RU2445175C1 - Способ поверхностной лазерной обработки и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ поверхностной лазерной обработки и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2445175C1 RU2445175C1 RU2010126479/05A RU2010126479A RU2445175C1 RU 2445175 C1 RU2445175 C1 RU 2445175C1 RU 2010126479/05 A RU2010126479/05 A RU 2010126479/05A RU 2010126479 A RU2010126479 A RU 2010126479A RU 2445175 C1 RU2445175 C1 RU 2445175C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- pulses
- scanning
- series
- laser beam
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области лазерной обработки поверхности материалов для использования в машиностроении и приборостроении для очистки поверхности от нежелательных слоев и загрязнений, придания заданных свойств поверхности конструктивных материалов и касается способа поверхностной лазерной обработки и устройства для его осуществления. Воздействуют на обрабатываемую поверхность сканирующим пучком импульсно-периодического лазерного излучения. Формируют пучок лазерного излучения с временной структурой в виде периодически повторяющихся серий световых импульсов. Циклически разворачивают каждую серию импульсов в полосу. Обеспечивают смыкание полос, образованных разверткой каждой из периодически повторяющихся серий импульсов. Ширина полосы воздействия равна поперечному размеру лазерного пучка на обрабатываемой поверхности. Устройство включает взаимосвязанные лазер и оптико-механическую систему. Лазер генерирует пучок излучения с временной структурой в виде периодически повторяющихся серий световых импульсов. В качестве оптико-механической системы установлены система формирования однородной пространственной структуры лазерного пучка и сканирующая система, на выходе которой расположен фокусирующий объектив. Компьютер соединен с блоком синхронизации, который, в свою очередь, связан с лазером и со сканирующей системой. Изобретение обеспечивает повышение производительности процесса очистки твердых поверхностей различных изделий. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области лазерной обработки поверхности материалов и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для очистки поверхности от нежелательных слоев и загрязнений, а также придания заданных свойств поверхности конструкционных материалов.
Известен способ лазерной обработки металлических поверхностей сфокусированным пучком излучения непрерывного лазера, который перемещается по обрабатываемой поверхности в результате линейного сканирования [US патент №4015100, 1977 г.]. Недостатком данного способа является применение излучения непрерывного лазера, мощность которого достаточна для термообработки поверхности, но мала для выполнения операций, связанных с удалением поверхностного слоя, например оксидного, в испарительном режиме.
Известен способ очистки поверхности материалов, заключающийся в лазерном облучении обрабатываемой поверхности импульсно-периодическим излучением, которое генерирует лазер, работающий в режиме модуляции добротности резонатора [патент РФ №2104846]. В этом случае, плотность мощности лазерного излучения на обрабатываемой поверхности достаточна для реализации процесса удаления поверхностного слоя в режиме испарения.
Устройство для реализации способа содержит задающий генератор, согласующий телескоп, усилитель (квантрон), линзу, блок наведения на обрабатываемую поверхность. Задающий генератор представляет собой серийный твердотельный лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме с модуляцией добротности резонатора, излучает лазерный пучок с однородным распределением интенсивности по сечению. Это излучение проходит через согласующий телескоп и поступает на усилительную линейку, представляющую собой серийные квантроны. В результате воздействия лазерного излучения на металлический образец на его поверхности возникают процессы испарения и абляции радиоактивной оксидной пленки. Недостатком способа очистки и устройства является наличие нескольких усилителей лазерного излучения, количество которых зависит от состояния обрабатываемой поверхности и ее размера. Это препятствует обработке изделий с разным состоянием поверхности без перестройки установки и, как следствие, делает невозможным автоматизацию процесса обработки. Кроме того, наличие усилителей в несколько раз увеличивает стоимость способа очистки поверхности.
Известны способ очистки поверхности и устройство для его осуществления, выбранные за прототипы [патент РФ №2297886]. Способ включает сканирование поверхности пучком импульсно-периодического лазерного излучения с частотой повторения и длительностью импульсов в диапазоне 5-100 Гц и 1-20 нс соответственно. Лазерная обработка состоит в последовательном облучении поверхности лазерными импульсами с интенсивностью, достаточной для испарения поверхностного слоя облучаемого материала. Перемещение импульсов по поверхности производится посредством изменения положения сканирующего зеркала, отражающего лазерное излучение. При этом в кожух оптико-механической системы подают газовый поток под определенным давлением.
