato con 10. Una pluralità di fibre ottiche 12 ad indice di rifrazione scalinato tipicamente con un'anima di quarzo e un rivestimento polimerico o di vetro circondato da un cavo armato di acciaio, sono ricevute da un terminatore 14 di cavo armato. Le fibre 12 convogliano fasci laser ad alta potenza, tipicamente tra 0,5 e 1,5 Kw, da qualsiasi tipo di laser allo stato solido o a gas con lunghezze d'onda variabili dall'infrarosso (2 ^um) all'ultravioletto (193 nm). A sua volta, un cappuccio estremo 16 riceve il terminatore 14 in filetti interni 18. Una spalla 20 del cappuccio estremo 16 è ricevuta in una prima sezione cilindrica 22. Un portafibre cilindrico 24 (descritto in dettaglio qui sotto) ha un prolungamento (non mostrato) che è ricevuto da filettature 26. Dei fori 28 sono disposti nella sezione di cilindro 22 per fornire accesso a viti di regolazione regolabili (descritte qui sotto). Le fibre 12 si estendono attraverso il cappuccio estremo 16 e il contenitore 24. Benché siano mostrate solo due di tali fibre 12a e 12b, ce ne possono essere di più. Le sommità ad entrambi gli estremi delle fibre 12 sono di preferenza preparate come mostrato nei brevetti USA NO.

4.676.586 e 4.681.396 per impedire danni al loro rivestimento da parte dell’energia laser ad alta potenza iniettata ed emessa. I fasci divergenti 30a e 30b dalle fibre 12a e 12b, rispettivamente, urtano una lente collimatrice piano-convessa 32 e, quindi, formano rispettivamente fasci collimati 34a e 34b. A sua volta, i fasci 34a e 34b urtano una lente divergente piano-concava 36 e, quindi, formano rispettivamente fasci divergenti 38a e 38b. Le lenti 32 e 36 hanno tipicamente diametro di circa 1 pollice (2,54 cm).

Una seconda sezione cilindrica 40 si infila sulla prima sezione cilindrica 22 ed ha nella medesima una lente convergente piano-convessa 42 che riceve i fasci 38a e 38b per produrre rispettivamente i fasci collimati 44a e 44b. Le lenti 36 e 42 formano assieme un telescopio Galileiano (descritto qui sotto ). I fasci 44a e 44b urtano una lente focalizzatrice piano-convessa 46 per produrre rispettivamente fasci convergenti 48a e 48b. Tipicamente, le lenti 42 e 46 hanno diametro di circa 2 pollici (5,08 cm). Un ugello 50 si infila sulla seconda sezione cilindrica 40 e riceve ad un ingresso 52 un gas di assistenza di processo, per esempio, 02, He, Ar, N2, ecc, per impedire alla lente 46 di essere imbrattata da materiale proveniente dal pezzo e per aiutare la lavorazione del materiale. L'esatto gas prescelto dipende dal processo che deve essere eseguito, come si sa nella tecnica. I fasci 48a e 48b rispettivamente si focalizzano su punti 54a e 54b su un pezzo 56. Altri disegni di illuminazione (descritti qui sotto) sono possibili. Le lenti 32, 36, 42 e 46 sono fatte dalla CVI Laser Corp. di Alberquerque Nuovo Messico. Il cappuccio estremo 16, le sezioni cilindriche 22 e 40 e l'ugello 50 sono di preferenza fatti di un materiale che sia dimensionalmente stabile con variazioni di temperatura come alluminio di tipo MIG-6. Se desiderato, le lenti 36 e 42 possono essere eliminate. Quindi, le sezioni cilindriche 22 e 40 potrebbero essere una costruzione in un pezzo solo con diametro costante.

La figura 2 mostra il telescopio Galileiano formato dalle lenti 36 e 42 che ha punto focale comune 58. La lente 36 è ad una distanza -fe dal punto 58, il segno - indicando che la lente 36 è una lente negativa. La lente 42 è ad una distanza fO dal punto 58 e quindi il fattore di ingrandimento per il telescopio è fO/|-fe|. La divergenza del fascio laser verrà ridotta dal reciproco del fattore di ingrandimento e quindi, si avranno le dimensioni dei punti 54a e 54b.

