WO2024030048A1 - Method for irradiating the surface of a part using a multi-beam laser system - Google Patents
Method for irradiating the surface of a part using a multi-beam laser system Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024030048A1 WO2024030048A1 PCT/RU2023/050095 RU2023050095W WO2024030048A1 WO 2024030048 A1 WO2024030048 A1 WO 2024030048A1 RU 2023050095 W RU2023050095 W RU 2023050095W WO 2024030048 A1 WO2024030048 A1 WO 2024030048A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- laser
- block
- output
- optical
- laser system
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 title claims 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000002679 ablation Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 33
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 19
- 230000004927 fusion Effects 0.000 claims description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 abstract description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 abstract description 7
- JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N iron(III) oxide Inorganic materials O=[Fe]O[Fe]=O JEIPFZHSYJVQDO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 238000013532 laser treatment Methods 0.000 abstract 1
- 238000011282 treatment Methods 0.000 abstract 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000264877 Hippospongia communis Species 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000012943 hotmelt Substances 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/23—Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
Definitions
- the invention relates to methods and devices for increasing the output power of lasers used in compact portable devices for laser processing (cleaning) of parts using the ablation method by removing damaged layers, rust and other foreign materials and deposits from the surface of a solid body.
- lasers The scope of lasers is wide - from telecom to space applications of high-power lasers.
- there is a class of lasers with an average power of 100-200 W which are convenient to use in compact portable installations as hand-held welding machines, removers of rust, paint, sediment on the bottoms of marine vehicles, and in other cases.
- laser radiation is output through one optical fiber or through one fiber combiner.
- the output power is lower than in the second and, as a result, the performance of the device decreases.
- the issue of combining multiple fibers from individual laser sources into a total beam is ambiguous and can be done in different ways.
- Patent RU 2619692 C1 proposes an invention that relates to the field of mechanical engineering, instrument engineering, laser technology and technology and can be used for laser cleaning of unwanted layers and contaminants, in particular for removing rust, scale, paint from the surfaces of various metal objects, such as steel pipes, sheets, wheelsets of rolling stock on railway transport, coins, bronze, weapons, etc.
- a method for cleaning metals involves using a spot on the surface to be cleaned with a laser radiation power density sufficient to cause thermal destruction of the coating. To do this, continuous laser radiation is used, the spot of which on the surface of the product is continuously moved along a closed circular path, the center of curvature of which is linearly moved along a path of any configuration to obtain a continuous processing strip.
- a technical result is achieved: increasing the productivity of laser cleaning of metal surfaces by increasing the bandwidth of the treated surface, however, the power is limited by the power of one laser used and it is hardly possible to achieve a compromise between the compactness of the proposed circuit and the required power of tens of kilowatts; not every 10 kW continuous laser is possible carry in your arms.
- the purpose of the present invention is to develop a method for increasing the output power of medium-power lasers without losing the quality of the output radiation by specially combining fiber outputs from different lasers for the purpose of processing the surfaces of solids, machine parts and structures with compact portable systems.
- the use of this method makes it possible to implement new laser systems and devices for cleaning solid surfaces.
- compactness of the system increase in the total output power of lasers and system performance, selection of the processing mode of the part according to the level of radiation power density.
- the essence of the method is to irradiate the surface of the part with a multi-beam laser system, including the output of laser radiation from individual lasers with a fiber output by combining them on the input face of at least one combiner in the form of a block from the same base material as the optical fibers of the lasers, by fusing their output end with the input flat face of the block in such a way that before fusion, the laser fibers are oriented normal to the surface of the block face, have a straight cleavage and do not touch each other, and the output opposite face of the block ensures the output of diverging in free space from each the end of the fiber bundles in the direction of the optical system, which forms a scalable image magnified by 3-5 times on the surface being processed, in the configuration of the location of the ends of the fibers on the input face at the place of their fusion with the block.
- a laser system is also proposed for processing the surface of a part by ablation using radiation from laser sources ordered among themselves, to implement the method, containing:
- Fig. 1 Photograph of the fusion site of the input face of the quartz block with quartz fibers from lasers arranged in one row.
- Fig. 2 Photograph of light spots in the focal plane of the lens.
- Fig. 3 Block diagram of the laser system, arrows conventionally indicate the path of the rays.
- Fig. 4. Angular orientation of the distribution pattern of light spots in the focal plane of the lens.
- Fig. 5 Arrangement of two truncated blocks with fibers.
- the output from each of the 5 fibers was 20 ⁇ m and, after passing through the block after fusion, the apertures, as well as the spaces between the fibers, undergo a large-scale increase depending on the required power density in the spot in the focal plane of the lens, which in turn depends on the power at the entrance to the block, typically 3-5 times.
- the type of lasers used, their wavelengths and the fibers themselves may be different depending on the tasks being solved in the application of the method.
