SU1657319A1

SU1657319A1 - Device for laser machining

Info

Publication number: SU1657319A1
Application number: SU894656540A
Authority: SU
Inventors: Евгений Олегович Псковитинов; Александр Григорьевич Шматко
Original assignee: Предприятие П/Я А-1067
Priority date: 1989-03-01
Filing date: 1989-03-01
Publication date: 1991-06-23

Abstract

Изобретение относитс к машиностроению и предназначено дл лазерной технологии с использованием С02 лаэеров с накачкой продольным самосто тельным разр дом. Цель изобретени - расширение технологических возможностей устройства путем реализации импульсного режима работы в излучателе непрерывного действи . Устройство содержит излучатель 1, высоковольтный выпр митель 2, стабилизатор 3 тока , сумматор 4, блок 5 управлени , первый источник 6 опорного напр жени , компаратор 8, генератор 9 и второй источник 10 опорного напр жени . Импульсный режим реализуетс предварительной ионизацией газоразр дного промежутка комплексным током, содержащим посто нную и импульсную составл ющие. Амплитуда комплексного тока находитс на уровне, при котором отсутствует генераци . Отношение посто нной составл ющей к импульсной выбираетс из услови устойчивости импульсного режима. Частота импульсов ионизации находитс в пределах 50 кГц, а сами импульсы присутствуют в токе излучател вплоть до момента, когда ток разр да, вызванный током , становитс устойчивым. Способ позвол ет формировать произвольную форму оптических импульсов вплоть до непрерывного излучени путем оптимизации условий предварительной ионизации газоразр дного промежутка комплесным током. 1 ил. ЁThe invention relates to mechanical engineering and is intended for laser technology using C02 laer with pumping longitudinal self-discharge. The purpose of the invention is to expand the technological capabilities of the device by implementing a pulsed mode of operation in a continuous-wave radiator. The device comprises an emitter 1, a high-voltage rectifier 2, a current stabilizer 3, an adder 4, a control unit 5, a first source 6 of reference voltage, a comparator 8, a generator 9 and a second source 10 of reference voltage. The pulsed mode is realized by preliminary ionization of the gas discharge gap by a complex current containing a constant and a pulsed component. The amplitude of the complex current is at a level at which there is no generation. The ratio of the constant component to the pulse is chosen from the condition of stability of the pulse mode. The frequency of the ionization pulses is within 50 kHz, and the pulses themselves are present in the radiator current up to the moment when the discharge current caused by the current becomes stable. The method allows the formation of an arbitrary shape of optical pulses up to continuous radiation by optimizing the conditions of preliminary ionization of the gas discharge gap by a complex current. 1 il. Yo

Description

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для лазерной технологии с использованием СО2 -лазеров с накачкой продольным самостоятельным разрядом.The invention relates to mechanical engineering and is intended for laser technology using CO2 lasers pumped by a longitudinal independent discharge.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем реализации импульсного режиму работы в излучателе непрерывного действия.The purpose of the invention is the expansion of technological capabilities by implementing a pulsed mode of operation in a continuous emitter.

На чертеже изображена функциональная схема устройства для лазерной обработки.The drawing shows a functional diagram of a device for laser processing.

Устройство содержит излучатель 1 с катодом К и анодом А, высоковольтный выпрямитель 2. стабилизатор 3 тока, сумматор 4, блок 5 управления, первый источник 6 опорного напряжения, резистор7. компараторе, генератор 9, второй источник 10 опорного напряжения. Выходы блока 5 управления и первого источника 6 опорного напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 4, выход сумматора 4 соединен с входом стабилизатора 3 тока, первый выход которого соединен с катодом К излучателя 1, а второй выход стабилизатора 3 тока соединен через резистор 7 с минусом высоковольтного выпрямителя 2, плюс которого соединен с анодом А излучателя 1. Выход второго источника 10 опорного напряжения соединен с первым входом компаратора 8, второй вход которого соединен с вторым выходом стабилизатора 3 тока, а выход компаратора 8 соединен с входом генератора 9. выход которого соединен с третьим входом сумматора 4.The device comprises a radiator 1 with a cathode K and anode A, a high-voltage rectifier 2. A current stabilizer 3, an adder 4, a control unit 5, a first reference voltage source 6, a resistor 7. a comparator, a generator 9, a second voltage source 10. The outputs of the control unit 5 and the first reference voltage source 6 are connected respectively to the first and second inputs of the adder 4, the output of the adder 4 is connected to the input of the current stabilizer 3, the first output of which is connected to the cathode K of the emitter 1, and the second output of the current stabilizer 3 is connected through a resistor 7 with the minus of the high-voltage rectifier 2, the plus of which is connected to the anode A of the emitter 1. The output of the second reference voltage source 10 is connected to the first input of the comparator 8, the second input of which is connected to the second output of the stabilizer 3 a, a comparator output coupled to the input of the generator 8, 9 whose output is connected to the third input of the adder 4.

