СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ
METHODS AND SYSTEMS FOR APPLICATION IN LASER TREATMENT

Приоритет настоящей заявки испрашивается на основании предварительной заявки США 61/568059, поданной 7 декабря 2011 заявителем Foreman и др., под названием "METHODS AND SYSTEMS FOR USE IN LASER MACHINING", которая во всей полноте в порядке ссылки включена в настоящую заявку.
Область техники
Настоящее изобретение относится в целом к лазерной обработке, более точно, к защите обрабатываемого изделия от нежелательных ударных воздействий лазера.
Уровень техники
При лазерной обработке целевое обрабатываемое изделие подвергают воздействию множества лазерных импульсов с целью просверлить в нем отверстие. Тем не менее, энергия лазерного излучения обычно проникает сквозь обрабатываемое изделие или отражается от обрабатываемого изделия, а затем достигает какой-либо области или другой поверхности обрабатываемого изделия, вызывая его повреждение. Например, энергия лазерного излучения вызывает повреждение задней стенки обрабатываемого изделия напротив участка обрабатываемого изделия, на котором просверливается отверстие. Стандартные решения с целью уменьшения этого повреждения задней стенки включают введение между поверхностью, в которой просверливается отверстие, и задней стенкой обрабатываемого изделия текучей среды с барьерными или поглощающими лазерное излучение свойствами, такими как у светопоглощающих частиц, частиц пигмента, красителей, флуоресцентных частиц или у масляной/водной эмульсии со светорассеивающей способностью.
Сущность изобретения
В нескольких вариантах осуществления изобретения преимущественно преодолены упомянутые, а также другие недостатки за счет способов защиты поверхности во время лазерной обработки. В некоторых вариантах осуществления способы защиты поверхности во время лазерной обработки включают подачу в полость объекта лазерной обработки текучей среды, не обладающей свойствами поглощать лазерное излучение; и направление на стенку объекта лазерной обработки множества лазерных импульсов, сконфигурированных на формирование отверстия в стенке, при этом по меньшей мере один лазерный импульс проходит через отверстие, поступает в полость в то время, как в нее подается текучая среда, и падает одновременно на текучую среду и поверхность, за счет чего предотвращается повреждение задней стенки.
В некоторых вариантах осуществления предложены системы для использования с целью защиты поверхностей во время лазерной обработки, содержащие защитную подложку, сконфигурированную на размещение в полости объекта лазерной обработки, в результате чего при прохождении через отверстие в объекте, сформированное посредством лазерной обработки лазерный импульс, выполняющий лазерную обработку, падает на защитную подложку, и поступает в полость, при этом предотвращается столкновение лазерного импульса с задней стенкой объекта при его прохождении через полость со стороны отверстия; и источник текучей среды, установленный в определенном положении относительно защитной подложки и сконфигурированный на подачу текучей среды на защитную подложку.
В других вариантах осуществления способы лазерной обработки включают конфигурирование лазерного источника относительно объекта лазерной обработки, на одном из участков которого находится внутренняя полость; управление лазерным источником с целью генерирования последовательности лазерных импульсов; подачу текучей среды в полость во время управления лазерным источником; и выбор лазерных импульсов для направления на один из участков объекта, на котором должно быть выполнено отверстие, чтобы на объект направлялись не все лазерные импульсы, при этом за счет синхронизации импульсов, направляемых на объект, обеспечивается защита задней стенки объекта от повреждения, которое в противном случае было бы вызвано одним или несколькими из лазерных импульсов, направленных на объект.
Краткое описание чертежей
Перечисленные и другие особенности, признаки и преимущества нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения будут лучше поняты из следующего далее его более подробного описания в сочетании со следующими чертежами, на которых:
на фиг. 1 показан упрощенный вид в поперечном разрезе объекта лазерной обработки,
на фиг. 2 показан упрощенный вид в поперечном разрезе проиллюстрированного на фиг. 1 объекта во время лазерной обработки, когда лазерный импульс проникает через стенку и вызывает повреждение задней стенки,
на фиг. 3 показана упрощенная блок-схема системы защиты согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 4 показана упрощенная блок-схема защитной подложки, сообщающейся с трубопроводом для текучей среды, согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 5 показан упрощенный вид в перспективе защитной подложки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 6 показан упрощенный вид с частичным вырезом защитной подложки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 7 показан упрощенный вид в перспективе системы защиты согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 8 показана упрощенная блок-схема системы лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 9 показана упрощенная блок-схема системы лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 10А показана упрощенная блок-схема, иллюстрирующая один из примеров реализации системы лазерной обработки и проиллюстрированного на фиг. 9 ограничителя импульсов согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 10Б показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 10В показана упрощенная блок-схема, иллюстрирующая один из примеров реализации системы лазерной обработки и проиллюстрированного на фиг. 9 ограничителя импульсов согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 10Г показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 11 показана упрощенная блок-схема процесса лазерной обработки с защитой задней стенки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 12 показана упрощенная блок-схема процесса лазерной обработки с защитой задней стенки объекта лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 13 показана упрощенная блок-схема процесса лазерной обработки объекта согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 14 показана упрощенная блок-схема процесса защиты задней стенки объекта во время его лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 15 показан упрощенный схематический вид в поперечном разрезе объекта во время его лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 16А показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 16Б показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 17 показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 18 показана упрощенная блок-схема системы лазерной обработки, согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 19 показана упрощенная блок-схема процесса обеспечения защиты задней стенки во время лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 20 показана упрощенная блок-схема процесса лазерной обработки объекта согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 21 показан один из примеров вида в поперечном разрезе объекта с просверленным лазером отверстием без защиты задней стенки,
на фиг. 22 показан один из примеров вида в поперечном разрезе объекта с просверленным лазером отверстием с защитой задней стенки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 23 показан упрощенный схематический вид в поперечном разрезе системы защиты при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 24 показан упрощенный вид в поперечном разрезе альтернативной системы защиты при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 25 проиллюстрирована система для использования при реализации способов, методов, управления, устройств, оборудования, систем, компьютеров и т.п. для обеспечения лазерной обработки с защитой задней стенки объекта лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 26 и 27 показаны изображения систем защиты с защитными подложками согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 28 показан вид в перспективе системы защиты для применения в системе защиты при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 29 показан упрощенный вид в поперечном разрезе участка, проиллюстрированной на фиг. 28 системы защиты согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 30 показан вид в перспективе проиллюстрированной на фиг. 28 системы защиты относительно монтажной стойки, которая используется для установки защитной подложки системы защиты внутри объекта лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 31 проиллюстрирован упрощенный частичный вид в поперечном разрезе участка проиллюстрированной на фиг. 28 системы защиты, установленной внутри одного из примеров объекта лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 32 показан упрощенный вид в поперечном разрезе по оси А-А, проиллюстрированной на фиг. 31 системы защиты согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 33А показан упрощенный вид в поперечном разрезе участка системы защиты при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 33Б проиллюстрирован упрощенный частичный вид в поперечном разрезе участка проиллюстрированной на фиг. 33 системы защиты при лазерной обработке, установленной внутри одного из примеров объекта лазерной обработки, согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 34А показан упрощенный вид в поперечном разрезе участка системы защиты при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 34Б проиллюстрирован упрощенный частичный вид в поперечном разрезе участка проиллюстрированной на фиг. 34А системы защиты при лазерной обработке, установленной внутри одного из примеров объекта лазерной обработки, согласно некоторым вариантам осуществления,
на фиг. 35 показано изображение объекта с повреждением в результате лазерной обработки без защиты задней стенки,
на фиг. 36 показано изображение объекта без повреждений задней стенки после лазерной обработки с защитой задней стенки согласно некоторым вариантам осуществления.
Одинаковыми ссылочными позициями на различных фигурах чертежей обозначены одинаковые элементы. Специалисты учтут, что для простоты и ясности проиллюстрированные на чертежах элементы необязательно представлены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов на чертежах могут быть преувеличены относительно других элементов, чтобы облегчить понимание различных вариантов осуществления настоящего изобретения. Кроме того, обычные и хорошо известные элементы, применимые или необходимые в каком-либо промышленно оправданном варианте осуществления, часто не представлены, чтобы не загромождать изображение различных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Следующее далее описание имеет целью не ограничение изобретения, а лишь раскрытие общих принципов примеров его осуществления. Соответственно, объем изобретения должен определяться на основании формулы изобретения.
