PL210631B1

PL210631B1 - Urządzenie do obróbki laserowej

Info

Publication number: PL210631B1
Application number: PL387743A
Authority: PL
Inventors: Kazimierz Bolanowski; Wojciech Depczyński; Krzysztof Grysa
Original assignee: Politechnika Swietokrzyska
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2012-02-29
Also published as: WO2010117286A1; EP2416921B1; ES2534643T3; EP2416921A1; PL387743A1

Abstract

Istotą wynalazku jest to, że głowica (1) lasera wyposażona jest w zwierciadło wklęsłe (2), umocowane ruchowo do głowicy. Zwierciadło wklęsłe odbija rozproszone promieniowanie elektromagnetyczne, odbite od obrabianego materiału i kieruje je w postaci skumulowanej z powrotem na ten obrabiany materiał. Powierzchnia wklęsła zwierciadła ma kształt wycinka kuli (6) lub paraboloidy. Taki kształt powierzchni zwierciadła zwiększa sprawność układu laser - przedmiot obrabiany (4). Przewiduje się także elipsoidalny kształt zwierciadła, który umożliwia wytworzenie wiązki wyprzedzającej główną wiązkę lasera i ta wyprzedzająca wiązka pozwala na wytworzenie warstwy absorpcyjnej. Korzystnym rozwiązaniem jest także kształt zwierciadła, utworzony poprzez łączone zarysy paraboloidy i/lub elipsoidy i/lub kuli. Taki kształt zwierciadła pozwala zarówno na zwiększenie sprawności układu jak też wytworzenie wiązki wyprzedzającej. Wielkość wiązki wyprzedzającej można kształtować w zależności od rodzajów materiałów poddawanych obróbce.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do obróbki laserowej podwyższające efektywne wykorzystanie mocy lasera. Wynalazek ma zastosowanie zwłaszcza w przypadku używania laserów do nagrzewania, cięcia różnorodnych materiałów, korzystnie metalowych.

Problemy związane z zastosowaniem laserów w technice i technologii polegają na znacznym rozproszeniu wiązki promieniowania elektromagnetycznego, co prowadzi do zmniejszenia rzeczywistej wykorzystywanej mocy wiązki, a co za tym idzie do obniżenia wydajności i sprawności układu laser przedmiot obrabiany. Ocenia się, że znaczny procent, nawet 95% energii wiązki, zależnie od rodzaj materiału, jest rozpraszana na powierzchni obrabianego przedmiotu. Znany sposób zapobiegania rozpraszaniu energii wiązki polega na pokrywaniu powierzchni obrabianego materiału warstwami antyrefleksyjnymi. Warstwy te absorbują rozpraszaną energię i w ten sposób podnoszą efektywność oddziaływania lasera. Sposób ten jest jednak kłopotliwy w użyciu gdyż warstwy te mogą oddziaływać chemicznie lub fizycznie z obrabianym materiałem, co jest zjawiskiem niekorzystnym. Najefektywniejsze są powłoki wykonane na bazie tlenków metali. Niektóre z nich absorbują około 90 % energii promieniowania laserowego.

Z opisów patentowych nr US 4288678A i nr US 4665298A znane są rozwią zania, w których dla podniesienia efektywności obróbki laserowej zastosowano zwierciadło kuliste. Podobne rozwiązanie opisano w zgłoszeniu nr PL306289. W rozwiązaniach tych zwierciadło ma kształt wycinka kuli i kieruje, odbite od obrabianego przedmiotu, promieniowanie do ogniska zwiększając w nim temperaturę. W opisie US 4665298A przedstawiono także zarys zwierciadł a w kształ cie zbliż onym do elipsoidy. Zarys ten jest utworzony przez zbiór zwierciadeł płaskich. W rozwiązaniu tym na obrabianym przedmiocie, po odbiciu promieniowania od ogniska, zostaną utworzone dwa ogniska promieniowania odbitego. W przypadku skierowania wiązki lasera do jednego z ognisk promieniowania odbitego, promieniowanie odbite kierowane jest do drugiego ogniska elipsoidy oraz wzmacnia promieniowanie w ognisku lasera.