Устройство работатет следующим образом.The device operates as follows.

При подаче напряжения сети постоянное напряжение с выхода первого источника 6 опорного напряжения поступает на второй вход сумматора 4. на третий вход которого с выхода генератора 9 поступают импульсы напряжения. Сумма этих двух напряжений с выхода сумматора 4 поступает на вход стабилизатора 3 тока и задает режим его работы. В результате по цепи излучатель 1. стабилизатор 3 тока, резистор 7 и высоковольтный выпрямитель 2 начинает протекать ток предварительной ионизации излучателя 1. содержащий как постоянную, так и импульсную составляющую. Амплитуда постоянной составляющей определяется выходным напряжением первого источника 6 опорного напряжения. Амплитуда и частота импульсной составляющей определяются генератором 9. На резисторе 7, находящемся в токовой цепи излучателя 1 возникает падение напряжения, которое подается на второй вход компаратора 8. На первый вход этого компаратора 8 поступает постоянное напряжение с выхода второго источника 10 опорного напряжения. Уровень этого напряжения выбирается выше, чем уровень падения напряжения на резисторе 7 от протекания тока предваритель ной ионизации.When the mains voltage is applied, a constant voltage from the output of the first reference voltage source 6 is supplied to the second input of the adder 4. voltage pulses are supplied to the third input of which from the output of the generator 9. The sum of these two voltages from the output of the adder 4 is fed to the input of the current stabilizer 3 and sets the mode of its operation. As a result, the emitter 1. The current stabilizer 3, the resistor 7, and the high-voltage rectifier 2 begin to flow through the circuit of the preliminary ionization of the emitter 1. Containing both a constant and a pulsed component. The amplitude of the DC component is determined by the output voltage of the first source 6 of the reference voltage. The amplitude and frequency of the pulse component are determined by the generator 9. At the resistor 7 located in the current circuit of the emitter 1, a voltage drop occurs, which is fed to the second input of the comparator 8. A constant voltage is supplied to the first input of this comparator 8 from the output of the second reference voltage source 10. The level of this voltage is chosen higher than the level of voltage drop across the resistor 7 from the flow of the preliminary ionization current.

При включении блока 5 управления на его выходе появляются импульсы управления с заданной частотой, длительностью и фор мой. Эти импульсы поступают на первый вход сумматора 4. где суммируются с напряжением от первого источника 6 опорного напряжения и с импульсами напряжения о¹генератора 9, т.е. сигнал управления накладывается на сигнал предварительной ионизации. Комплексный сигнал с выхода сумматора 4, воздействуя на вход стабилизатора 3 тока, заставляет изменяться ток. протекающий через излучатель 1 по закону, определяемому сигналом с выхода блока 5 управления.When the control unit 5 is turned on, control pulses appear at its output with a given frequency, duration, and shape. These pulses are fed to the first input of adder 4. where they are summed with the voltage from the first source 6 of the reference voltage and with voltage pulses about ^{1 of the} generator 9, i.e. the control signal is superimposed on the pre-ionization signal. The complex signal from the output of the adder 4, acting on the input of the current stabilizer 3, causes the current to change. flowing through the emitter 1 according to the law determined by the signal from the output of the control unit 5.