Используемые в описании формулировки "один из вариантов осуществления" "вариант осуществления", "некоторые варианты осуществления", "некоторые примеры реализации" или аналогичные формулировки, означают, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные применительно к такому варианту осуществления, включены по меньшей мере в один из вариантов осуществления настоящего изобретения. Формулировки "один из вариантов осуществления" "вариант осуществления", "некоторые варианты осуществления" и аналогичные формулировки, используемые в описании, могут относиться, но необязательно относятся к одному и тому же варианту осуществления.
Кроме того, описанные признаки, структуры или характеристики изобретения могут сочетаться любым применимым способом в одном или нескольких вариантах осуществления. В следующем далее описании приведено множество конкретных подробностей, таких как примеры программирования, программных модулей, вариантов выбора пользователем, сетевых транзакций, запросов баз данных, структур баз данных, аппаратных модулей, схем аппаратного обеспечения, аппаратных микросхем и т.д., имеющих целью обеспечить доскональное понимание вариантов осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, специалист в соответствующей области техники поймет, что изобретение может быть осуществлено на практике без одной или нескольких конкретных подробностей или с использованием других способов, компонентов, материалов и т.п. В некоторых случаях хорошо известные структуры, материалы или операции не проиллюстрированы или подробно не описаны, чтобы не затруднять понимание особенностей изобретения.
На фиг. 1 показан упрощенный схематический вид в поперечном разрезе объекта 112 лазерной обработки. Например, лазерная обработка может иметь целью формирования отверстия в стенке 114 объекта 112 в заданном положении 116. Тем не менее, в некоторых случаях лазерная обработка может вызывать повреждение поверхности 120 напротив обрабатываемой стенки, когда лазерные импульсы в процессе обработки проникают через стенку 114, поступают в полость 122 объекта и ударяются о поверхность 120. Для простоты поверхность 120 напротив обрабатываемой стенки далее называется поверхностью задней стенки.
На фиг. 2 показан упрощенный схематический вид в поперечном разрезе объекта 112 во время лазерной обработки, когда лазерный импульс 212 проникает через стенку 114. Во время лазерной обработки лазерные импульсы формируют отверстие 214 в стенке 114. Обычно на объект направляют один или несколько дополнительных лазерных импульсов с целью получения отверстия желаемого размера и/или качества. Соответственно, по меньшей мере часть этих лазерных импульсов, направляемых на объект после того, как создано первоначальное отверстие, проходит через отверстие 214, поступает в полость 122 и может сталкиваться с поверхностью 120 задней стенки. Соответственно, лазерный импульс 212, сталкивающийся с поверхностью 120 задней стенки, может вызывать ее повреждение 220, в особенности, когда поверхность 120 задней стенки находится относительно близко к отверстию 214. Степень повреждения, которое может наноситься, может зависеть от многих факторов, включая без ограничения расстояние между фокусом 218 лазерного импульса 212 и поверхностью 120 задней стенки, интенсивность и/или мощность лазерного импульса, степень или угол рассеяния лазерного импульса, длительность воздействия лазерного импульса на поверхность 120 задней стенки, поляризацию, энергию импульса и другие факторы, включая глубину просверливаемого отверстия, материал, размер и конусность. Следует отметить, что поскольку назначением лазерной обработки обычно является формирование отверстия 214 или другой выемки в стенке 114, лазерный импульс 212, проходящий через отверстие 214 и сталкивающийся с поверхностью 120 задней стенки, способен повреждать ее, в особенности, когда поверхность 120 задней стенки находится относительно близко к точке 218 фокуса лазера. В некоторых случаях повреждение 220 может являться достаточно обширным и вызывает внешнее повреждение 222 наружной поверхности 224 и/или образование нежелательного отверстия в стенке, образующей поверхность 120 задней стенки. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления предложены системы, оборудование, способы и процессы ограничения и/или предотвращения повреждения поверхности 120 задней стенки.
На фиг. 3 показана упрощенная блок-схема системы 310 защиты согласно некоторым вариантам осуществления. Система 310 защиты содержит защитную подложку 312, которая расположена на опоре 314. Опора сконфигурирована на размещение в полости 318 объекта 320 лазерной обработки и установку защитной подложки 312 в определенное положение внутри полости 318 на траектории лазерного импульса 324.
Во время лазерной обработки лазерный импульс 324 направляют на стенку 326 объекта 320. Например, в некоторых случаях направляют на стенку 326 последовательность лазерных импульсов для формирования отверстия 330 в стенке. При проникании последовательности лазерных импульсов через стенку они могут проходить далее через полость 318 и сталкиваться с защитной подложкой 312. Соответственно, защитная подложка 312 ограничивает, а в некоторых случаях предотвращает столкновение лазерных импульсов с задней стенкой 332 и предотвращает повреждение задней стенки.
В некоторых вариантах осуществления опора 314 может дополнительно содержать и/или может быть выполнена из трубопровода, связанного с источником текучей среды (не показанным на фиг. 3). Соответственно, трубопровод 314 для текучей среды способен подавать текучую среду в полость 318, при подаче которой текучая среда обычно соприкасается с защитной подложкой 312. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления трубопровод сконфигурирован на подачу текучей среды для воздействия на поверхность защитной подложки 312. Соответственно, текучая среда из трубопровода соприкасается с поверхностью, с которой сталкиваются лазерные импульсы. Текучая среда ограничивает расширение плазмы, образующейся на поверхности, и тем самым помогает ослаблять увеличение локального поглощения лазерного излучения, сопутствующего материалу защитной подложки с более протяженными градиентами, которые могли бы существовать в противном случае, и по меньшей мере в некоторых случаях помогает сохранять отражательную способность поверхности для отражения по меньшей мере части лазерных импульсов. За счет того, что продолжают распространяться отраженные лазерные импульсы, снижается их интенсивность и вероятность дальнейшего повреждение внутренних поверхностей полости. Текучая среда дополнительно помогает рассеивать тепло и ограничивает разрушение поверхности защитной подложки 312 вследствие образования плазмы. Помимо этого, текучая среда способна ограничивать разбрызгивание материала в результате лазерной обработки и потенциальное повреждение покрытий внутренних поверхностей объекта вследствие разбрызгивания. В некоторых случаях текучая среда может подаваться по трубопроводу в охлажденном виде и под давлением, и при выпуске из него имеет тенденцию замерзать.
В некоторых примерах реализации объект 320 может быть ориентирован таким образом, чтобы способствовать удалению текучей среды, введенной в полость 318, и/или отведению от защитной подложки 312 избытка воздействующей на нее текучей среды, за счет чего может обеспечиваться поток текучей среды над защитной подложкой и усиливаться охлаждающее действие текучей среды. Например, в некоторых примерах реализации объект может быть расположен таким образом, чтобы избыток текучей среды вытекал из полости под действием силы тяжести со скоростью, по меньшей мере равной скорости подачи текучей среды по трубопроводу 314 для текучей среды или превосходящей ее. Дополнительно или в качестве альтернативы, для облегчения удаления текучей среды может применяться вакуум. Во многих вариантах осуществления важно поддерживать контакт текучей среды с защитной подложкой 312 и не затоплять текучей среды просверливаемое отверстие 330. Соответственно, регулируется поток текучей среды, поступающей на участок защитной подложки 312, на который воздействует лазер, и, следовательно, в полость 318. При слишком низкой скорости потока текучей среды защитная подложка 312 может надлежащим образом не сохранять покрытие, а при слишком высокой скорости может быть затруднительным или невозможным предотвращать присутствие текучей среды вблизи просверливаемого отверстия 330. Эти два конкурирующие фактора могут иметь меньшее значение в случае увеличения полости. Как показали лабораторные испытания с использованием полостей определенных размеров и мощностей лазерного излучения для сверления отверстий определенных размеров, во время лазерной обработки с частотой следования импульсов около 2000 импульсов в секунду скорость потока составляет около 1 м/сек или более.