Urządzenie do obróbki laserowej, zawierające głowicę emitującą promieniowanie laserowe oraz wyposażone w zwierciadło wklęsłe odbijające promieniowanie odbite od powierzchni obrabianego przedmiotu, według wynalazku charakteryzuje się tym, że powierzchnia wklęsła zwierciadła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy powierzchni wklęsłych, korzystnie kuli i elipsoidy.

Taki kształt powierzchni zwierciadła zwiększa sprawność układu laser - przedmiot obrabiany. Kształt zwierciadła powoduje wytworzenie wiązki wtórnej, która pozwala na wytworzenie warstwy absorpcyjnej. Wiązka wtórna powstaje z odbicia promieniowania odbitego od powierzchni części elipsoidalnej zwierciadła, koncentruje promieniowanie w ognisku wyprzedzającym ognisko główne powstałe z promieniowania laserowego. Część kulista zwierciadła odbija promieniowanie i koncentruje je w ognisku gł ównym wzmacniają c dział anie wią zki lasera w tym ognisku.

Przewiduje się także rozwiązanie, w którym powierzchnia wklęsła zwierciadła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli i paraboloidy. W tym przypadku promieniowanie odbite przez część kulistą zwierciadła wzmacnia ognisko lasera a promieniowanie odbite przez część paraboloidalną ogrzewa obrabianą powierzchnię.

W innym rozwiązaniu powierzchnia wklęs ła zwierciadła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy paraboloidy i elipsoidy. Promieniowanie odbite przez część paraboloidalną ogrzewa obrabianą powierzchnię natomiast promieniowanie odbite przez część elipsoidalną wytwarza wiązkę wtórną. Wiązka wtórna tworzy na obrabianej powierzchni ognisko wtórne, w którym odbite promieniowanie podnosi temperaturę obrabianej powierzchni. W zależności od kierunku obróbki w ognisku wtórnym nastę puje wytworzenie warstwy absorpcyjnej lub ogrzewanie zapobiegają ce zbyt szybkiemu obniżeniu temperatury obrabianego przedmiotu.

W kolejnym rozwiązaniu, powierzchnia wklęsła zwierciadła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli, paraboloidy i elipsoidy, przy czym powierzchnia elipsoidalna utworzona jest w części zwierciadła o zarysie kuli. Utworzenie powierzchni elipsoidalnej w części powierzchni kulistej zwierciadła pozwala na utworzenie wtórnego ogniska z części promieniowania odbitego, ogranicza wzmocnienie ogniska lasera przez kulistą część zwierciadła.

W nastę pnym rozwiązaniu powierzchnia wklę sła zwierciadł a ma kształ t utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli, elipsoidy i paraboloidy a powierzchnia elipsoidalna utworzona jest w zwierciadła o zarysie paraboloidy. Taki kształt zwierciadła pozwala zarówno na zwiększenie sprawności

PL 210 631 B1 układu jak też wytworzenie wiązki wtórnej. Wielkość wiązki wtórnej można kształtować w zależności od rodzajów materiałów poddawanych obróbce.

Wiązka wtórna powstała z odbicia promieniowania rozproszonego, powoduje tworzenie absorpcyjnej warstwy tlenkowej, która zdolna jest zaabsorbować nawet do 95% energii wiązki lasera - tym samym eliminuje konieczność wcześniejszego nakładania warstwy antyrefleksyjnej. Zwiększanie sprawności układu laser - materiał obrabiany pozwala na zwiększenie przekrojów obrabianych przedmiotów, lub obniżenie mocy stosowanych laserów lub też zwiększenie ich wydajności. Pozwala także na skuteczne stopowanie, przetapianie metali oraz wydajniejszą obróbkę cieplną powierzchni metali i stopów.