При достижении тока в излучателе 1 и. следовательно, тока через резистор 7 дс величины, при которой разряд становится устойчивым, на резисторе 7 выделяется напряжение, величина которого становится достаточной для того, чтобы сработал компаратор 8. При этом генератор 9 отключается и ионизация излучателя 1 импульсным током прекращается. При снижении тока в излучателе 1 и, следовательно, уменьшении тока через резистор 7 до величины, при которой разряд может стать неустойчивым, на резисторе 7 падение напряжения уменьшается до величины, при которой компаратор 8 возвращается в свое исходное положение. При этом генератор 8 включается и импульсы ионизации с выхода генератора 9 через сумматор 4 вновь поступят на вход стабилизатора 3 тока. Следовательно, в токе, протекающем через излучатель 1, снова появится импульсная составляющая тока ионизации, которая будет препятствовать срыву разрядного тока и срыву генерации. Принцип работы устройства не зависит от режима работы излучателя 1 (импульсного или непрерывного) и определяется только величиной разрядного тока излучателя 1, задаваемой блоком 5 управления. Предварительная ионизация разрядного промежутка постоянным ' оком далеко не всегда позволяет реализовать импульсный режим работы излучателя непрерывного дейс~вия.Upon reaching the current in the emitter 1 and. therefore, the current through the resistor 7 ds of the magnitude at which the discharge becomes stable, a voltage is released on the resistor 7, the value of which becomes sufficient for the comparator 8 to work. In this case, the generator 9 is turned off and the ionization of the emitter 1 by the pulse current is stopped. When reducing the current in the emitter 1 and, therefore, reducing the current through the resistor 7 to a value at which the discharge may become unstable, the voltage drop across the resistor 7 decreases to a value at which the comparator 8 returns to its original position. When this generator 8 is turned on and the ionization pulses from the output of the generator 9 through the adder 4 will again be fed to the input of the current stabilizer 3. Therefore, in the current flowing through the emitter 1, the pulse component of the ionization current will again appear, which will prevent the stall of the discharge current and the stall of generation. The principle of operation of the device does not depend on the operating mode of the emitter 1 (pulse or continuous) and is determined only by the value of the discharge current of the emitter 1 set by the control unit 5. The preliminary ionization of the discharge gap by a constant eye does not always make it possible to realize the pulsed mode of operation of a continuous-action radiator.

Даже если сформировать сигнал управления, состоящий из импульса накачки, следующего за лачкой импульсов ионизации такой комплексный сигнал управления не гарантирует ргботу излучателя непрерывного действия в импульсном режиме. По ’(>5 7319 скольку фронт импульса накачки можгл быть различным по длительности (зависит от технологии), то уровень тока, при кото ром разряд становится устойчивым, может во времени далеко отстоять от после днего импульса ионизации. При этом концентрация электронов в плазме может значительно снизиться, что приведет к срыву импульса накачки, а следовательно, импульсный режим не будет реализован.Even if a control signal is formed, which consists of a pump pulse following the flicker of ionization pulses, such a complex control signal does not guarantee continuous operation of the emitter in a pulsed mode. Since (> 5 7319, since the front of the pump pulse could be different in duration (technology dependent), the current level at which the discharge becomes stable can be far from the last ionization pulse in time. In this case, the electron concentration in the plasma can significantly decrease, which will lead to the disruption of the pump pulse, and therefore, the pulse mode will not be implemented.

Аналогичный эффект произойдет если даже крутой фронт импульса накачки будет отстоять от последнего импульса ионизации на время, достаточное для снижения концентрации электронов.A similar effect will occur if even the steep front of the pump pulse is separated from the last ionization pulse by a time sufficient to reduce the electron concentration.