В некоторых вариантах осуществления система 310 защиты дополнительно содержит газопровод 340, также сконфигурированный на размещение внутри полости 318. Кроме того, газопровод может размещаться на участке полости, на котором просверливается отверстие 330. Газ, такой как воздух, кислород или другой применимый газ может подаваться в полость, чтобы ограничить, а в некоторых случаях предотвратить поступление жидкости, подаваемой по трубопроводу 314 для текучей среды, в отверстие 330 после того, как оно сформировано путем лазерной обработки. Например, выходное отверстие газопровода 340 может служить для подачи потока газа через отверстие 330 и может оттеснять текучую среду от отверстия. Кроме того или в качестве альтернативы, в некоторых случаях на просверливаемое отверстие 330 может направляться один или несколько внешних потоков или струй газа. Внутренняя струя газа и/или внешние струи газа также способствуют тому, чтобы не допускать поступление текучей среды в отверстие 330 и/или ее присутствие вблизи просверливаемого отверстия. В некоторых вариантах осуществления внешняя струя воздуха имеет в целом общую ось с лучом лазера (например, за счет фокусирования лазера на отверстии или трубопроводе нагнетательного сопла для газа). Существенное давление на внешнюю струю воздуха (например, порядка десятков фунтов на кв. дюйм и т.п., которое может зависеть от размера просверливаемого отверстия, частоты следования импульсов и/или другой выполняемой инструментальной обработки) в сочетании с весьма умеренной скоростью подачи внутренней струи воздуха значительно облегчает отведение воды из области вблизи просверливаемого отверстия. Кроме того, может быть важным регулировать скорость потока внутренней струи воздуха с тем, чтобы отводить текучую среды от просверливаемого отверстия 330, но не настолько, чтобы текучая среда переставала соприкасаться с защитной подложкой 312.
На фиг. 4 показана упрощенная блок-схема защитной подложки 312, сообщающейся с трубопроводом 314 для текучей среды. В некоторых вариантах осуществления защитная подложка 312 расположена под углом 412 к трубопроводу 314 для текучей среды. Выходящая из трубопровода текучая среда может иметь достаточную силу, чтобы непосредственно воздействовать на первую поверхность 414 защитной подложки 312. Аналогичным образом, защитная подложка 312 может быть сконфигурирована таким образом, чтобы при нахождении системы 310 защиты внутри полости 318 защитная подложку 312 располагалась под косым углом 416 к траектории, направлению распространения или оси 420 лазерного импульса 324. По существу, лазерный импульс способен рассеиваться по защитной подложке 312 большей площади. Хотя это может использоваться в некоторых вариантах осуществления, это не всегда обязательно. Например, в некоторых случаях защитная подложка 312 может располагаться перпендикулярно лазерному импульсу 324. В некоторых примерах реализации конфигурация, ориентация, угол и т.п. защитной подложки 312 относительно оси лазера 420 могут выбираться таким образом, чтобы лучше взаимодействовать с защищаемым устройством и/или защищать его. Например, поскольку большинство топливных инжекторов имеют коническую форму изнутри, защитная подложка может располагаться под углом лазерному лучу, чтобы легче входить в полость. В других вариантах осуществления защитная подложка может иметь альтернативную конфигурацию, такую как коническая или конусообразная, параболическая или другая такая форма с желаемым углом к оси 420 лазерного импульса 324. В других случаях защитная подложка может иметь альтернативные формы, такие как круглая, сферическая, трубчатая или другие применимые формы. Кроме того или в качестве альтернативы, в некоторых вариантах осуществления защитная подложка может перемещаться или поворачиваться с целью распределения воздействия лазерных импульсов на протяжении большей площади и/или увеличения охлаждения защитной подложки. Например, в некоторых случаях защитная подложка может являться радиально симметричной (например, в форме трубы с отверстиями, выполненными в поверхности). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления защитная подложка может поворачиваться с целью изменения ее площади поверхности, на которую воздействует лазер.
Защитная подложка 312 может быть изготовлена из одного или нескольких из множества материалов. В некоторых вариантах осуществления защитной подложкой 312 является продолжение трубопровода 314 для текучей среды. Например, трубопровод 314 для текучей среды может быть разрезан вблизи конца и образовывать защитную подложку 312. Кроме того, защитная подложка 312 может быть сформирована и/или согнута под желаемым углом 412. В других вариантах осуществления защитная подложка 312 сформирована под желаемым углом и прикреплена или иначе соединена с трубопроводом 314 для текучей среды. Размеры защитной подложки 312 могут быть дополнительно сконфигурированы в зависимости от размера полости 318, расчетной высоты, ширины и/или диаметра 424 лазерного импульса 324. Аналогичным образом, размер или диаметр 430 трубопровода может зависеть от размера полости и расчетного количества подаваемой текучей среды, размера лазерного импульса, размера защитной подложки 312 и/или других таких факторов. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления защитная подложка 312 может быть снабжена поверхностными структурами, неровностями, неконгруэнтностями и/или изменчивостями, такими как без ограничения впадины, отверстия, выступы, гофры, пики, пирамиды, канавки, гребни, углубления, выросты, шероховатость и/или другие поверхностные структуры, неровности или сочетания таких поверхностных структур и/или неровностей.
При проведении некоторых испытаний изготавливали защитную подложку 312 из тонкого листа материала, разрезали по форме, а затем прикрепляли лентой или приклеивали к концу трубопровода 314. В некоторых случаях может быть желательным формировать защитную подложку с 360-градусным охватом за исключением места, в котором просверливаемое отверстие входит в полость. В этом случае воздух и вода могут поступать в размещенные соответствующим образом прорези, соединенные с трубопроводом посредством поворотная муфта.
На фиг. 5 показан упрощенный вид в перспективе защитной подложки 312 согласно некоторым вариантам осуществления. Защитная подложка 312 может быть снабжена множеством отверстий 512, выемок или других таких поверхностных структур. В некоторых вариантах осуществления защитная подложка 312 содержит сетку или матрицу отверстий 512, проходящих сквозь защитную подложку. Защитная подложка 312 может быть изготовлена из множества материалов или сочетаний материалов. Например, в некоторых вариантах осуществления защитная подложка может быть изготовлена из того же материла, что и трубопровод 314 для текучей среды и/или вырезана из него. Кроме того или в качестве альтернативы, защитная подложка 312 может быть изготовлена из Inconel, меди, никеля, стали, углерода, керамики, серебра, тугоплавких металлов, карбида вольфрама или других таких материалов или сочетаний таких материалов. Помимо этого, в некоторых случаях выбираемый для использования материал является по меньшей мере частично отражающим, полируется для придания отражающей способности, и/или поверхность, с которой сталкивается лазерный импульс, может быть покрыта отражающим материалом.
Как описано выше, размеры защитной подложки 312 могут зависеть от ожидаемой лазерной обработки, количества и/или типа текучей среды, подаваемой в полость 118 объекта 320 обработки, расчетного диаметра или размеров 424 и/или площади поперечного сечения лазерных импульсов, типа, интенсивности и/или мощности лазерных импульсов, применяемых при обработке, прогнозированной продолжительности воздействия лазерных импульсов и других таких факторов. Например, до настоящего времени был проведен ряд успешных испытаний по меньшей мере при частичном следовании четырем требованиям к конструированию. Во-первых, защитную подложку располагают таким образом, чтобы она находилась на максимальном удалении от точки фокуса лазера. Например, при лазерной обработке топливного инжектора защитная подложка 312 может быть выгодно расположена у стенки полости напротив просверливаемого отверстия (например, в некоторых испытания на расстоянии 1-3 мм от просверливаемого отверстия). Это требование может диктовать придание защитной подложке надлежащей формы, чтобы размещать ее таким образом. При наличии достаточного расстояния размещение защитной подложки на еще большем расстоянии, чем определенное расстояние от задней стенки, не имеет смысла.
Во-вторых, по меньшей мере в некоторых случаях реализации были получены лучшие результаты с использованием высокопрочного по своей природе материала (например, Inconel), для размягчения которого требуется высокая температура. Хотя точный механизм, отвечающий за этот эффект неясен, возможно, что прочные материалы являются более стойкими к эрозии, возникающей вследствие кавитации, присущей взаимодействию между защитной подложкой и текучей средой под действием лазерных импульсов.
В-третьих, при формировании решетки 512 конусных отверстий в защитной подложке желаемая матрица отверстий формируется из одних материалов легче, чем из других. По меньшей мере в некоторых случаях реализации желаемой матрицей отверстий является матрица, в которой отверстия постепенно и не быстро сходят на конус и обычно расположены максимально близко друг к другу. Если в защитной подложке отсутствует сетка 512 отверстий, это требование неприменимо.
В-четвертых, выбирают достаточно толстую защитную подложку с запасом на абляцию самой защитной подложки. В некоторых испытаниях при сверлении первых нескольких отверстий в инжекторе происходила абляция верхних 100 мкм защитной подложки, а затем скорость абляции значительно снижалась. Точный механизм, лежащий в основе этого явления, неизвестен, но может быть связан с "притиркой" углов падения лазерных лучей при столкновении с защитной подложкой. В некоторых экспериментах выбиралась толщина 300 мкм.