- the configuration of the arrangement of the ends of the fibers spaced apart relative to each other on the input face of the block at the place of their fusion with the block is such that there is no deterioration in the quality of the output radiation from each laser at the output of the optical system due to the mutual influence of adjacent junctions and pulsed and/or continuous radiation from multiple laser sources is delivered to the place where the part is illuminated without distorting the quality of each beam and without deforming the distribution of light spots in the focal plane of the lens as a result of a scalable increase in the pattern of junction distribution on the block.
- FIG. Figure 3 shows a block diagram of a system for implementing a method of illuminating the surface of a workpiece by increasing the summation of the output power of lasers used in compact portable devices for laser processing (cleaning) of parts using the ablation method by removing the damaged layer, rust and other foreign materials and deposits from the surface of a solid body.
- Radiation energy from laser sources 1-5 is supplied through cable 6 with fiber outputs 7-11, the ends of which are fused with the input face 12 of block 13.
- the radiation is reflected on the reflecting element (mirror or prism) 14 and is directed to lens 15 containing at least at least one collimating 16 and focusing 17 lens, at the output of which there is a dynamic optical system 18 that deflects radiation beams and protects against decomposition products from the surface of the workpiece 19, a window 20 transparent to radiation, in front of the surface of the part 21 located in the focal plane of the lens.
- lens 15 containing at least at least one collimating 16 and focusing 17 lens, at the output of which there is a dynamic optical system 18 that deflects radiation beams and protects against decomposition products from the surface of the workpiece 19, a window 20 transparent to radiation, in front of the surface of the part 21 located in the focal plane of the lens.
- the beam combiner in the form of block 13 is made of quartz glass or optical polymers.
- the lens 15 contains at least one collimating and focusing lens, as well as a reflective element 14 in the form of a mirror or prism at its input to change the direction of the rays.
- the beam deflection in the deflecting dynamic system 17 is carried out by a galvanic scanner with a scanning mirror or an optomechanical rotating beam scanning device, and the trajectory of the spots along the treated surface can be either translational or rotational or a combination thereof.
- the ends of the fibers at the place where they are soldered to the block are ordered in one direction, in a line with spaces between adjacent junctions, and the block itself has the ability to rotate at an angle within 0-90° relative to the X direction of the deflecting dynamic system to obtain different filling the scanning field (along the X axis, see Fig. 4): narrow solid 22, striped 23 or wide solid 24, depending on the required surface radiation power density and the productivity of the ablation process, and in the transverse Y direction the shift of the scanning field is carried out manually or automatic mode.
- the block is made in the form of a cylindrical body with a conical part on the side of the fiber junctions at its truncated top (see Fig. 1).
- the optical combiner in the form of a cylindrical body with a truncated cone on the fiber side, is transformed by two secant planes on opposite sides of its longitudinal axis to obtain a flattened block and the possibility of stacking such blocks on top of each other along the planes (see Fig. Fig. 5) to increase the total power at the system output.
- the fiber distribution pattern at the place of welding with the block is also possible, for example in the form of honeycombs or other two-dimensional distributions on one face of the block.
- the invention was implemented on the example of a 6-channel laser system by combining 6 fiber outputs of pulsed pico-second diode-pumped fiber lasers with a central wavelength of 1.06 ⁇ m with an average power per channel of 170 W and tested in the process of removing rust from a complex surface of a steel part with the manual execution of the emitting unit, that is, when the displacement along the Y axis across the scanning direction of the X axis (Fig. 4) was performed by the operator’s hand at a speed of up to 10 cm/s (50 cm 2 /s with a scan line width along the X axis of 5 cm at sweep frequency 100-300 Hz). This processing demonstrated the high performance of the system.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
The invention relates to methods and devices for increasing the output power of lasers used in compact portable devices for the laser treatment (cleaning) of parts by ablation to remove a damaged layer, rust and other foreign matter, or accretions from the surface of a solid object. The essence of the method lies in forming weld seams between individual fibres of a laser and an edge of a combiner made of the same material as said fibres, in a given configuration. The claimed device embodiments are used for carrying out this method and contain an emitting unit for manual or automatic use. The result is a compact system, an increase in the total output power of the lasers and the efficiency of the system, and the possibility of selecting the treatment mode in terms of the level of power density of the radiation.
Description
СПОСОБ ОБЛУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛИ МНОГОЛУЧЕВОЙ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМОЙ METHOD OF IRRADIATION OF A PART SURFACE WITH A MULTI-BEAM LASER SYSTEM
Область техники Field of technology
Изобретение относится к способам и устройствам для увеличения выходной мощности лазеров используемых в компактных переносных устройствах лазерной обработки (очистки) деталей методом абляции посредством удаления с поверхности твердого тела поврежденного слоя, ржавчины и других инородных материалов и наслоений. The invention relates to methods and devices for increasing the output power of lasers used in compact portable devices for laser processing (cleaning) of parts using the ablation method by removing damaged layers, rust and other foreign materials and deposits from the surface of a solid body.