Сущность изобретения заключается в том, что в паузах между импульсами накачки, задаваемыми блоком управления, на постоянный ток предварительной ионизации, который задается первым источником опорного напряжения, накладывается импульсный ток предварительной ионизации, который задается генератором. Комплексное воздействие постоянного и импульсного токов, протекающих по основному энергетическому каналу, ионизирует излучатель намного эффективнее, причем за счет наличия цепи обратной связи с второго выхода стабилизатора на второй вход компаратора происходит слежение за развитием тока разряда в излучателе и осуществление процесса импульсной ионизации вплоть до момента, когда ток в излучателе достигает величины, при которой разряд становится устойчивым. Амплитуды постоянного и импульсного токов ионизации выбираются так. чтобы управляющий сигнал с выхода сумматора обеспечивал ток стабилизации и, следовательно, ток излучателя на уровне, при котором отсутствует ге нерация. Отношение амплитуды постоянного тока ионизации к амплитуде импульсного тока ионизации и частота им пульсного тока ионизации выбираются из соображений устойчивости импульсного режима работы излучателя.The essence of the invention lies in the fact that in the pauses between the pump pulses specified by the control unit, the pulsed pre-ionization current, which is set by the generator, is superimposed on the direct pre-ionization current, which is set by the first reference voltage source. The combined effect of direct and pulsed currents flowing through the main energy channel ionizes the emitter much more efficiently, and due to the feedback circuit from the second output of the stabilizer to the second input of the comparator, the development of the discharge current in the emitter is monitored and the pulse ionization process is carried out up to the moment when the current in the emitter reaches a value at which the discharge becomes stable. The amplitudes of the constant and pulsed ionization currents are chosen as follows. so that the control signal from the output of the adder provides the stabilization current and, therefore, the emitter current at a level at which there is no generation. The ratio of the amplitude of the direct ionization current to the amplitude of the pulsed ionization current and the frequency of the pulsed ionization current are selected for reasons of stability of the pulsed mode of operation of the emitter.

Таким образом, устройство для лазерной обработки автоматически в паузах между импульсами накачки осуществляет ионизацию газоразрядного промежутка излучателя комплексным током вплоть до момента развития устойчивого разряда. Это позволяет осуществить импульсный режим работы в излучателе непрерывного дейст вия без изменения конструкции излучателя, введения дополнительных высоковольтных, устройств и усложнения блока управления.Thus, the device for laser processing automatically in the pauses between the pump pulses ionizes the gas-discharge gap of the emitter with a complex current until the development of a stable discharge. This makes it possible to perform a pulsed mode of operation in a continuous emitter without changing the design of the emitter, introducing additional high voltage devices and complicating the control unit.

Создан макет устройства для лазерной обработки. На макете реализованы два режима работы излучателя непрерывный и импульсный. В непрерывном режиме устройство позволило изменить мощность излучения от нуля до максимума по любому закону без срывов генерации. В импульсном режиме устройство позволяет изменять длительность импульсов излучения от 100 мкс до секунд и скважность минимум до 2. В импульсном режиме устройство позволяет реализовать режим с превышением мощности в импульсе излучения над максимальной мощностью в непрерывном режиме в 3 раза.A mock device for laser processing. The layout implements two operating modes of the emitter continuous and pulsed. In continuous mode, the device allowed changing the radiation power from zero to maximum according to any law without interruption of generation. In pulsed mode, the device allows you to change the duration of the radiation pulses from 100 μs to seconds and duty cycle of at least 2. In pulsed mode, the device allows you to implement a mode with an excess of power in the radiation pulse over the maximum power in continuous mode by 3 times.

Как показали эксперименты, установка на основе предлагаемого устройства может применяться для выполнения ряда технологических операций:резки, сварки, пробивки отверстий, термоупрочнения и их комбинаций. При этом отсутствует необходимость в разработке нового типа излучателя.As experiments have shown, an installation based on the proposed device can be used to perform a number of technological operations: cutting, welding, punching, heat strengthening, and combinations thereof. There is no need to develop a new type of emitter.

Claims

Claim

A laser processing device comprising an emitter, a high-voltage rectifier, a current stabilizer, an adder, a control unit and the first reference voltage source, in which the outputs of the control unit and the first reference voltage source are connected to the first and second adders respectively, the output of which is connected to the current stabilizer input , the first output of which is connected to the cathode of the radiator, and the second output through a resistor with a negative bus of a high-voltage rectifier, the plus bus of which is connected to the anode of the radiation In order to expand technological capabilities by implementing a pulsed mode of operation in a continuous emitter, it is equipped with a comparator, a generator and a second reference voltage source, the output of which is connected to the first input of the comparator, the second input of which is connected to the second output of the current stabilizer , the comparator output is connected to the control input of the generator, the output of which is connected to the third input of the adder.