Frequentemente, si desidera sorvegliare parametri come diametro del fascio laser e posizioni e guida del fascio come parte di un sistema elaboratore a maglia chiusa. Allo scopo di fare questo, si usa una telecamera di sorveglianza. Le figure 3A e 3B mostrano modifiche dell'accoppiatore di figura 1 per consentire ad una camera di sorveglianza di osservare il processo e consentire una sorveglianza dei profili dei fasci laser sul materiale. In figura 3A uno specchio 60 è posto nella prima sezione cilindrica 22 ad un angolo di 45° rispetto al suo asse longitudinale tra le lenti 32 e 36. Lo specchio 60 è rivestito su entrambe le facce per una trasmissione al 100% dei fasci ad alta potenza 34a e 34b. Tuttavia, una porzione piccolissima del fascio 34 è riflessa per formare il fascio 62. Il fascio 62 incide su uno specchio 64 montato ad un angolo di 45° rispetto al fascio 62 in una porzione di immagine 66 della prima sezione cilindrica 22. Lo specchio 64 ha la sua faccia interna 68 rivestita con un rivestimento antiriflesso al 100%. Una piccola quantità del fascio 62 viene riflessa per formare il fascio 70. La piccola quantità di luce del fascio 70 è sufficiente, data la sensibilità di una tipica telecamera a CCD. Tale telecamera (non mostrata) può essere montata nella porzione di immagine 66 con il fascio 70 incidente sulla sua fronte o, alternativamente, delle fibre ottiche (non mostrate) possono essere montate con i loro estremi nella porzione 66 affacciata allo specchio 64 e i loro estremi lontani adiacenti ad una fronte della telecamera a CCD.

La figura 3B mostra una disposizione simile a quella di figura 3A eccetto che lo specchio 60 è disposto nella seconda sezione cilindrica 40 tra le lenti 42 e 46 intercettando perciò i fasci 44a e 44b. Il funzionamento è altrimenti identico.

Nelle figure 3A e 3B le porzione dell'accoppiatore 10 che non sono mostrate sono identiche a quelle mostrate in figura 1. Si vedrà che nelle figure 3A e 3B gli specchi 60 e 64 e la porzione di immagine 66 formano un sistema per deviare una parte di luce nelle rispettive sezioni per scopi di sorveglianza .

La figura 4A mostra i dettagli del contenitore 24 di figura 1, che può essere fatto di un materiale di resina sintetica come quello venduto sotto il marchio "Plexiglass", e comprende una pluralità di fori filettati 72a, 72b, 72c e 72d rispettivamente aventi viti di regolazione 74a, 74b, 74c e 74d nel medesimo. Il contenitore 24 comprende anche un foro longitudinale circolare 76 attraverso il quale passano le fibre 16a di diametro tra circa 100 e 1000 ^um. Altre forme, per esempio quadrata, rettangolare, ecc. possono essere usate per la sezione del foro 76. Delle piastre di appoggio 78a e 78b, come di quarzo dello spessore di 1 min, sono disposte su entrambi i lati della fibra 12a per impedire danno meccanico alla fibra 12a. La piastra 78a tocca le viti 74a e 74b. Similmente, piastre di appoggio 78c e 78d sono su entrambi i lati della fibra 12b con la piastra 78d impegnate le viti 72c e 72d. Mezzi per spingere le fibre 12a e 12b a separarsi, come molle 80a e 80b, sono disposti tra le piastre 78b e 78c e allineati con i fori 70, benché questo allineamento non sia necessario. Le viti 74 possono essere regolate usando un cacciavite inserito attraverso i fori rispettivi 28 nella prima sezione cilindrica 22 di figura 1. Si osserverà che entrambi la distanza e l'angolo tra le fibre 12 possono essere scelti mediante opportuna regolazione di viti 74. Questo si può vedere in figura 4B nella quale il gruppo di viti 74a e 74c sporgono leggermente dai fori 72a e 72c nel foro 76, mentre le viti 74b e 74d sporgono dai fori 72b e 72d nel foro 76 in un grado maggiore. Il risultato è che entrambi la distanza e l'angolo tra le fibre 12a e 12b differiscono apprezzabilmente da quella di figura 4A sul lato destro del contenitore 24 e in un grado minore sul suo lato sinistro.

La figura 5A mostra intensità di fascio in funzione del diametro per la regolazione di contenitore 24 mostrata in figura 4A, cioè, con le fibre 12 massimamente distanziate. I picchi 82 e 84 sono pure distanziati. La figura 5B mostra che quando le fibre 12 sono portate più vicino (Figura 4B) allora ci sono picchi 82 e 84. Quando le fibre 12 sono distanziate di meno di un diametro di fibra, i picchi 82 e 84 sono quasi coincidenti (figura 5C). Nella configurazione di figura 4B, quando una fibra per esempio 12a ha diametro minore dell'altra fibra, per esempio 12b, allora il picco 82 dalla fibra 12a ha larghezza minore del picco 84 dalla fibra 12b, come mostrato in figura 5D. Le fibre 12a e 12b possono avere la medesima o differenti misure numeriche.

Benché siano mostrate solo due fibre, se ne può usare un numero maggiore. Se, per esempio, si usano tre fibre, allora il foro 76 invece di avere sezione circolare, avrebbe tre fenditure distanziate di 120°, ciascuna fenditura avendo una fibra e una coppia di piastra di spinta e, se sono usate quattro fibre, allora il foro 76 sarebbe sagomato a "X" con una fibra e una coppia di piastre di appoggio in ciascuna fenditura della "X", ecc.