Występowanie wiązki wtórnej można wykorzystać z bardzo pozytywnym skutkiem w procesie spawania. Wiele rodzajów materiałów przed procesem spawania wymaga podgrzania do odpowiednio wysokiej temperatury. Wiązka wtórna zapewnia uzyskanie właściwej temperatury materiału bez potrzeby stosowania innych metod takich jak: podgrzewanie materiałów w piecach, podgrzewanie z wykorzystaniem palników itd. Zastosowanie wiązki wtórnej jest prostą i tanią metodą przygotowania materiału do spawania w konstrukcjach wielkogabarytowych takich jak ściany szczelne kotłów.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat głowicy lasera z zamontowanym zwierciadłem, w którym powierzchnia wklęsła zwierciadła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy powierzchni kuli i elipsoidy, fig. 2 - schemat głowicy lasera z zamontowanym zwierciadłem o powierzchni utworzonej poprzez łączone zarysy, przenikające się, kuli i paraboloidy, fig. 3 - schemat głowicy lasera z zamontowanym zwierciadłem o powierzchni utworzonej poprzez łączone, przenikające się, zarysy paraboloidy i elipsoidy, fig. 4 -schemat głowicy lasera z zamontowanym zwierciadłem o powierzchni utworzonej poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli, paraboloidy i elipsoidy, a fig. 5 - schemat głowicy lasera z zamontowanym zwierciadłem o powierzchni utworzonej poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli, elipsoidy i paraboloidy.

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1, zwierciadło 2.2 zamontowane jest na głowicy lasera 1. Powierzchnia wklęsła zwierciadła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy po wierzchni kuli 6 i elipsoidy 6.2. Laser 1 emituje wiązkę promieniowania 3 skierowaną na podłoże 4. Część wiązki, która nie zostaje zaabsorbowana przez materiał 4, ulega odbiciu promieniem 5, ponownie odbija się od powierzchni kulistej 6 i trafia z powrotem do ogniska 9, co podnosi jego temperaturę. Część odbitego promieniowania odbija się od powierzchni elipsoidalnej 6.2 i w zależności od kąta padania trafia z powrotem promieniem 5' do ogniska 9 lub ulega odbiciu promieniem 5 tworząc ognisko wtórne 9). Strzałka 8 symbolizuje kierunek ruchu lasera względem materiału obrabianego 4.

Fig. 2 obrazuje przykład, w którym na głowicy lasera i zamontowano zwierciadło 2.3 posiadające powierzchnię zwierciadlaną powstałą z połączenia przenikających się, zarysów powierzchni paraboloidalnej 6.1 i kulistej 6. Laser i emituje wiązkę promieniowania 3 skierowaną na podłoże 4. Część wiązki, która nie zostaje zaabsorbowana przez materiał 4, ulega odbiciu promieniami 5, ponownie odbija się od powierzchni paraboloidalnej 6.1 zwierciadła 2.3 i w zależności od kąta padania trafia z powrotem do ogniska 9, a część pada prostopadle promieniem 5 na materiał obrabiany 4 co podnosi jego temperaturę. Część wiązki padająca na powierzchnię kulistą 6 po odbiciu od tej powierzchni wraca do ogniska 9.

W przykładzie przedstawionym na fig. 3, na głowicy lasera 1 zamontowano zwierciadło 2.4, którego powierzchnia wklęsła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy paraboloidy 6.1 i elipsoidy 6.2. Laser 1 emituje wiązkę promieniowania 3 skierowaną na podłoże 4. Część wiązki, która nie zostaje zaabsorbowana przez materiał 4 ulega odbiciu promieniami 5 i 5), ponownie odbija się od powierzchni zwierciadła 2.4 i, w zależności od kąta padania, trafia z powrotem do ogniska 9, lub pada prostopadle promieniem 5 na materiał obrabiany 4, co podnosi jego temperaturę. Część odbitego promieniowania odbija się od powierzchni elipsoidalnej 6.2, ulega odbiciu promieniem 5) tworząc ognisko wtórne 9).