Кроме того или в качестве альтернативы, могут приниматься во внимание другие требования к конструированию. Например, в некоторых вариантах осуществления текучую среду направляют на защитную подложку таким образом, чтобы текучая среда поступала в ее отверстия.
Помимо этого, текучая среда может направляться на подложку под таким углом и достаточным усилием, чтобы обеспечить ее поступление в большинство отверстий для достижения одного или нескольких заданных уровней заполнения.
На фиг. 6 показан упрощенный вид с частичным вырезом защитной подложки 312 согласно некоторым вариантам осуществления. В защитной подложке 312 может иметься множество отверстий 512, которые проходят по ее толщине от первой поверхности 612 до второй поверхности 614. В некоторых вариантах осуществления стенки отверстий 512 сходят на конус между первой поверхностью 612 и второй поверхностью 614 и/или имеют в целом коническую форму.
За счет отверстий 512 и конусной конфигурация обеспечивается увеличение площади поверхности, с которой сталкивается лазерный импульс. По существу, лазерный импульс распределяется по увеличенной площадь поверхности, которая рассеивает энергию лазерного излучения, обеспечивая увеличенное рассеяние тепла. Это рассеяние энергии лазерного излучения дополняется рассеяние, которое в некоторых вариантах осуществления обеспечивается за счет размещения защитной подложки 312 под углом 416 к лазерному импульсу. Кроме того, по мере того, как текучая среда, подаваемая по трубопроводу 314 для текучей среды, соприкасается с защитной подложкой 312, текучая среда может частично и/или полностью заполнять некоторые или все отверстия 512, за счет чего обеспечивается увеличение ее количества в областях столкновения с лазерным импульсом и дополнительное рассеяние тепла, а также может облегчаться контроль разрушения поверхности защитной подложки 312 вследствие образования плазмы. Текучая среда обычно ограничивает расширение плазмы, образующейся на поверхности, и тем самым помогает ослаблять увеличение локального поглощения лазерного излучения, сопутствующего материалу защитной подложки с более протяженными градиентами, которые могли бы существовать в противном случае. Это увеличенное поглощение лазерного излучения обычно приводит к увеличению абляции защитной подложки. Кроме того, за счет прохождения отверстий 512 сквозь защитную подложку 312 обеспечивается дополнительный выпуск жидкости и/или газов по мере того, как лазерный импульс сталкивается с текучей средой, соприкасающейся с защитной подложкой 312.
Отверстия 512 могут иметь различные расположения. В некоторых случаях отверстия образуют шестиугольную конфигурацию и расположены близко друг к другу. В некоторых примерах реализации могут использоваться другие конфигурации расположения отверстий, и/или могут варьировать размеры или диаметры отверстий 512. Кроме того, в некоторых случаях отверстия 512 выполнены в защитной подложке 312 путем лазерного сверления с целью обеспечения желаемой плотности, расположения и/или формы или конфигурации отверстий. В некоторых вариантах осуществления форма отверстий может отличаться, например, у различных отверстий, на различных участках защитной подложки 312 и т.п. В некоторых примерах защитная подложка снабжена отверстиями 512 имеющими диаметр 620 приблизительно 20-50 мкм на первой поверхности 612, с которой должно сталкиваться лазерное излучение. Отверстия сходят на конус до диаметра 622 около 5-10 мкм на второй поверхности 614 на протяжении длины 624 около 200-400 мкм. Эти отверстия разнесены друг от друга на расстояние в несколько микрометров на поверхности, с которой должно сталкиваться лазерное излучение. В некоторых испытаниях использовалась защитная подложка с входными отверстиями диаметром около 18-27 мкм и выходными отверстиями диаметром около 5-10 мкм до применения при сверлении. Возможны отверстия больших или меньших размеров. По мере абляции верхних приблизительно 100 мкм защитной подложки в процессе применения лазера диаметр отверстий уменьшается, возможно, до 10-15 мкм, а расстояние между ними увеличивается до около 10 мкм, которое сложно определить, поскольку поверхности могут находиться под большими углами к первоначальной поверхности подложки.
На фиг. 7 показан упрощенный вид в перспективе системы защиты 710 согласно некоторым вариантам осуществления. Система защиты 710 содержит защитную подложку 312, сообщающуюся с трубопроводом 314 для текучей среды, газопровод 340, установочный фиксатор 712, установочный кронштейн 714, линию 716 подачи текучей среды и линию 718 подачи газа. Трубопровод 314 для текучей среды и газопровод 340 сообщается с установочным фиксатором 712, который фиксирует положение защитной подложки 312, трубопровода 314 для текучей среды и газопровода 340.
Кроме того, линия 716 подачи текучей среды и линия 718 подачи газа сообщается с установочным фиксатором с целью подачи текучей среды и газа в трубопровод 314 для текучей среды и газопровод 340, соответственно. Установочный кронштейн 714 прикреплен к установочному фиксатору 712, например, резьбовым соединением, болтами, сваркой, штифтами, винтами и т.п. или с помощью сочетаний перечисленного. В некоторых вариантах осуществления установочный кронштейн 714, дополнительно взаимодействует с одной или несколькими шестернями, электродвигателями и т.п. с целью установки установочного фиксатора 712 в определенное положение относительно объекта 320 лазерной обработки и установки защитной подложки 312 внутри полости 318 объекта 320 и/или на траектории лазерных импульсов. В качестве альтернативы или дополнительно, в других вариантах осуществления объект 320 перемещается относительно системы 310 защиты. В некоторых вариантах осуществления установочный фиксатор 712 дополнительно сконфигурирован на взаимодействие с объектом 320 лазерной обработки. Например, в установочном фиксаторе 712 может иметься одно или несколько установочных отверстий 722, уступов, прорезей и т.п., сконфигурированных на взаимодействие с объектом 320 лазерной обработки и/или на облегчение его установки в определенное положение относительно системы 310 защиты и защитной подложки 312. Например, когда объектом 320 является топливный инжектор, установочный фиксатор 712 может быть сконфигурирован на сопряжение с топливным инжектором таким образом, чтобы топливный инжектор или его часть входила в установочное отверстие 722 и/или проходила вокруг установочного фиксатора 712 и сопрягалась с его наружной поверхностью.
Трубопровод 314 для текучей среды и газопровод 340 сообщается с установочным фиксатором 712, который обеспечивает размещение защитной подложки 312, трубопровода 314 для текучей среды и газопровода 340 по меньшей мере частично внутри полости 318 объекта 320 лазерной обработки и в желаемом положении, чтобы защитная подложка 312 находилась на траектории лазерных лучей, а газопровод 340 подавал поток газа вдоль внутренней поверхности полости 318 вблизи выполненного лазером отверстия 330. Соответственно, в некоторых случаях размеры защитной подложки 312, трубопровода 314 для текучей среды и/или газопровода 340 по меньшей мере частично определяются объектом 320 лазерной обработки.
На фиг. 8 показана упрощенная блок-схема системы 810 лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления. Система 810 лазерной обработки содержит лазерную систему 812, систему 814 защиты, которая взаимодействует с объектом 816 лазерной обработки, систему 818 управления перемещениями и/или позиционирования (далее - система позиционирования) и контроллер 820.
Контроллер 820 может быть сконфигурирован в виде единого устройства или отдельных устройств, таких как один или несколько контроллеров, которые могут включать один или несколько контроллеров лазерной системы 812, системы 814 защиты, системы 818 позиционирования и/или общий контроллер. В некоторых вариантах осуществления контроллер 820 представляет собой один или несколько процессоров и/или микропроцессоров, связанных с памятью, в которой хранится код, команды и/или программное обеспечение для управления системой 810 лазерной обработки. В некоторых случаях реализации контроллер 820 может быть по меньшей мере частично реализован в компьютере, связанном с одним или несколькими из следующего: системой 812 лазерной обработки, системой 814 защиты и системой 818 позиционирования.
Лазерная система 812 генерирует лазерные импульсы и направляет их таким образом, чтобы они точно воздействовали на желаемое местоположение на объекте 816 лазерной обработки. Обычно лазерная система 812 содержит оптику, ограничители, селекторы и т.п. для фокусировки и направления лазерного импульса на объект 816. В некоторых вариантах осуществления лазерная система 812 содержит дополнительные элементы и/или признаки, такие как траектории задержки и т.п. для генерирования одного или нескольких лазерных импульсов, сталкивающихся с объектом 816, и достижения желаемой лазерной обработки.