Nella seconda realizzazione del contenitore 24 mostrata in figura 6, il contenitore 24 invece di essere montato sul cappuccio estremo 16, è montato direttamente sulla prima sezione cilindrica 22 mediante viti di regolazione 86a e .86b, rispettivamente, disposta in fori 88a e 88b, le quali viti 86 entrano in contatto con il contenitore 24.

Tale disposizione può anche essere usata nella prima realizzazione di figura 4. I fori 90a, 90b, 90c e 90d nel contenitore 24 sono rispettivamente allineati con fori 92a, 92b, 92c e 92d nella sezione cilindrica 22. Dei cunei 94a, 94b, 94c e 94d passano nei fori 90a, 90b, 90c e 90d e 92a, 92b, 92c e 92d rispettivamente. I cunei 94 possono essere fatti di alluminio o acciaio inossidabile. Dei sostegni di cunei 96a, 96b, 96c e 96d, come di alluminio, sono montati sull'esterno della prima sezione cilindrica 22 adiacenti ai fori rispettivi 92a, 92b, 92c e 92d. Opposti ai sostegni 96 ci sono sostegni 98a, 98b, 98c e 98d. Se desiderato, i sostegni 96 e 98 possono essere fatti del medesimo alluminio della sezione cilindrica 22 e quindi fatti integrali con la medesima. Dei micrometri 100a 100b, 100c e lOOd azionati da motori hanno dei codificatori e sono fissati rispettivamente dai sostegni 98a, 98b, 98c e 98d ed hanno degli alberi a sommità sferica 102a, 102b, 102c e 102d sporgenti attraverso i medesimi per impegnare rispettivamente i cunei 94a, 94b, 94c e 94d. I micrometri 100 possono essere di tipo 18219 ed essere controllati da un controllore di tipo 18011 con interfaccia (non mostrata) entrambi fatti dalla Oriel Corp di Stanford, Conn.

Nel funzionamento, dei segnali di controllo sono inviati ai micrometri 100 dall'interfaccia per provocare una rotazione degli alberi 102. A sua volta, capita un movimento verticale dei cunei 94 che cambia l'orientazione reciproca delle fibre 12. I codificatori (non mostrati) sui micrometri 100 inviano segnali ad un calcolatore (non mostrato) contenenti la posizione di alberi 102, e quindi delle fibre 12, per un controllo preciso della loro orientazione. I micrometri 100 sono su entrambi i lati della prima sezione cilindrica 22 in modo che le fibre 12 possano essere spostate simmetricamente, dato che si richiede un disegno simmetrico di illuminazione laser per parecchi processi. Le distribuzioni di fascio laser in mappe topografiche di figura 7 sono prodotte quando il pezzo 56 è perpendicolare all'accoppiatore 10. La figura 7A è prodotta dalla distribuzione di intensità di figura 5A e può essere usata per praticare contemporaneamente due fori. Le figure 7B e C sono prodotte rispettivamente dalle distribuzioni di intensità delle figure 5B e C e possono essere usate per praticare fori ellitici, la figura 7B producendo un foro con una maggiore eccentricità della figura 7C. La figura 7D è prodotta dalla distribuzione di figura 5D e mostra come il contenitore dell'invenzione può essere usato per praticare fori sagomati in modo unico. La distribuzione può anche essere usata per saldare componenti discreti di svariate dimensioni.