Уровень техники State of the art
Область применения лазеров широк - от телекома до космических применений мощных лазеров. Однако, есть класс лазеров средней мощности 100-200 Вт, которые удобно использовать в компактных переносных установках в качестве ручных сварочных аппаратов, очистителей от ржавчины, краски, осадочных пород на днищах морских транспортов и в других случаях. В таких устройствах лазерное излучение выводят через одно оптическое волокно или через один волоконный объединитель. В первом случае мощность на выходе ниже, чем во втором и как следствие снижается производительность аппарата. Однако и вопрос объединения множества волокон от отдельных лазерных источников в суммарный пучок - неоднозначный и может быть выполнен разными способами. The scope of lasers is wide - from telecom to space applications of high-power lasers. However, there is a class of lasers with an average power of 100-200 W, which are convenient to use in compact portable installations as hand-held welding machines, removers of rust, paint, sediment on the bottoms of marine vehicles, and in other cases. In such devices, laser radiation is output through one optical fiber or through one fiber combiner. In the first case, the output power is lower than in the second and, as a result, the performance of the device decreases. However, the issue of combining multiple fibers from individual laser sources into a total beam is ambiguous and can be done in different ways.
В патенте RU 2439627 С2 для объединения пучка волокон в виде многосердцевидного волокна используют способ и установочный элемент с множеством капиллярных трубок в которые вставляют волокна для их объединения и далее нагревом сплавляют их, причем материал этого элемента является стеклом с более низким коэффициентом преломления, чем у кварцевого волокна и более низкой температурой плавления, а значит оптикофизические характеристики таких материалов имеют границу, возрастают оптические потери и ухудшается качество оптического пучка на выходе из такого сплавного элемента, а точнее сказать из термоклеенного элемента, поскольку кварц в этой технологии не оплавляется. Технология трудоемкая и плохо воспроизводимая. In patent RU 2439627 C2, to combine a bundle of fibers in the form of a multi-core fiber, a method and an installation element with a plurality of capillary tubes are used into which fibers are inserted to combine them and then fused by heating, and the material of this element is glass with a lower refractive index than quartz fibers and a lower melting point, which means the optical-physical characteristics of such materials have a limit, optical losses increase and the quality of the optical beam at the exit from such an alloy element, or more precisely from a hot-melt element, deteriorates, since quartz is not melted in this technology. The technology is labor-intensive and poorly reproducible.
В патенте RU 2619692 С1 предложено изобретение, которое относится к области машиностроения, приборостроения, лазерной техники и технологии и может быть
использовано для лазерной очистки от нежелательных слоев и загрязнений, в частности для удаления ржавчины, окалины, краски с поверхностей различных металлических объектов, таких как стальные трубы, листы, колесные пары подвижного состава на железнодорожном транспорте, монеты, бронза, оружие и т.д. Способ очистки металлов заключается в использовании на очищаемой поверхности пятна с плотностью мощности лазерного излучения, достаточной для возникновения процессов терморазрушения покрытия. Для этого используют непрерывное лазерное излучение, пятно которого на поверхности изделия непрерывно перемещают по замкнутой круговой траектории, центр кривизны которой при этом линейно перемещают по траектории любой конфигурации для получения непрерывной полосы обработки. Достигается технический результат: увеличение производительности лазерной очистки металлических поверхностей за счет увеличения ширины полосы обрабатываемой поверхности, однако мощность ограничена мощностью одного используемого лазера и достичь компромисс между компактностью предложенной схемы и требуемой мощностью в десятки киловатт вряд ли возможно, не всякий же 10 кВт непрерывный лазер можно носить на руках. Patent RU 2619692 C1 proposes an invention that relates to the field of mechanical engineering, instrument engineering, laser technology and technology and can be used for laser cleaning of unwanted layers and contaminants, in particular for removing rust, scale, paint from the surfaces of various metal objects, such as steel pipes, sheets, wheelsets of rolling stock on railway transport, coins, bronze, weapons, etc. A method for cleaning metals involves using a spot on the surface to be cleaned with a laser radiation power density sufficient to cause thermal destruction of the coating. To do this, continuous laser radiation is used, the spot of which on the surface of the product is continuously moved along a closed circular path, the center of curvature of which is linearly moved along a path of any configuration to obtain a continuous processing strip. A technical result is achieved: increasing the productivity of laser cleaning of metal surfaces by increasing the bandwidth of the treated surface, however, the power is limited by the power of one laser used and it is hardly possible to achieve a compromise between the compactness of the proposed circuit and the required power of tens of kilowatts; not every 10 kW continuous laser is possible carry in your arms.