Устройство для осуществления способа состоит из блока импульсного генерирования лазерного пучка, оптико-механической системы, помещенной в кожух и обеспечивающей перемещение периодически повторяющихся лазерных импульсов по обрабатываемой поверхности, блока программного управления. Лазерный луч перемещают с некоторым перекрытием очищенных участков. Способ-прототип и устройство для его реализации предусматривают очистку поверхности импульсно-периодическим лазерным излучением с небольшой частотой повторения импульсов в диапазоне 5-100 Гц, что не позволяет осуществлять обработку поверхности с высокой производительностью, что затрудняет возможность ее практического применения и является их недостатком.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности процесса очистки поверхности путем лазерной обработки твердых поверхностей различных изделий.
Предложен способ поверхностной лазерной обработки, заключающийся в том, что формируют пучок лазерного излучения с временной структурой в виде периодически повторяющихся серий световых импульсов и этим пучком сканируют обрабатываемую поверхность в циклическом (прерывистом) режиме: начало развертки каждой серии импульсов в полосу синхронизировано с началом формирования этой серии лазерных импульсов. Для последовательного покрытия всей обрабатываемой поверхности лазерным излучением обеспечивают смыкание полос, образованных разверткой каждой из периодически повторяющихся серий импульсов, причем ширина полосы воздействия равна поперечному размеру лазерного пучка на обрабатываемой поверхности.
Устройство для поверхностной лазерной обработки содержит взаимосвязанные лазер и оптико-механическую систему, лазер генерирует пучок излучения с временной структурой в виде периодически повторяющиеся серий световых импульсов, в качестве оптико-механической системы установлены система формирования однородной пространственной структуры лазерного пучка и сканирующая система. На выходе сканирующей системы установлен фокусирующий объектив. Компьютер соединен с блоком управления, который, в свою очередь, связан с лазером и со сканирующей системой.
Способ поверхностной лазерной обработки заключается в том, что формируют пучок лазерного излучения с временной структурой в виде периодически повторяющихся серий коротких световых импульсов и интенсивностью, достаточной для инициации структурных изменений обрабатываемой поверхности. Воздействуют на часть обрабатываемой поверхности сформированным пучком лазерного излучения посредством пространственного сканирования, заключающегося в развертке каждой серии импульсов на обрабатываемой поверхности в полосу, ширина которой равна поперечному размеру лазерного пучка на обрабатываемой поверхности. Формирование непрерывной полосы осуществляют за счет частичного пространственного перекрытия отпечатков соседних лазерных импульсов серии или в случае лазерного пучка квадратного (прямоугольного) сечения смыкания границ соседних отпечатков лазерных импульсов на обрабатываемой поверхности. Сканирование поверхности осуществляют в циклическом (прерывистом) режиме: начало развертки каждой серии импульсов в полосу синхронизировано с началом формирования этой серии импульсов лазерного излучения. По окончании серии импульсов сканирование и соответственно развертка серии прерываются. С началом формирования следующей серии импульсов сканирование возобновляется и осуществляется развертка текущей серии импульсов в полосу, которая смыкается с предыдущей полосой. Таким образом, в циклическом режиме все серии импульсов последовательно друг за другом разворачиваются на обрабатываемой поверхности до ее полного покрытия лазерным излучением.
В предложенном способе формируется пучок лазерного излучения, в котором вместо одного мощного моноимпульса есть серия импульсов (10-100 штук импульсов в серии). Энергия каждого импульса серии раз в 5-7 меньше, чем энергия моноимпульса прототипа, но если суммировать энергию всех импульсов серии, то получиться значительно больше, чем у прототипа. Обычно энергия моноимпульса длительностью 10-30 нс не превышает одного джоуля. Генерация лазером без усилителей большей энергии на практике затруднительна по причине ограниченной возможности оптического затвора удерживать столь большую энергию в резонаторе лазера и возможности повреждения оптических элементов лазера. В случае генерации серии импульсов (10-100 штук) длительностью 10-30 нс энергия распределена между многими импульсами, которые разделены временным интервалом - энергия распределена во времени. Поэтому оптический затвор работает без проблем и повреждения оптических элементов лазера не происходит. Поверхностная обработка изделия, например очистка от ржавчины, производится с определенной плотностью мощности, обычно 1 Дж/см2. Имея в серии импульсов больше энергии, можно соответственно обработать большую площадь, чем моноимпульсом прототипа. Для распределения импульсов серии по обрабатываемой поверхности применяется метод циклического растрового сканирования. При одинаковой частоте повторения серий импульсов и моноимпульсов производительность предлагаемого метода в несколько раз выше, чем у прототипа. Совокупность отличительных признаков является существенной и необходимой для выполнения поставленной задачи. Таким образом, обеспечивают повышение производительности процесса и структурные изменения по всей обрабатываемой поверхности в результате ее полного циклического сканирования и формирования регулярного растра, состоящего из смыкающихся полос, образованных в результате развертки периодически повторяющихся серий световых импульсов.