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 4, powierzchnia wklęsła zwierciadła 2.5 ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli 6, paraboloidy 6.1 i elipsoidy 6.2, przy czym powierzchnia elipsoidalna 6.2 utworzona jest w części zwierciadła o zarysie kuli 6. Laser 1 emituje wiązkę promieniowania 3 skierowaną na podłoże 4. Część wiązki, która nie zostaje zaabsorbowana przez materiał 4, ulega odbiciu promieniem 5 ponownie odbija się od powierzchni kulistej 6 i elipsoidalnej 6.2 zwierciadła 2.5 i w zależności od kąta padania trafia z powrotem do ogniska 9, formuje się w wiązkę wtórną ogniskującą się w ognisku wtórnym 9), gdzie wstępnie podnosi temperaturę powierzchni obrabianej

PL 210 631 B1 powodując jej utlenienie. Część odbitego promieniowania odbija się od powierzchni paraboidalnej 6.1, ulega odbiciu promieniem 5 i wracając w zależności, od kąta padania, trafia z powrotem do ogniska 9, lub pada prostopadle promieniem 5 na materiał obrabiany 4 co podnosi jego temperaturę.

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 5, powierzchnia wklęsła zwierciadła 2.6 ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli 6 elipsoidy 6.2 i paraboloidy 6.1, przy czym powierzchnia elipsoidalna 6.2 utworzona jest w części zwierciadła o zarysie paraboloidy 6.1. Laser 1 emituje wiązkę promieniowania 3 skierowaną na podłoże 4. Część wiązki, która nie zostaje zaabsorbowana przez materiał 4, ulega odbiciu promieniem 5, ponownie odbija się od powierzchni paraboidalnej 6.1 zwierciadła 2.6 i w zależności od kąta padania trafia z powrotem do ogniska 9, lub pada prostopadle promieniem 5 na materiał obrabiany 4, co podnosi jego temperaturę. Część odbitego promieniowania odbija się od powierzchni elipsoidalnej 6.2 i w zależności od kąta padania trafia z powrotem do ogniska 9, ulega odbiciu promieniem 5 tworząc ognisko wtórne 8 gdzie wstępnie podnosi temperaturę powierzchni obrabianej powodując jej utlenienie. Część odbitego promieniowania odbija się od powierzchni kulistej 6, ulega odbiciu promieniem 5, i wraca do ogniska 9 podnosząc jego temperaturę.

W każdym z przykładów głowica lasera przemieszcza się w kierunku 8 oznaczonym strzałką. Dla rozwiązań przedstawionych na fig. 1, fig. 2, i fig. 3 kierunek ruchu głowicy lasera nie ma znaczenia dla działania urządzenia.

Claims

1. Urządzenie do obróbki laserowej, zawierające głowicę emitującą promieniowanie laserowe oraz wyposażone w zwierciadło wklęsłe odbijające promieniowanie odbite od powierzchni obrabianego przedmiotu, znamienne tym, że powierzchnia wklęsła zwierciadła ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy powierzchni wklęsłych, korzystnie kuli (6) i elipsoidy (6.2).

2. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia wklęsła zwierciadła (2.3) ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli (6) i paraboloidy (6.1).

3. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia wklęsła zwierciadła (2.4) ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy paraboloidy (6.1) i elipsoidy (6.2).

4. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia wklęsła zwierciadła (2.5) ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli (6), paraboloidy (6.1) i elipsoidy (6.2), przy czym powierzchnia elipsoidalna (6.2) utworzona jest w części zwierciadła o zarysie kuli (6).

5. Urządzenie, według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia wklęsła zwierciadła (2.6) ma kształt utworzony poprzez łączone, przenikające się, zarysy kuli (6) elipsoidy (6.2) i paraboloidy (6.1), przy czym powierzchnia elipsoidalna (6.2) utworzona jest w części zwierciadła o zarysie paraboloidy (6.1).