Поэтому вопрос создания компактного переносного лазера, обладающего средней мощностью кило-ваттного лазера требует дополнительного рассмотрения и рассматривается в настоящем изобретении. Therefore, the issue of creating a compact portable laser with an average kilowatt laser power requires additional consideration and is considered in the present invention.
Раскрытие изобретения Disclosure of the Invention
Целью настоящего изобретения является развитие способа увеличения выходной мощности лазеров средней мощности без потери качества излучения на его выходе путем особого объединения волоконных выходов от разных лазеров для целей обработки поверхностей твердых тел, деталей машин и конструкций компактными переносными системами. Применение такого способа позволяет реализовать новые лазерные системы и устройства для очистки поверхности твердого тела. Технический результат: компактность системы, повышение суммарной выходной мощности лазеров и производительности системы, выбора режима обработки детали по уровню плотности мощности излучения. The purpose of the present invention is to develop a method for increasing the output power of medium-power lasers without losing the quality of the output radiation by specially combining fiber outputs from different lasers for the purpose of processing the surfaces of solids, machine parts and structures with compact portable systems. The use of this method makes it possible to implement new laser systems and devices for cleaning solid surfaces. Technical result: compactness of the system, increase in the total output power of lasers and system performance, selection of the processing mode of the part according to the level of radiation power density.
Сущность способа состоит в облучении поверхности детали многолучевой лазерной системой, включающий вывод лазерного излучения от отдельных лазеров с волоконным выходом посредством их объединения на входной грани по меньшей мере одного объединителя в виде блока из той же основы материала, что и оптические волокна лазеров,
путем их сплавления своим выходным торцом с входной плоской гранью блока таким образом, чтобы перед сплавлением волокна лазеров были ориентированы по нормали к поверхности грани блока, имели прямой скол и не соприкасались между собой, а выходная противоположная грань блока обеспечивает вывод расходящихся в свободном пространстве от каждого торца волокна пучков в направлении оптической системы, формирующей масштабируемое увеличенное в 3-5 крат изображение на обрабатываемой поверхности, в конфигурации расположения торцов волокон на входной грани в месте их сплавления с блоком. The essence of the method is to irradiate the surface of the part with a multi-beam laser system, including the output of laser radiation from individual lasers with a fiber output by combining them on the input face of at least one combiner in the form of a block from the same base material as the optical fibers of the lasers, by fusing their output end with the input flat face of the block in such a way that before fusion, the laser fibers are oriented normal to the surface of the block face, have a straight cleavage and do not touch each other, and the output opposite face of the block ensures the output of diverging in free space from each the end of the fiber bundles in the direction of the optical system, which forms a scalable image magnified by 3-5 times on the surface being processed, in the configuration of the location of the ends of the fibers on the input face at the place of their fusion with the block.
Также предлагается лазерная система для обработки методом абляции поверхности детали излучением от лазерных источников, упорядоченных между собой, для осуществления способа, содержащая: A laser system is also proposed for processing the surface of a part by ablation using radiation from laser sources ordered among themselves, to implement the method, containing:
- лазерные источники, объединенные путем сплавления с входной гранью в корпусе излучающего модуля; - laser sources combined by fusion with the input face in the body of the emitting module;
- оптическую систему в виде объектива; - optical system in the form of a lens;
- отклоняющая пучки излучения динамическая оптическая система на выходе оптической системы в корпусе излучающего модуля; - a dynamic optical system deflecting radiation beams at the output of the optical system in the housing of the emitting module;
- защитное окно на выходе излучения из лазерной системы в корпусе излучающего модуля и подводящий к нему оптический входной кабель с волокнами от каждого лазера. - a protective window at the output of radiation from the laser system in the body of the emitting module and an optical input cable with fibers from each laser leading to it.
Другие преимущества изобретения будут раскрыты в его описании и проиллюстрированы на чертежах и примерах осуществления. Other advantages of the invention will be set forth in the description and illustrated in the drawings and exemplary embodiments.
Краткое описание чертежей Brief description of drawings
Фиг. 1. Фотография места сплавления входной грани кварцевого блока с кварцевыми волокнами от лазеров, расположенными в один ряд. Fig. 1. Photograph of the fusion site of the input face of the quartz block with quartz fibers from lasers arranged in one row.
Фиг. 2. Фотография световых пятен в фокальной плоскости объектива. Fig. 2. Photograph of light spots in the focal plane of the lens.
Фиг. 3. Блок-схема лазерной системы, стрелки условно указывают ход лучей. Fig. 3. Block diagram of the laser system, arrows conventionally indicate the path of the rays.
Фиг. 4. Угловая ориентация картины распределения световых пятен в фокальной плоскости объектива. Fig. 4. Angular orientation of the distribution pattern of light spots in the focal plane of the lens.