Установка состоит из лазера 1, работающего в режиме генерации периодически повторяющихся серий импульсов лазерного излучения, оптической системы формирования однородного лазерного пучка 2, например зеркальной двухкоординатной сканирующей системы 3, фокусирующего объектива 4, блока управления 5. Схематическое изображение установки представлено на фиг.1.
Лазер 1 представляет собой излучатель с импульсной ламповой или диодной накачкой, работающий в режиме модуляции добротности резонатора оптическим затвором. Для генерации периодически повторяющихся серий импульсов целесообразно использовать пассивный (фототропный) оптический затвор, например, из Cr:YAG. Вышедший из лазера пучок излучения направляется в оптическую систему формирования лазерного пучка 2, где выравнивается распределение интенсивности и при необходимости изменяется поперечный размер пучка. Далее лазерный пучок направляется в сканирующую систему 3, например двухкоординатный зеркальный сканер, представляющий собой два гальвопривода с плоскими зеркалами, закрепленными на осях гальвоприводов. Поворот первого по ходу луча зеркала 3а приводит к перемещению лазерного пучка в плоскости обработки по прямой линии и формированию полосы в результате воздействия на обрабатываемую поверхность серии импульсов лазерного излучения (фиг.1). Процесс поворота первого зеркала 3а синхронизирован с генерацией периодически повторяющихся серий лазерных импульсов: начало поворота совпадает с началом серии лазерных импульсов, а завершение поворота совпадает с окончанием серии лазерных импульсов. Скорость поворота зеркала 3а такова, что отпечатки соседних импульсов серии частично перекрываются. Если протяженность поля обработки больше длины полосы, то поворот зеркала возобновляется в момент начала генерации следующей серии импульсов. Формирование полосы продолжается, пока ее длина не сравняется с протяженностью поля обработки. Общая длина полосы воздействия соответствует протяженности требуемого поля обработки. Синхронизация обеспечивается блоком управления 5. После достижения длины полосы требуемой величины, а именно протяженности поля обработки, производится перемещение пучка лазерного излучения в перпендикулярном направлении относительно направления сформированной полосы (фиг.2). Перемещение пучка лазерного излучения осуществляется поворотом второго зеркала 36 сканирующей системы (фиг.1). Величина перемещения несколько меньше (на 5-10%) ширины полосы воздействия, что обеспечивает частичное перекрытие полос. Одновременно первое зеркало поворачивается и занимает положение, соответствующее направлению пучка лазерного излучения в начало поля обработки. Требуемые углы поворота зеркал сканирующей системы 3 задаются блоком управления 5 в соответствии с геометрией обрабатываемой поверхности. После поворота зеркал формируется следующая полоса в результате воздействия периодически повторяющихся импульсов лазерного излучения на обрабатываемую поверхность. Процесс формирования полос продолжается до полного облучения и заполнения обрабатываемой поверхности импульсами лазерного излучения. Таким образом, осуществляется заполнение импульсами лазерного излучения всей обрабатываемой поверхности в режиме прерывистого растрового сканирования. Необходимая интенсивность воздействия лазерного излучения на обрабатываемую поверхность обеспечивается его концентрацией на поверхности объективом 4.
Совокупность технических решений, заложенных в установку, позволяет получить следующие характеристики.
Лазер с пассивным затвором Cr:YAG, имеющим начальное пропускание на уровне 30%, генерирует серии лазерных импульсов с энергией единичного импульса до Еи=0.12 Дж при частоте следования импульсов 30 кГц и общем их количестве в серии n=25 штук. Частота повторения серий импульсов до f=100 Гц. В условиях воздействия на поверхность с плотностью энергии Е~1 Дж/см2 и перекрытием пятен в 10% по диаметру серия, состоящая из 25 импульсов, покрывает площадь S≈(1-0.1)×nEи/Е=18 см2. Следовательно, за одну секунду обрабатывается площадь поверхности S×f=1800 см2.
В прототипе генерируются импульсы лазерного излучения с пиковой мощностью 100 МВт, что соответствует энергии 2-0.5 Дж для лазерного импульса длительностью 5-20 нс. В условиях воздействия на поверхность с плотностью энергии Е~1 Дж/см2, перекрытием пятен в 10% по диаметру и f=100 Гц за одну секунду обрабатывается площадь поверхности не более 180 см2.
Производительность процесса поверхностной обработки в случае применения периодически повторяющихся серий лазерных импульсов возрастает на порядок и более. Таким образом, поставленная задача решена.