Система 814 защиты взаимодействует с контроллером 820 и объектом 816 с целью обеспечения защиты задней стенки на участке объекта напротив отверстия или другой выполняемой обработки. В некоторых вариантах осуществления система 814 защиты подает в полость объекта 816 текучую среду, которая обеспечивает защиту задней стенки объекта 816 напротив участка объекта лазерной обработки. В некоторых вариантах осуществления система 814 защиты дополнительно содержит устройство защиты задней стенки (не показанное на фиг. 8), которое помещают в полость между участком объекта 816 лазерной обработки и задней стенкой напротив участка объекта лазерной обработки. Например, устройство защиты задней стенки может содержать систему 710 защиты, показанную на фиг. 7. В других вариантах осуществления устройство защиты задней стенки может содержать ячеистую структуру (например, в форме колонны, трубы, куба и т.д.), пористую структуру или другую применимую структуру, которая может быть размещены между отверстием, просверливаемым в объекте 816, и задней стенкой. Система 814 защиты может содержать дополнительные или альтернативные компоненты, такие как без ограничения источник газа и распределительное устройство, источник текучей среды, связанный с трубопроводом 314 для текучей среды, один или несколько указателей расхода текучей среды(сред) и/или газа(ов), регуляторы давления и/или другие такие компоненты.
Система 818 позиционирования способна взаимодействовать с лазерной системой 812, системой 814 защиты и/или объектом 816 с целью позиционирования компонентов системы 810 лазерной обработки и точной лазерной обработки объекта 816 с защитой задней стенки. Система позиционирования может содержать один или несколько электродвигателей, шестерен, насосов, поршней, гидросистем, кабелей, рабочих органов, захватов и/или других таких устройств для позиционирования компонентов относительно друг друга. Например, в некоторых примерах реализации система 818 позиционирования взаимодействует с объектом 816 и управляет позиционированием и/или сохранением положения объекта во время лазерной обработки и/или повторным позиционированием объекта с целью выполнения дальнейшей лазерной обработки (например, просверливания множеств отверстий в объекте 816). Кроме того или в качестве альтернативы, в других вариантах осуществления система 818 позиционирования может взаимодействовать с системой 814 защиты с целью позиционирования по меньшей мере части системы защиты и точной подачи текучей среды в полость, позиционирования защитной подложки 312 внутри полости и/или позиционирования одного или нескольких источников газа относительно поверхности лазерной обработки. Аналогичным образом, в некоторых вариантах осуществления система позиционирования может частично регулировать позиционирование системы 812 лазерной обработки или ее частей с целью точной фокусировки и направления лазерного импульса на объект 816.
На фиг. 9 показана упрощенная блок-схема системы 910 лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления. Система 910 лазерной обработки содержит лазерная система 912, один или несколько ограничителей 914 импульсов и/или селекторов импульсов, систему 916 переноса лучей, оптическую систему 918, систему 920 защиты, контроллер 922, систему 924 позиционирования, систему 926 газоснабжения, содержащую источник 928 подачи газа, регулятор 930 давления, а в некоторых случаях один или несколько указателей 832 расхода, и систему 936 снабжения текучей средой, содержащую источник 938 подачи текучей среды и один или несколько указателей 940 расхода. В некоторых случаях система 910 лазерной обработки может дополнительно содержать один или несколько датчиков 944, таймер и процессор 946 сигналов.
Лазерная система 912 содержит один или несколько лазерных генераторов, которые генерируют применимые лазерные импульсы для выполнения лазерной обработки. С лазерной системой 912 взаимодействует ограничитель 914 импульсов, который направляет на объект 950 желаемое число импульсов в соответствии с желаемой синхронизацией импульсов и/или частотой следования импульсов обычно в течение заданного периода времени. Система 916 переноса лучей направляет один или несколько импульсов на объект 950 и может содержать оптику, такую как без ограничения затвор, телескоп, расточную головку, зеркала и т.п. Оптическая система 918 обычно содержит одну или несколько фокусирующих линз для точного наведения лазерных импульсов на объект 950. В некоторых вариантах осуществления может использоваться по меньшей мере два других заслуживающих упоминания элемента оборудования. Во-первых, в некоторых вариантах осуществления может использоваться управляющий затвор для регулирования общего времени сверления. Во-вторых, может использоваться ограничитель лазерных импульсов для снижения при желании частоты следования импульсов возбуждения от около 10000 в секунду до около 1000-2000 в секунду. Другая лазерная система может быть способна обеспечивать желаемую частоту следования импульсов возбуждения без каких-либо внешних селекторов импульсов.
Устанавливают систему 920 защиты в определенное положение относительно объекта 950 и/или объект в определенное положение относительно системы защиты (например, посредством системы 924 позиционирования) таким образом, чтобы система 920 защиты была способна по меньшей мере доставлять в полость объекта 950 соответствующую текучую среду, поступающую из системы 936 снабжения текучей средой, и, когда это применимо, доставлять газ, поступающий из системы 926 газоснабжения. В некоторых случаях система 920 защиты и/или система 926 газоснабжения подает поток газа (например, воздуха, кислорода и т.д.) внутрь полости вблизи места лазерной обработки. Кроме того или в качестве альтернативы, в некоторых вариантах осуществления поток газа подается вдоль наружной поверхности объекта 950 в месте лазерной обработки. Кроме того, в некоторых случаях система 920 защиты содержит защитную подложку 312, которая размещается внутри полости соосно лазерным импульсам во время лазерной обработки. Во многих вариантах осуществления поток газа вдоль наружной поверхности подается в целом соосно лазерным импульсам, следовательно, он скорее перпендикулярен, чем параллелен поверхности обрабатываемого объекта.
Контроллер 922 может быть реализован в одном или нескольких компьютерах и/или процессорах, связанных с различными компонентами системы 910 лазерной обработки или входящих в их состав. Например, контроллер 922 управляет источником 928 подачи газа и/или регулятором 930 давления на основании информации обратной связи, поступающей от указателя 932 расхода; управляет источником 938 подачи текучей среды на основании информации обратной связи, поступающей от указателя 940 расхода текучей среды. Аналогичным образом, в некоторых вариантах осуществления контроллер 922 может по меньшей мере отчасти управлять системой 924 позиционирования, которая способна регулировать относительно положение объекта 950, системы 920 защиты, лазерной системы 912, ограничителя 914 импульсов и/или других компонентов или подкомпонентов системы 910 лазерной обработки. Например, в некоторых случаях система 924 позиционирования может позиционировать объект 950 таким образом, чтобы в нем могло быть просверлено лазером первое отверстие с защитой задней стенки, а после того, как первое отверстие просверлено может повторно позиционировать объект 950, например, путем поворота с тем, чтобы совместить с лазерной системой другую часть объекта 950, чтобы в нем могло быть просверлено лазером второе отверстие. В зависимости от предполагаемой лазерной обработки объекта 950 лазерная система 912, объект 950 и/или система 920 защиты могут позиционироваться любое число раз при сверлении множества отверстий или выполнении другой лазерной обработки объекта 950.
Кроме того, в некоторых примерах реализации, контроллер 922 может по меньшей мере отчасти управлять системой 926 газоснабжения и/или системой 936 снабжения текучей средой. Например, контроллер 922 может принимать данные расхода от одного или нескольких указателей 932, 940 расхода и использовать их для регулирования давления и/или потока газа и/или текучей среды, подаваемого в систему 920 защиты. Как описано выше, в некоторых случаях система 926 газоснабжения может направлять поток газа через внутреннюю поверхность полости объекта 950 во время выполнения лазерной обработки, что может облегчать ограничение поступления жидкости в отверстие или другую обрабатываемую область объекта 950 во время лазерной обработки. Аналогичным образом, поток газа может направляться через наружную поверхность объекта 950 вблизи области лазерной обработки, что позволяет удаляться грязь и брызги из обрабатываемой области, а также помогает уменьшать количество или исключать поступление воды или других текучих сред в просверливаемое отверстие. По меньшей мере в некоторых испытаниях эта внешняя струя газа имела общую ось с лазерным лучом. Кроме того, поскольку в некоторых случаях в оптической системе 918 может использоваться вспомогательная струя газа для регулирования количества подаваемого газа может использоваться регулятор 930 давления.