Фиг. 5. Компоновка двух усеченных плоскостями блоков с волокнами. Fig. 5. Arrangement of two truncated blocks with fibers.
Осуществление изобретения
Как указывалось выше одной из целей предложенного способа засветки поверхности детали было увеличение выходной мощности лазерной системы без ухудшения качества излучения от каждого лазера. Для этого сплавление с гранью блока выходных волокон от каждого лазера осуществляют таким образом, чтобы перед сплавлением волокна были ориентированы по нормали к поверхности, имели прямой скол и не соприкасались между собой (см. Фиг. 1), не искажая выходную апертуру каждого оптического канала. Размер апертур в указанном фото на Фиг. 2 случае на выходе из каждого из 5 волокон равнялся 20 мкм и после прохождения через блок после сплавления апертуры, как и промежутки между волокнами, претерпевают масштабное увеличение в зависимости от требуемой плотности мощности в пятне в фокальной плоскости объектива, что в свою очередь зависит от мощности на входе в блок, типично это 3 -5 крат. Разумеется, тип используемых лазеров, их длины волн и сами волокна могут быть разными в зависимости от решаемых задач по применению способа. Carrying out the invention As stated above, one of the goals of the proposed method of illuminating the surface of a part was to increase the output power of the laser system without degrading the quality of the radiation from each laser. To do this, fusion of the output fibers from each laser to the edge of the block is carried out in such a way that before fusion the fibers are oriented normal to the surface, have a direct chip and do not touch each other (see Fig. 1), without distorting the output aperture of each optical channel. The size of the apertures in the indicated photo in Fig. In case 2, the output from each of the 5 fibers was 20 µm and, after passing through the block after fusion, the apertures, as well as the spaces between the fibers, undergo a large-scale increase depending on the required power density in the spot in the focal plane of the lens, which in turn depends on the power at the entrance to the block, typically 3-5 times. Of course, the type of lasers used, their wavelengths and the fibers themselves may be different depending on the tasks being solved in the application of the method.
Поэтому существенно, что конфигурация расположения торцов, разнесенных по отношению друг к другу волокон на входной грани блока в месте их сплавления с блоком такова, что не происходит ухудшение качества выходного излучения от каждого лазера на выходе оптической системы из-за взаимного влияния соседних спаев и импульсное и/или непрерывное излучение от множества лазерных источников доставляется к месту засветки детали без искажения качества каждого пучка и без деформации распределения световых пятен в фокальной плоскости объектива в следствие масштабируемого увеличения картины распределения спаев на блоке. Therefore, it is important that the configuration of the arrangement of the ends of the fibers spaced apart relative to each other on the input face of the block at the place of their fusion with the block is such that there is no deterioration in the quality of the output radiation from each laser at the output of the optical system due to the mutual influence of adjacent junctions and pulsed and/or continuous radiation from multiple laser sources is delivered to the place where the part is illuminated without distorting the quality of each beam and without deforming the distribution of light spots in the focal plane of the lens as a result of a scalable increase in the pattern of junction distribution on the block.
На Фиг. 3 представлена блок схема системы для осуществления способа засветки обрабатываемой поверхности детали при увеличении суммированием выходной мощности лазеров, используемых в компактных переносных устройствах лазерной обработки (очистки) деталей методом абляции посредством удаления с поверхности твердого тела поврежденного слоя, ржавчины и других инородных материалов и наслоений. Лучевая энергия от лазерных источников 1-5 подводится по кабелю 6 с волоконными выходами 7- 11, концы которых сплавлены с входной гранью 12 блока 13. Излучение испытывает отражение на отражающем элементе (зеркале или призме) 14 и направляется в объектив 15, содержащий по меньшей мере по одной коллимирующей 16 и фокусирующей 17 линзе, на выходе которого расположена отклоняющая пучки излучения динамическая оптическая система 18 и защищающее от продуктов разложения с поверхности обрабатываемой детали
19 прозрачное для излучения окно 20, перед находящейся в фокальной плоскости объектива поверхности детали 21. In FIG. Figure 3 shows a block diagram of a system for implementing a method of illuminating the surface of a workpiece by increasing the summation of the output power of lasers used in compact portable devices for laser processing (cleaning) of parts using the ablation method by removing the damaged layer, rust and other foreign materials and deposits from the surface of a solid body. Radiation energy from laser sources 1-5 is supplied through cable 6 with fiber outputs 7-11, the ends of which are fused with the input face 12 of block 13. The radiation is reflected on the reflecting element (mirror or prism) 14 and is directed to lens 15 containing at least at least one collimating 16 and focusing 17 lens, at the output of which there is a dynamic optical system 18 that deflects radiation beams and protects against decomposition products from the surface of the workpiece 19, a window 20 transparent to radiation, in front of the surface of the part 21 located in the focal plane of the lens.