При одинаковой частоте повторения серий импульсов и моноимпульсов производительность предлагаемого способа в несколько раз выше, чем у прототипа.
Установка с перечисленными выше характеристиками, несомненно, может найти широкое применение в поточном промышленном производстве.
Claims (2)
1. Способ поверхностной лазерной обработки, заключающийся в воздействии на обрабатываемую поверхность сканирующим пучком импульсно-периодического лазерного излучения, отличающийся тем, что формируют пучок лазерного излучения с временной структурой в виде периодически повторяющихся серий световых импульсов, циклически разворачивая каждую серию импульсов в полосу на обрабатываемой поверхности, обеспечивают смыкание полос, образованных разверткой каждой из периодически повторяющихся серий импульсов, причем ширина полосы воздействия равна поперечному размеру лазерного пучка на обрабатываемой поверхности.
2. Устройство для поверхностной лазерной обработки, включающее взаимосвязанные лазер и оптико-механическую систему, отличающееся тем, что устройство содержит лазер, генерирующий пучок излучения с временной структурой в виде периодически повторяющихся серий световых импульсов, в качестве оптико-механической системы установлены система формирования однородной пространственной структуры лазерного пучка и сканирующая система, фокусирующий объектив и компьютер, соединенный с блоком управления, который, в свою очередь, связан с лазером и сканирующей системой.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010126479/05A RU2445175C1 (ru) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Способ поверхностной лазерной обработки и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010126479/05A RU2445175C1 (ru) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Способ поверхностной лазерной обработки и устройство для его осуществления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010126479A RU2010126479A (ru) | 2012-01-10 |
RU2445175C1 true RU2445175C1 (ru) | 2012-03-20 |
Family
ID=45783297
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010126479/05A RU2445175C1 (ru) | 2010-06-28 | 2010-06-28 | Способ поверхностной лазерной обработки и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2445175C1 (ru) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2619692C1 (ru) * | 2016-05-24 | 2017-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Волоконно-Оптического и Лазерного Оборудования" | Способ лазерной очистки металлов |
CN109226100A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-01-18 | 中国科学院半导体研究所 | 用于脉冲抽运的调q激光清洗的扫描信号控制方法 |
RU2718819C1 (ru) * | 2016-11-23 | 2020-04-14 | Аперам | Способ лазерной очистки от окалины движущегося металлического продукта и устройство для его осуществления |
WO2020181647A1 (zh) * | 2019-03-13 | 2020-09-17 | 何兴 | 网状激光清洗系统及方法 |
RU2739195C1 (ru) * | 2020-04-07 | 2020-12-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Нтц Тонкопленочных Технологий В Энергетике" | Вакуумная напылительная установка с системой лазерной очистки паллет (варианты) |
RU2785992C1 (ru) * | 2021-12-20 | 2022-12-15 | Общество с ограниченной ответственностью "ВИЗ-Сталь" | Способ удаления окалины с поверхности горячекатаного подката при производстве тонколистовой холоднокатаной электротехнической стали |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4015100A (en) * | 1974-01-07 | 1977-03-29 | Avco Everett Research Laboratory, Inc. | Surface modification |
RU2104846C1 (ru) * | 1996-02-21 | 1998-02-20 | Государственное предприятие научно-производственное объединение "Астрофизика" | Способ очистки поверхности материалов |
RU2136467C1 (ru) * | 1993-04-12 | 1999-09-10 | Колдрон Лимитед Партнершип | Способ удаления загрязнений с обрабатываемой излучением поверхности подложки и устройство для его осуществления |
DE10230456A1 (de) * | 2002-07-06 | 2003-08-28 | Bosch Gmbh Robert | Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen organischer Verunreinigungen auf einer Metalloberfläche |
RU2297886C2 (ru) * | 2005-06-06 | 2007-04-27 | Евгений Михайлович Борисов | Способ очистки поверхности и устройство для его осуществления |
RU2328364C2 (ru) * | 2006-08-21 | 2008-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ" | Устройство для лазерной обработки поверхностей |
-
2010
- 2010-06-28 RU RU2010126479/05A patent/RU2445175C1/ru active IP Right Revival