В некоторых случаях для определения и/или контроля различных параметров может использоваться один или несколько датчиков 944. Например, в некоторых примерах реализации может использоваться детектор прожога, который входит в систему 920 защиты и/или расположен отдельно от системы 920 защиты относительно полости. Детектор прожога способен обнаруживать, когда лазерный импульс проникает через стенку объекта 950 и поступает в полость. Это может использоваться для регулирования лазерной обработки, такой как настройка длительности лазерных импульсов, интервалов между лазерными импульсами, интервалов между пакетами лазерных импульсов, интенсивности лазерных импульсов, длины волны лазерного излучения, формирования лучей, кольцевого сверления, вспомогательных газоструйных источников и/или других таких настроек или их сочетаний.
Например, в некоторых случаях детектор прожога используется во взаимодействии с управлением лазерными импульсами. После того, как лазерные импульсы генерируют отверстие в стенке объекта, обычно лазерное сверление или обработка предпочтительно продолжается с целью достижения желаемого качества просверленного лазером отверстия. Соответственно, по меньшей мере часть каждого лазерного импульса, направляемого на объект 950 после формирования отверстия проходит через отверстие и сталкивается с защитной подложкой 312 системы 920 защиты. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления снижена частота следования импульсов и увеличен интервал между импульсами или пакетами импульсов. За счет увеличенного интервала между импульсами или пакетами могут ослабляться отрицательные воздействия на защитную подложку и/или заднюю стенку. Тем не менее, до формирования отверстия в объекте 950 может быть желательным увеличить частоту следования импульсов и соответственно повысить скорость обработки. Соответственно, может использоваться детектор прожога, чтобы обнаруживать первоначальное формирование отверстия в объекте 950. Датчик может уведомлять процессор 946 сигналов или непосредственно ограничитель 914 импульсов и/или контроллер 922 о необходимости регулирования частоты следования импульсов, таком как снижение частоты следования импульсов, направляемых на объект 950. Сниженная частота может зависеть от множества факторов, таких без ограничения объект 950 обработки, материал объекта обработки, защитная подложка 312, когда она используется, расход жидкости, расчетная скорость кавитации, интенсивность лазерного излучения, размеры полости и/или других таких факторов или их сочетаний. В некоторых вариантах осуществления детектор прожога или датчик 944 может быть реализован в одном или нескольких фотодиодах, которые могут находиться внутри полости или снаружи полости. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления дополнительно используется оптоволоконный кабель, который оптически связан с одним или несколькими фотодиодами, при этом дальний от фотодиода конец оптоволоконного кабеля может находиться внутри полости объекта 950 и, например, сообщаться с трубопроводом 314 для текучей среды или газопроводом 340.
Кроме того или в качестве альтернативы, для упреждения прожогов лазером может использоваться таймер 946. Обычно приблизительно известно время, необходимое для достижения желаемого прожога. Использование таймера 946 для упреждения прожогов позволяет регулировать частоту следования импульсов с целью дополнительной защиты задней стенки с сохранением высокой скорости лазерного сверления.
На фиг. 10А показана упрощенная блок-схема, иллюстрирующая один из примеров реализации системы 912 лазерной обработки и проиллюстрированного на фиг. 9 ограничителя 914 импульсов согласно некоторым вариантам осуществления. Лазерная система 912 может содержать генератор 1012 синхронизирующих импульсов, взаимодействующий с лазером 1014. Ограничитель 914 импульсов может содержать второй генератор 1018 синхронизирующих импульсов и ограничитель 1020 импульсов. В некоторых вариантах осуществления для направления лазерных импульсов по заданной траектории, которая может вести в систему 916 переноса лучей, используется оптика 1024.
На фиг. 10Б показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. Генерируются лазерные импульсы 1030-1032, которые направляются на объект 950. Импульсы 1030-1032 различаются длительностью 1036. Например, длительность 1036 может составлять приблизительно 0,5 мс. Кроме того, в некоторых примерах реализации каждый лазерный импульс имеет длительность приблизительно от 10 пс до 100 нс. Тем не менее, защита задней стенки, обеспечиваемая в настоящем изобретении, не ограничена этими лазерными импульсами и/или их синхронизацией. В качестве альтернативы, защита задней стенки может использоваться в случае преимущественно любых лазерных импульсов, длительностей лазерных импульсов и/или интервалов между импульсами или пакетами импульсов. Например, в некоторых вариантах осуществления защита задней стенки обеспечивается в случае обработки сдвоенными лазерными импульсами длительностью 5 пс или одиночными лазерными импульсами длительностью 100 фс. В некоторых случаях, длительность 1036 может изменяться с течением времени в зависимости от заданного графика обработки, например, после обнаружения прожога лазерными импульсами стенки объекта 950 обработки, истечения расчетного времени или других таких факторов.
Как показано на фиг. 10А-Б, генератор 1012 синхронизирующих импульсов способен отчасти распределять импульсы, при этом второй генератор 1018 синхронизирующих импульсов обеспечивает синхронизацию и координирует работу ограничителя 1020 импульсов с целью точного направления импульсов 1030-1032 в соответствии с заданной частотой следования и достижения синхронизации импульсов относительно друг друга. Оптика 1024 может представлять собой оптику, применимую для нацеливания лазерных импульсов, включая без ограничения одну или несколько волновых пластин, поляризаторов и т.п.
На фиг. 10В показана упрощенная блок-схема, иллюстрирующая один из примеров реализации системы 912 лазерной обработки и проиллюстрированного на фиг. 9 ограничителя 914 импульсов согласно некоторым вариантам осуществления. Лазерная система 912 может содержать первый генератор 1012 синхронизирующих импульсов, взаимодействующий с двумя лазерами 1014-1015. Ограничитель 914 импульсов может содержать второй генератор 1018 синхронизирующих импульсов и первый и второй ограничители 1020-1021 импульсов. В некоторых вариантах осуществления для объединения или направления иным способом лазерных импульсов по одной траектории, которая может вести в систему 916 переноса лучей, которая может содержать оптику и т.п., используется оптика 1024.
Как описано выше и далее, в некоторых вариантах осуществления лазерные импульсы могут генерироваться пакетами. На фиг. 10Г показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. Генерируются пакеты 1040-1042 лазерных импульсов, которые направляются на объект 950. Пакеты 1040-1042 содержат множество лазерных импульсов, которые в некоторых случаях могут усиливать лазерное сверление и/или лазерную обработку. Например, пакеты лазерных импульсов могут формироваться и/или использоваться, как описано в патенте US 6664498, который во всей полноте в порядке ссылки включен в настоящую заявку. Для генерирования множества импульсов в виде пакетов 1040-1042 могут применяться другие способы, такие как без ограничения селекция последовательности импульсов с высокой частотой следования и ее усиление, чтобы пикосекундный регенеративный усилитель действовал в желаемом правильном режиме рассогласования, и/или другие такие способы.
Импульсы в пакетах 1040-1042 разделены интервалом первой длительности 1044, а последовательные пакеты 1040-1042 разделены интервалом второй длительности 1046. В одном из примеров первая длительность 1044 составляет приблизительно 50-200 нс, а вторая длительность 1046 около 0,5 мс. Кроме того, в некоторых примерах реализации каждый лазерный импульс имеет длительность приблизительно от 10 пс до 100 нс. Интервал между лазерными импульсами в каждом пакете может составлять приблизительно от 5 нс до 5 мкс. Кроме того, интервал между последовательными пакетами превышает интервал между лазерными импульсами из каждого пакета, при этом интенсивность первого лазерного импульса и/или второго лазерного импульс в каждом пакете превышает порог повреждения объекта обработки. Интервал между пакетами 202 определяется частотой следования лазерных импульсов, которая может составлять от нескольких герц до приблизительно 100 килогерц; тем менее, интервал между пакетами 202 значительно превышает интервал между импульсами 204, 206 в каждом пакете 202 (например, более чем в 10 раз или более чем в 100 раз, или более чем в 1000 раз превышает интервал между импульсами 204, 206). Тем не менее, и в этом случае защита задней стенки, обеспечиваемая в настоящем изобретении, может использоваться в случае преимущественно любых лазерных импульсов, длительностей лазерных импульсов и/или интервалов между импульсами или пакетами импульсов с учетом образования, захлопывания и/или дисперсии пузырьков.