Существенно, что в лазерной системе объединитель пучков в виде блока 13 выполнен из кварцевого стекла или оптических полимеров. It is important that in the laser system the beam combiner in the form of block 13 is made of quartz glass or optical polymers.
Существенно, что в лазерной системе объектив 15 содержит по меньшей мере по одной коллимирующей и фокусирующей линзе, а также отражающий элемент 14 в виде зеркала или призмы на его входе для изменения направления хода лучей. It is essential that in the laser system, the lens 15 contains at least one collimating and focusing lens, as well as a reflective element 14 in the form of a mirror or prism at its input to change the direction of the rays.
Существенно, что в лазерной системе отклонение луча в отклоняющей динамической системе 17 осуществляется гальваносканером с зеркалом развертки или оптикомеханическим вращаемым устройством развертки луча, причем траектория движения пятен по обрабатываемой поверхности может быть как поступательной так и вращательной или их комбинацией. It is important that in a laser system, the beam deflection in the deflecting dynamic system 17 is carried out by a galvanic scanner with a scanning mirror or an optomechanical rotating beam scanning device, and the trajectory of the spots along the treated surface can be either translational or rotational or a combination thereof.
Существенно, что в лазерной системе торцы волокон в месте их спайки с блоком упорядочены в одном направлении, в линию с промежутками между соседними спаями, а сам блок имеет возможность поворачиваться на угол в пределах 0-90° относительно направления X отклоняющей динамической системы для получения различного заполнения поля сканирования (вдоль оси X, см. Фиг. 4): узкого сплошного 22, полосчатого 23 или широкого сплошного 24, в зависимости от требуемой поверхностной плотности мощности излучения и производительности процесса абляции, причем в поперечном направлении Y смещения поля сканирования осуществляют в ручном или автоматическом режиме. It is important that in the laser system, the ends of the fibers at the place where they are soldered to the block are ordered in one direction, in a line with spaces between adjacent junctions, and the block itself has the ability to rotate at an angle within 0-90° relative to the X direction of the deflecting dynamic system to obtain different filling the scanning field (along the X axis, see Fig. 4): narrow solid 22, striped 23 or wide solid 24, depending on the required surface radiation power density and the productivity of the ablation process, and in the transverse Y direction the shift of the scanning field is carried out manually or automatic mode.
Существенно, что в лазерной системе блок выполнен в виде цилиндрического тела с конической частью со стороны спаев волокон на его усеченной вершине (см. Фиг. 1). It is important that in the laser system the block is made in the form of a cylindrical body with a conical part on the side of the fiber junctions at its truncated top (see Fig. 1).
Существенно, что в лазерной системе оптический объединитель (блок), в виде цилиндрического тела с усеченным конусом со стороны волокон, преобразуют двумя секущими плоскостями по разные стороны его продольной оси для получения уплощенного блока и возможности укладки таких блоков друг на друга по плоскостям (см. Фиг. 5) для увеличения суммарной мощности на выходе системы.
Разумеется, возможна и другая конфигурация картины распределения волокон в месте сварки с блоком, например в виде сот или иных двумерных распределений на одной грани блока. It is important that in a laser system, the optical combiner (block), in the form of a cylindrical body with a truncated cone on the fiber side, is transformed by two secant planes on opposite sides of its longitudinal axis to obtain a flattened block and the possibility of stacking such blocks on top of each other along the planes (see Fig. Fig. 5) to increase the total power at the system output. Of course, another configuration of the fiber distribution pattern at the place of welding with the block is also possible, for example in the form of honeycombs or other two-dimensional distributions on one face of the block.
Изобретение осуществлено на примере 6-канальной лазерной системы путем объединения 6 волоконных выходов импульсных пико-секундных волоконных лазеров с диодной накачкой с центральной длиной волны 1,06 мкм со средней мощностью по каждому каналу 170 Вт и испытано в процессе удаления ржавчины со сложной поверхности стальной детали при ручном исполнении излучающего блока, то есть когда смещение вдоль оси Y поперек развертки сканирующего направления оси X (Фиг. 4) выполнялось рукой оператора со скоростью до 10 см/с (50 см2/с при ширине линии развертки по оси X 5 см при частоте развертки 100-300 Гц). Данная обработка продемонстрировала высокую производительность системы. The invention was implemented on the example of a 6-channel laser system by combining 6 fiber outputs of pulsed pico-second diode-pumped fiber lasers with a central wavelength of 1.06 μm with an average power per channel of 170 W and tested in the process of removing rust from a complex surface of a steel part with the manual execution of the emitting unit, that is, when the displacement along the Y axis across the scanning direction of the X axis (Fig. 4) was performed by the operator’s hand at a speed of up to 10 cm/s (50 cm 2 /s with a scan line width along the X axis of 5 cm at sweep frequency 100-300 Hz). This processing demonstrated the high performance of the system.