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4015100A (en) * | 1974-01-07 | 1977-03-29 | Avco Everett Research Laboratory, Inc. | Surface modification |
RU2136467C1 (ru) * | 1993-04-12 | 1999-09-10 | Колдрон Лимитед Партнершип | Способ удаления загрязнений с обрабатываемой излучением поверхности подложки и устройство для его осуществления |
RU2104846C1 (ru) * | 1996-02-21 | 1998-02-20 | Государственное предприятие научно-производственное объединение "Астрофизика" | Способ очистки поверхности материалов |
DE10230456A1 (de) * | 2002-07-06 | 2003-08-28 | Bosch Gmbh Robert | Vorrichtung und Verfahren zum Entfernen organischer Verunreinigungen auf einer Metalloberfläche |
RU2297886C2 (ru) * | 2005-06-06 | 2007-04-27 | Евгений Михайлович Борисов | Способ очистки поверхности и устройство для его осуществления |
RU2328364C2 (ru) * | 2006-08-21 | 2008-07-10 | Общество с ограниченной ответственностью "АГРОЭЛ" | Устройство для лазерной обработки поверхностей |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2619692C1 (ru) * | 2016-05-24 | 2017-05-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Волоконно-Оптического и Лазерного Оборудования" | Способ лазерной очистки металлов |
RU2718819C1 (ru) * | 2016-11-23 | 2020-04-14 | Аперам | Способ лазерной очистки от окалины движущегося металлического продукта и устройство для его осуществления |
US11548046B2 (en) | 2016-11-23 | 2023-01-10 | Aperam | Method for laser stripping a moving metal product and plant for the execution thereof |
CN109226100A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-01-18 | 中国科学院半导体研究所 | 用于脉冲抽运的调q激光清洗的扫描信号控制方法 |
WO2020181647A1 (zh) * | 2019-03-13 | 2020-09-17 | 何兴 | 网状激光清洗系统及方法 |
RU2739195C1 (ru) * | 2020-04-07 | 2020-12-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Нтц Тонкопленочных Технологий В Энергетике" | Вакуумная напылительная установка с системой лазерной очистки паллет (варианты) |
RU2785992C1 (ru) * | 2021-12-20 | 2022-12-15 | Общество с ограниченной ответственностью "ВИЗ-Сталь" | Способ удаления окалины с поверхности горячекатаного подката при производстве тонколистовой холоднокатаной электротехнической стали |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010126479A (ru) | 2012-01-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2445175C1 (ru) | Способ поверхностной лазерной обработки и устройство для его осуществления | |
EP3142824B1 (en) | Device for mask projection of femtosecond and picosecond laser beams with a blade, a mask and lenses' systems | |
US6670576B2 (en) | Method for producing images containing laser-induced color centers and laser-induced damages | |
KR20180055797A (ko) | 특정 출력 밀도 및/또는 특정 펄스 지속시간을 갖는 레이저를 이용한, 표면의 레이저 흑색화, 장치 및, 그의 방법 | |
WO2016008768A1 (de) | Verfahren und vorrichtung zum laserbasierten bearbeiten von flächigen, kristallinen substraten, insbesondere von halbleitersubstraten | |
JP2002141301A5 (ru) | ||
CN108604532B (zh) | 用于点波束结晶的方法和系统 | |
WO2006117936A1 (ja) | 岩石又はコンクリートの加工方法及びその装置 | |
US20020134765A1 (en) | Laser irradiating apparatus | |
KR20060115070A (ko) | 유기발광 디스플레이 제조용 레이저 패터닝 장치 및 방법 | |
US20040124184A1 (en) | Method and apparatus for forming periodic structures | |
CN107052584B (zh) | 激光脉冲诱导熔石英表面形成均匀光栅结构的方法 | |
JP2006110587A (ja) | レーザー干渉加工方法および装置 | |
WO2021151925A1 (de) | Laserbearbeitungsvorrichtung und verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks | |
CN110385530A (zh) | 一种准分子激光刻蚀氟化钙晶体形成周期性条纹的方法 | |
US20230150190A1 (en) | Method and apparatus for lithography-based generative manufacturing of a three-dimensional component | |
JPH0645272A (ja) | レーザアニール装置 | |
JP3412416B2 (ja) | ガラスマーキング方法 | |
Staggs et al. | Laser raster conditioning of KDP and DKDP crystals using XeCl and Nd: YAG lasers | |
RU2236952C2 (ru) | Способ скоростной лазерной маркировки и установка для его реализации | |
DE10128813B4 (de) | Bebilderung einer Druckplatte mit ultrakurzen Laserpulsen | |
RU2634338C1 (ru) | Способ и устройство для лазерной резки материалов | |
KR102622712B1 (ko) | 스팟 빔 및 라인 빔 결정화를 위한 시스템들 및 방법들 | |
JP4712147B2 (ja) | レーザ照射方法、表皮が除去された物の作製方法 | |
EP4159357A1 (en) | Method of and apparatus for cutting a substrate or preparing a substrate for cleaving |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130629 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150120 |