Как показано на фиг. 10В, пакеты 1040-1042 разделены единым вторым интервалом 1046. Тем не менее, как описано выше, первый интервал 1044 и/или второй интервал 1046 могут изменяться с течением времени, например, в зависимости от заданного графика обработки, например, после обнаружения прожога лазерными импульсами стенки объекта 950 обработки, истечения расчетного времени или других таких факторов. В других вариантах осуществления лазерная обработка выполняется одиночными импульсами вместо многоимпульсных пакетов или в сочетании с ними. Как показано на фиг. 10В-Г, первый генератор 1012 синхронизирующих импульсов способен отчасти распределять импульсы в пакете 1040, таком как пакет сдвоенных импульсов, в котором каждый импульс генерируется первым или вторым лазерами 1014-1015. Второй генератор 1018 синхронизирующих импульсов обеспечивает синхронизацию и координирует работу первого и второго ограничителей 1020-1021 импульсов с целью точного направления пакетов 1040-1042 обоих лазерных импульсов в соответствии с заданной частотой следования импульсов и достижения синхронизации пакетов относительно друг друга. Оптика 1024 может представлять собой оптику, применимую для объединения лазерных импульсов, включая без ограничения одну или несколько волновых пластин, поляризаторов и т.п. В других вариантах осуществления используется одиночный лазер 1014, а лазерный луч расщепляется, чтобы генерировать второй импульс с задержкой, предусмотренной на его траектории для достижения желаемого интервала 1034 между импульсами в пакетах.
На фиг. 11 показана упрощенная блок-схема процесса 1110 лазерной обработки с защитой задней стенки, согласно некоторым вариантам осуществления. На шаге 1112 направляют текучую среду в полость объекта 950 лазерной обработки. Обычно текучая среда, направляемая в полость, не обладает свойствами поглощать или рассеивать лазерное излучение на длинах волн лазерных импульсов. Аналогичным образом, текучая среда обычно преимущественно не обладает барьерными свойствами в отношении лазерного излучения. На шаге 1114 направляют множество лазерных импульсов на стенку объекта 950 лазерной обработки. Лазерные импульсы сконфигурированы на формирование отверстия в стенке объекта 950, при этом лазерный импульс проходит через отверстие и поступает в полость, в которую направляется текучая среда, в результате лазерный импульс сталкивается одновременно с текучей средой и поверхностью, и предотвращается повреждение задней стенки.
На фиг. 12 показана упрощенная блок-схема процесса 1210 лазерной обработки с защитой задней стенки объекта 950 лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления. На шаге 1212 помещают защитную подложку (например, защитную подложку 312) в полость объекта 950 таким образом, чтобы защитная подложка располагалась на одной оси с предполагаемой траекторией лазерного луча и заданным отверстием на стенке объекта 950 или другой выполняемой лазерной обработкой.
На шаге 1214 направляют текучую среду в полость и на защитную подложку 312. Во многих вариантах осуществления текучая среда не обладает свойствами поглощать лазерное излучение и, кроме того, может представлять собой просто воду (например, водопроводную воду, охлажденную воду, переохлажденную воду и т.д.), спирт, сжиженный газ (например, жидкий азот) или другие применимые текучие среды, способные пропускать лазерное излучение и по меньшей мере в некоторых случаях кипеть с тем, чтобы отбирать энергию лазерного излучения. В некоторых случаях в текучую среду может добавляться поверхностно-активное вещество для лучшего увлажнения защитной подложки. Кроме того, обычно из текучей среды не выпадает осадок, который должен удаляться посредством дополнительных или сложных процедур. Помимо этого, текучая среда может направляться с целью непосредственного контакта с поверхностью защитной подложки 312, с которой должны сталкиваться лазерные импульсы. На шаге 1216 регулируют лазерную обработку, чтобы сформировать отверстие в стенке объекта 950 или выполнить другую лазерную обработку. При точном расположении защитной подложки 312 лазерные импульсы, которые проникают через стенку объекта 950 и поступают в полость, падают на защитную подложку 312 и направленную на нее текучую среду, в результате чего защитная подложка предотвращает столкновение лазерного импульса с задней стенкой через полость со стороны формируемого отверстия.
На фиг. 13 показана упрощенная блок-схема процесса 1310 лазерной обработки объекта 950 согласно некоторым вариантам осуществления. Например, процесс 1310 может использоваться с целью лазерного сверления множества отверстий в топливном инжекторе вблизи его суженного конца, через который предполагается впрыскивать топливо при применении топливного инжектора в двигателе. На шаге 1312 конфигурируют и/или конструируют защитную подложку 312 согласно заданному размеру и форме в зависимости от объекта 950 лазерной обработки (например, топливного инжектора), размера объекта, размера полости, имеющегося пространства для доступа к полости и других таких факторов. Кроме того, в некоторых случаях размеры защитной подложки 312 могут зависеть от предполагаемой лазерной обработки, предполагаемой интенсивности лазерных импульсов, длительности лазерных импульсов, интервала между импульсами, интервала между пакетами лазерных импульсов при использовании пакетов, опоры (например, трубопровода 314 для текучей среды) защитной подложки 312 при размещении внутри полости и соединения защитной подложки с трубопроводом 314 для текучей среды и других таких факторов. Например, в некоторых вариантах осуществления защитную подложку формируют путем механической обработки трубопровода 314 для текучей среды, непосредственно из которого вырезают защитную подложку 312. В некоторых случаях защитная подложка 312 может быть изогнута относительно оси трубопровода 314 для текучей среды, чтобы поверхность защитной подложки находилась внутри полости под желаемым углом к траектории лазерных импульсов, и/или чтобы текучая среда, выходящая из трубопровода 314 для текучей среды, по меньшей мере частично направлялась на защитную подложку 312.
На шаге 1314 в защитной подложке 312 формируют одну или несколько поверхностных структур, таких как отверстия и/или неровности. Например, в некоторых вариантах осуществления путем механической обработки, лазерного сверления или иным способом формируют сетку или матрицу отверстий 512 в защитной подложке. Например, может формироваться сетка отверстий и/или впадин в виде шестиугольной плотно упакованной конфигурации, при этом отверстия и/или впадины имеют сходящее на конус поперечное сечение. На шаге 1316 опирают защитную подложку 312 на трубопровод 314 для текучей среды, который сообщается с установочным фиксатором 712. Трубопровод 314 для текучей среды дополнительно сообщается с выходом системы 936 снабжения текучей средой (например, соединен с выходом указателя 940 расхода). На шаге 1318 компонуют газопровод 340 с установочным фиксатором 712 и подсоединяют к выходу системы 926 газоснабжения (например, к выходу указателя 932 расхода).
На шаге 1320 устанавливают объект 950 лазерной обработки (например, топливный инжектор) таким образом, чтобы один из участков объекта лазерной обработки находился вблизи фокуса лазера при его приведении в действие. В некоторых вариантах осуществления система 924 позиционирования способна устанавливать объект 950 в желаемое положение. Следует отметить, что объект 950 лазерной обработки и/или лазер необязательно должны располагаться таким образом, чтобы точка 218 фокуса лазера находилась непосредственно в центре отверстия или другой выемки, выполняемой путем лазерной обработки. По существу, в некоторых случаях может быть выгодным и желательным, чтобы точка фокуса не находилась в центре формируемого отверстия. Например, точка 218 фокуса лазера может быть направлена в центр по радиусу, а не по оси формируемого отверстия. В некоторых случаях точка 218 фокуса может находиться вне объекта 950. Аналогичным образом, в некоторых случаях, таких как при использовании режима расточной головки, лазер может перемещаться, например, по окружности растачиваемого отверстия или выемки. На шаге 1322 устанавливают систему 310 защиты внутри полости объекта 950 таким образом, чтобы защитная подложка 312 находилась на одной оси с предполагаемой траекторией лазерных импульсов.
На шаге 1324 устанавливают параметры лазерной системы 912, такие как мощность лазерного излучения, синхронизация импульсов (например, синхронизация сдвоенных импульсов) и другие применимые параметры. На шаге 1326 конфигурируют один или несколько ограничителей 914 импульсов на установление частоты селекции. В некоторых вариантах осуществления конфигурируют шаги 1324 и 1326 в соответствии с планом обработки, который может предусматривать изменение с течением времени одного или нескольких параметров лазера и/или частоты селекции во время лазерной обработки, например, на основании расчетного времени прожога и/или при обнаружении прожога. На шаге 1320 конфигурируют систему 916 переноса лучей, например, путем установления режима расточной головки при желании.
На шаге 1332 конфигурируют систему 936 снабжения текучей средой и систему 926 газоснабжения с целью установления расходов газа и текучей среды и приводят в действие, чтобы начать подачу текучей среды и газа внутрь полости объекта 950. В некоторых вариантах осуществления дополнительно подают газ во вспомогательную струю газа, когда это применимо, чтобы направлять поток газа вдоль наружной поверхности объекта 950. На шаге 1334 устанавливают желаемую синхронизацию одного или нескольких затворов, и начинают лазерное сверление первого отверстия в объекте 950.