Таблица 1
Таблица 2
Таблица 3
Table 1 table 2 Table 3
Для специалистов в данной области техники должно быть очевидным, что изобретение не ограничено вариантами осуществления, представленными выше, и что в него могут быть включены изменения в пределах объема притязаний представленной формулы изобретения. Отличительные особенности, представленные в описании совместно с другими отличительными особенностями, в случае необходимости, могут также быть использованы отдельно друг от друга.
It will be apparent to those skilled in the art that the invention is not limited to the embodiments presented above, and that modifications may be included within the scope of the presented claims. The distinctive features presented in the description together with other distinctive features, if necessary, can also be used separately from each other.
Claims
1. Способ облучения поверхности детали многолучевой лазерной системой, включающий вывод лазерного излучения от отдельных лазеров с волоконным выходом посредством их объединения на входной грани по меньшей мере одного оптического объединителя в виде блока из той же основы материала, что и оптические волокна лазеров, путем их сплавления своим выходным торцом с входной плоской гранью блока таким образом, чтобы перед сплавлением волокна лазеров были ориентированы по нормали к поверхности грани блока, имели прямой скол и не соприкасались между собой, а выходная противоположная грань блока обеспечивает вывод расходящихся в свободном пространстве от каждого торца волокна пучков в направлении оптической системы, формирующей масштабируемое увеличенное в 3-5 крат изображение на обрабатываемой поверхности, в конфигурации расположения торцов волокон на входной грани в месте их сплавления с блоком. 1. A method for irradiating the surface of a part with a multi-beam laser system, including outputting laser radiation from individual lasers with a fiber output by combining them on the input face of at least one optical combiner in the form of a block from the same base material as the optical fibers of the lasers, by fusing them its output end with the input flat face of the block in such a way that before fusion, the laser fibers are oriented normal to the surface of the block face, have a direct chip and do not touch each other, and the output opposite face of the block ensures the output of beams diverging in free space from each end of the fiber in the direction of the optical system, which forms a scalable image magnified by 3-5 times on the surface being processed, in the configuration of the location of the ends of the fibers on the input face at the point of their fusion with the block.
2. Лазерная система для обработки методом абляции поверхности детали излучением от лазерных источников, упорядоченных между собой, для осуществления способа по п.1, содержащая: 2. Laser system for processing the surface of a part by ablation using radiation from laser sources ordered among themselves, for implementing the method according to claim 1, containing:
- лазерные источники, объединенные путем сплавления с входной гранью блока в корпусе излучающего модуля; - laser sources combined by fusion with the input face of the block in the housing of the emitting module;
- оптическую систему в виде объектива; - optical system in the form of a lens;
- отклоняющую пучки излучения динамическую оптическую систему на выходе оптической системы в корпусе излучающего модуля; - a dynamic optical system deflecting radiation beams at the output of the optical system in the housing of the emitting module;
- защитное окно на выходе излучения из лазерной системы в корпусе излучающего модуля и подводящий к нему оптический входной кабель с волокнами от каждого лазера. - a protective window at the output of radiation from the laser system in the body of the emitting module and an optical input cable with fibers from each laser leading to it.
3. Лазерная система по и.2, в которой блок выполнен из кварцевого стекла или оптических полимеров. 3. Laser system according to point 2, in which the block is made of quartz glass or optical polymers.
4. Лазерная система по и.2, в которой объектив содержит по меньшей мере по одной коллимирующей и фокусирующей линзе, а также отражающий элемент в виде зеркала или призмы на его входе для изменения направления хода лучей. 4. Laser system according to item 2, in which the lens contains at least one collimating and focusing lens, as well as a reflective element in the form of a mirror or prism at its input to change the direction of the rays.
5. Лазерная система по и.2, в которой отклонение луча в отклоняющей динамической системе осуществляется гальваносканером с зеркалом развертки или оптико-механическим вращаемым устройством развертки луча, причем траектория движения пятен по
9 обрабатываемой поверхности может быть как поступательной, так и вращательной или их комбинацией. 5. Laser system according to item 2, in which the beam deflection in the deflecting dynamic system is carried out by a galvanic scanner with a scanning mirror or an optical-mechanical rotating beam scanning device, and the trajectory of the spots moves along 9 of the processed surface can be either translational or rotational or a combination of both.