Si osserverà che altre distribuzioni di fasci laser possono essere ottenute con il pezzo in lavorazione 56 ad angoli diversi dall'angolo perpendicolare rispetto all'accoppiatore 10. Infatti, la presente invenzione può essere usata entro un angolo di 10<* >rispetto alla superficie del pezzo in lavorazione. Quando si usa un fascio laser per saldare, la tolleranza di adattamento tra i pezzi saldati è piccola a causa delle piccole dimensioni della macchia di saldatura. Poiché la presente invenzione usa una pluralità di fasci laser, le dimensioni della macchia sono maggiori, aumentando perciò la tolleranza di adattamento. Parecchie lunghezze d'onda di luce laser possono essere usate in brasatura, per esempio, una lunghezza d'onda maggiore che può essere generata ad alte potenze e una lunghezza d'onda minore che può fornire un miglior accoppiamento per certi materiali. Durante saldatura ancorata, una delle fibre 12 può avere un fascio laser ad onda continua di alta potenza, mentre le rimanenti fibre possono avere un fascio laser pulsato di alta potenza. Ancora, l'orientazione reciproca delle fibre 12 può essere cambiata durante un taglio per variare la larghezza di taglio. Un taglio può essere eseguito perpendicolare ad una linea tra due macchie di illuminazione o parallelo alla medesima per consentire un metodo secondario di variare la larghezza di taglio.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Contenitore da usare con una pluralità di fibre ottiche illuminanti un pezzo in lavorazione, detto contenitore comprendendo: un corpo avente un foro centrale per ricevere le fibre; mezzi disposti in detto foro, per impegnare le fibre e per regolare l'orientazione delle fibre tra di loro.
2. Il contenitore di rivendicazione 1, nel quale detto corpo ha una pluralità di fori filettati e detti mezzi comprendono una pluralità di viti disposte rispettivamente in detti fori e impegnanti dette fibre e mezzi per spingere dette fibre verso dette viti.
3. Il contenitore di rivendicazione 2, nel quale detti mezzi di spinta comprendono una pluralità di molle disposte sul lato opposto di dette viti.
4. Il contenitore di rivendicazione 2 comprendente inoltre una prima pluralità di piastre dipsoste tra dette viti e dette fibre e una seconda pluralità di piastre disposte tra detti mezzi di spinta e le fibre.
5. Il contenitore di rivendicazione 1, nel quale detto corpo ha una pluralità di fori e detti mezzi comprendono una pluralità di alberi micrometrici azionati da motore disposti all'esterno di detto corpo e una pluralità di cunei disposti rispettivamente in detti fori ed impegnanti dette fibre e detti alberi e mezzi per spingere dette fibre verso detti cunei.
6. Il contenitore di rivendicazione 5, nel quale detti mezzi di spinta comprendono una pluralità di molle disposte su lato opposto rispetto a detti cunei.
7. Il contenitore di rivendicazione 5, comprendente inoltre una prima pluralità di piastre disposte tra detti cunei e le fibre e una seconda pluralità di piastre disposte tra detti mezzi di spinta e le fibre.
8. Il contenitore di rivendicazione 1, nel quale almeno una di dette fibre ha un diametro differente da quello delle fibre rimanenti.
9. Il contenitore di rivendicazione 1, nel quale almeno una di dette fibre ha un fascio laser pulsato ad alta potenza e le rimanenti fibre hanno un fascio laser ad onda continua di alta potenza.
10. Il contenitore di rivendicazione 1, nel quale almeno una di dette fibre ha una luce a lunghezza d'onda differente dalle fibre rimanenti.
11. Il contenitore di rivendicazione 1, nel quale detti mezzi regolatori orientano dette fibre per produrre separati disegni di illuminazione sul pezzo in lavorazione.
12. Il contenitore di rivendicazione 1, nel quale detti mezzi regolatori orientano dette fibre per produrre un disegno sovrapposto di illuminazione sul pezzo in lavorazione.
13. Accoppiatore di uscita comprendente il contenitore di rivendicazione 1.
14. L'accoppiatore di rivendicazione 13, comprendente inoltre un telescopio Galileiano.
15. L'accoppiatore di rivendicazione 13, comprendente inoltre lenti collimatrici e focalizzatrici .
16. L'accoppiatore di rivendicazione 13, comprendente prime e seconde sezioni cilindriche aventi un fascio laser di alta potenza nelle medesime, detto contenitore essendo disposto in detta prima sezione.
17. L'accoppiatore di rivendicazione 16, comprendente inoltre un ugello disposto in detta seconda sezione, detto ugello avendo mezzi di ingresso per ricevere un gas di assistenza di processo.
18. L'accoppiatore di rivendicazione 16, nel quale detta prima sezione comprende mezzi per deviare una porzione di detti fasci laser ad alta potenza nel medesimo per scopi di sorveglianza.
19. L'accoppiatore di rivendicazione 16, nel quale detta seconda sezione comprende mezzi per deviare una porzione di detti fasci laser ad alta potenza dei medesimi per scopi di sorveglianza.
20. Metodo per lavorare un pezzo, detto metodo comprendendo : regolare l'orientazione reciproca di una pluralità di fibre ottiche; illuminare il pezzo con fasci laser ad alta potenza provenienti da dette fibre.
21. Il metodo di rivendicazione 20, nel quale detta fase di illuminazione comprende usare fasci laser ad alta potenza aventi lunghezze d'onda differenti.
22. Il metodo di rivendicazione 20, nel quale detta fase di illuminazione comprende usare fasci laser ad alta potenza ad onda continua e pulsati.
23. Il metodo di rivendicazione 20, comprendente inoltre deviare una porzione di detta luce per scopi di sorveglianza.
24. Il metodo di rivendicazione 20, nel quale detta fase di regolazione comprende regolare dette fibre per produrre separati disegni di illuminazione sul pezzo.
25. Il metodo di rivendicazione 20, nel quale detta fase di regolazione comprende regolare dette fibre allo scopo di produrre disegni sovrapposti di illuminazione sul pezzo.