6. Лазерная система по и.2, в которой блок выполнен в виде цилиндрического тела с конической частью со стороны спаев волокон на его усеченной вершине или дополнительно содержит усекающие его плоскости по разные стороны продольной оси цилиндра для получения уплощенного блока для укладки таких блоков друг на друга по плоскостям для увеличения суммарной мощности на выходе системы. 6. Laser system according to item 2, in which the block is made in the form of a cylindrical body with a conical part on the side of the fiber junctions on its truncated top or additionally contains planes truncating it on different sides of the longitudinal axis of the cylinder to obtain a flattened block for stacking such blocks on each other friend along the planes to increase the total power at the system output.
7. Лазерная система по и.2, представляющая собой лазерный очиститель поверхности.
7. Laser system according to item 2, which is a laser surface cleaner.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202380014608.7A CN118284490A (en) | 2022-08-03 | 2023-04-18 | Method for irradiating a surface of a component with a multi-beam laser system |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2022121366A RU2791258C1 (en) | 2022-08-03 | Method for irradiating a workpiece surface with a multi-beam laser system, processing system and a cleaner based on the method | |
| RU2022121366 | 2022-08-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024030048A1 true WO2024030048A1 (en) | 2024-02-08 |
Family
ID=89849710
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/050095 WO2024030048A1 (en) | 2022-08-03 | 2023-04-18 | Method for irradiating the surface of a part using a multi-beam laser system |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN118284490A (en) |
| WO (1) | WO2024030048A1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4301689A1 (en) * | 1993-01-22 | 1994-07-28 | Deutsche Forsch Luft Raumfahrt | Power controlled fractal laser system |
| RU2142152C1 (en) * | 1994-12-28 | 1999-11-27 | Италтел спа | Connector for non-coaxial transmission of light energy |
| JP5320253B2 (en) * | 2009-10-23 | 2013-10-23 | アンリツ株式会社 | Fiber Fabry-Perot etalon and manufacturing method thereof, external cavity semiconductor laser, Raman amplifier |
| RU188813U1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-04-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | LASER DIODE MODULE |
-
2023
- 2023-04-18 WO PCT/RU2023/050095 patent/WO2024030048A1/en active Application Filing
- 2023-04-18 CN CN202380014608.7A patent/CN118284490A/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4301689A1 (en) * | 1993-01-22 | 1994-07-28 | Deutsche Forsch Luft Raumfahrt | Power controlled fractal laser system |
| RU2142152C1 (en) * | 1994-12-28 | 1999-11-27 | Италтел спа | Connector for non-coaxial transmission of light energy |
| JP5320253B2 (en) * | 2009-10-23 | 2013-10-23 | アンリツ株式会社 | Fiber Fabry-Perot etalon and manufacturing method thereof, external cavity semiconductor laser, Raman amplifier |
| RU188813U1 (en) * | 2018-12-27 | 2019-04-24 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | LASER DIODE MODULE |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN118284490A (en) | 2024-07-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2700723C2 (en) | Fibre laser system with multiple beams | |
| KR100433896B1 (en) | Laser marking method and apparatus, and marked member | |
| US5633967A (en) | Waveguide fiber optical coupler | |
| CN213903954U (en) | Laser scanning device capable of changing size and shape of laser focus spot | |
| CN1295676A (en) | Method for connecting optical fiber and optical waveguide | |
| CN112630984A (en) | Laser scanning device and scanning method capable of changing size and shape of laser focus position light spot | |
| EP4281243A1 (en) | Optics for and method of forming multiple light spots with controlled spot intensity and variable spot pattern geometry | |
| US11951565B2 (en) | Optical fiber connector for additive manufacturing system | |
| KR20210016411A (en) | Laser processing equipment for difficult-to-access workpieces | |
| CN111201464B (en) | Laser welding method and laser processing device | |
| RU2791258C1 (en) | Method for irradiating a workpiece surface with a multi-beam laser system, processing system and a cleaner based on the method | |
| US20150165551A1 (en) | Fiber array line generator | |
| WO2024030048A1 (en) | Method for irradiating the surface of a part using a multi-beam laser system | |
| CN212808809U (en) | Light beam shaping system of laser line light source | |
| CN111715624A (en) | Laser cleaning device | |
| WO2018099851A1 (en) | Laser beam shaping element | |
| CN115551668A (en) | Laser cutting method and laser cutting apparatus | |
| CN111736355A (en) | Adjustable energy distribution optical system based on micro-lens group | |
| Ishide et al. | Optical fiber transmission of 2 kW cw YAG laser and its practical application to welding | |
| US6698907B1 (en) | Method and device for coupling light sources to a light guide | |
| CN205868979U (en) | Be suitable for belt cleaning device of standard component raw and other materials | |
| JP5062025B2 (en) | Laser processing method | |
| CN210243981U (en) | Laser linear light spot shaping optical system | |
| Blomqvist et al. | Multi-kW laser cladding using cylindrical collimators and square-formed fibers | |
| JP2002023100A (en) | Division optical element, optical system and laser beam machining device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23850521 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 202380014608.7 Country of ref document: CN |