В некоторых вариантах осуществления в объекте 950 может выполняться множество отверстий или других операций лазерной обработки. Например, когда объектом является топливный инжектор, обычно в нем просверливают лазером множество отверстий. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления предусмотрен шаг 1336, на котором поворачивают или иначе перемещают объект 950 в новую конечную точку. На шаге 1340 устанавливают объект 950 в заданное положение относительно точки фокуса лазера. В некоторых примерах реализации поворот и позиционирование объекта 950 осуществляются системой 924 позиционирования. На шаге 1342 устанавливают желаемое время сверления для одного или нескольких затворов, и выполняют лазерное сверление. При необходимости дальнейшего лазерного сверления и/или обработки, выполнение процесса 1310 может возвращаться к шагу 1336 поворота или иного повторного позиционирования объекта 950 для последующего лазерного сверления или обработки.
После завершения лазерного сверления выполнение процесса продолжается на шаге 1344, на котором извлекают систему 310 защиты из полости. На шаге 1346 устанавливают следующий объект 950 в определенное положение относительно лазерной системы 912. На шаге 1348 помещают систему 310 защиты в полость. На шаге 1350 устанавливают следующий объект 950 в определенное положение относительно точки фокуса лазера. Затем выполнение процесса 1310 может возвращаться к шагу 1334 установки синхронизации затвора и выполнения лазерного сверления.
В некоторых вариантах осуществления предусмотрена защита задней стенки без размещения защитной подложки между лазерным импульсом и задней стенкой. Эта схема защиты отчасти реализуется путем подачи текучей среды в полость объекта лазерной обработки и одновременного управления лазерными импульсами и синхронизации лазерных импульсов во время лазерной обработки.
На фиг. 14 показана упрощенная блок-схема процесса 1410 защиты задней стенки объекта 950 (например, лопатки турбины, топливного инжектора и преимущественно любого объекта) во время его лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления. На шаге 1412 приводят в действие систему снабжения текучей средой с целью подачи текучей среды в полость объекта 950. Обычно текучая среда, подаваемая в полость, не обладает свойствами поглощать или рассеивать лазерное излучение и во многих случаях представляет собой просто воду, подаваемую в полость объекта 950. Текучая среда соприкасается с задней стенкой, защищаемой от повреждения, и в некоторых случаях преимущественно заполняет или заполняет полость объекта. На шаге 1414 генерируют множество лазерных импульсов и/или пакетов. Обычно используют пакеты лазерных импульсов, при это каждый пакет содержит множество лазерных импульсов (например, два импульса), которые разделены лишь небольшим временным интервалом по меньшей мере относительно интервала между пакетами. Генерирование пакетов лазерных импульсов и их применение в лазерной обработке описано в патенте US 6664498 на имя Forsman и др., который во всей полноте в порядке ссылки включен в настоящую заявку.
На шаге 1416 точно регулируют синхронизацию лазерных импульсов и/или пакетов, которые сталкиваются с объектом 950, таким образом, чтобы лазерные импульсы в целом не падали на заднюю стенку, когда на ней присутствует один или множество пузырьков.
Соответственно, лазерные импульсы падают одновременно на текучую среду и заднюю стенку, и тем самым предотвращается повреждение задней стенки. В некоторых случаях регулируют синхронизацию лазерных импульсов и/или пакетов путем выбора подмножества пакетов лазерных импульсов и их направления на объект 950 в соответствии с заданной синхронизацией с целью ограничения и/или предотвращения повреждения задней стенки с помощью текучей среды, соприкасающейся с задней стенкой. Заданная синхронизация зависит от генерирования пузырьков и/или кавитации внутри текучей среды под действием лазерных импульсов.
На фиг. 15 показан упрощенный схематический вид в поперечном разрезе объекта 1510 во время лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления. Посредством оптики 1514 и т.п. направляют на объект 1510 лазерные импульсы 1512 с целью выполнения лазерной обработки, такой как лазерное сверление одного или нескольких отверстий 1518 в стенке 1520 объекта 1510. После прорыва стенки 1520 продолжают направлять последующие лазерные импульсы на объект с целью достижения желаемого качества и/или ширины отверстия 1518. По существу, по меньшей мере часть лазерных импульсов, направляемых на объект 1510 после прорыва, проходит через отверстие, поступая в полость 1522 объекта, и может проходить через нее, сталкиваться с поверхностью 1524 задней стенки 1526 (при этом задней стенкой 1526 некоторых объектов 1510 является продолжение стенки 1520 или та же самая стенка 1520, в которой выполняется лазерная обработка, с противоположной стороны полости 1522) и потенциально повреждать заднюю стенку. Лазерные импульсы, непосредственно сталкивающиеся с поверхностью 1524 задней стенки, могут превращать материал задней стенки 1526 в плазму, которая способна повреждать заднюю стенку и/или нарушать ее целостность в этом месте, могут создавать поток горячих газов и в некоторых случаях вызывать образование обломков, когда участки задней стенки могут выталкиваться, вызывая ее повреждение.
Соответственно, в некоторых вариантах осуществления направляют текучую среду 1530 в полость 1522 во время выполнения лазерной обработки. Обычно текучая среда не обладает свойствами поглощать лазерное излучение и в некоторых случаях представляет собой воду, спирт или другие применимые текучие среды. В некоторых примерах реализации в текучую среду может добавляться поверхностно-активное вещество для облегчения увлажнения задней стенки. Количество текучей среды 1530, находящейся на поверхности 1524 задней стенки, может зависеть от интенсивности и/или мощности лазерного импульса 1512, расстояния от поверхности 1524 задней стенки до точки фокуса лазера 1532, материала задней стенки, длительности лазерных импульсов, интервала между импульсами и/или других таких факторов. Поток текучей среды в полость может зависеть от объема полости, частоты следования импульсов, расчетного образования, захлопывания и/или дисперсии пузырьков и/или других таких факторов. Кроме того, расход потока может регулироваться с целью предотвращения поступления текучей среды в просверливаемое лазером отверстие. И в этом случае, чтобы отводить текучую среду от отверстия, могут использоваться внутренние и внешние струи газа.
Кроме того, чтобы ослабить потенциальное повреждение задней стенки, которое может иначе произойти, дополнительно регулируется интервал между лазерными импульсами и/или пакетами лазерных импульсов. Было установлено, что при соприкосновении текучей среды, такой как вода, с поверхностью 1524 задней стенки, усиливается отражательная способность поверхности 1524 задней стенки. За счет усиленной отражательной способности текучая среда и поверхность задней стенки вместе предотвращают повреждение задней стенки лазерными импульсами, сталкивающимися с поверхностью 1524 задней стенки, которые легко отражаются от поверхности задней стенки, и, соответственно, сводят к минимуму, если не устраняют абляцию, образование плазмы и/или другое повреждение задней стенки при сохранении отражательной способности. За счет того, что продолжают распространяться отраженные лазерные импульсы, снижается интенсивность и вероятность дальнейшего повреждение внутренней поверхности полости 1522.
Тем не менее, было также установлено, что лазерные импульсы 1512 способны вызывать кавитацию текучей среды 1530 или образование в ней пузырьков. Вследствие образования пузырьков на или вблизи поверхности 1524 задней стенки может снижаться отражательная способность поверхности задней стенки, например, из-за недостатка текучей среды 1530 на поверхности задней стенки, когда на ней образуются пузырьки. При снижении отражательной способности последующие лазерные импульсы могут вызывать повреждение и/или увеличенную абляцию поверхности 1524 задней стенки, например, вследствие того, что лазерный импульс сталкивается с сухим или преимущественно участком поверхности 1524 задней стенки, на котором образовался пузырек. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления ослабляют и/или исключают потенциальное повреждение задней стенки путем регулирования синхронизации лазерных импульсов, направляемых на объект 1510, с одновременной подачей текучей среды в полость, в результате чего пузырьки, образующиеся под действием одного или нескольких предыдущих лазерных импульсов, преимущественно или полностью захлопываются до того, как на объект направляют следующий импульс. В результате, текучая среды 1530 соприкасается с поверхностью 1524 задней стенки и обеспечивает усиленную отражательную способность, за счет которой уменьшается образование плазмы и/или абляция поверхности задней стенки.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления дополнительно направляют в полость 1522 поток газа 1536 (например, воздуха, азота, аргона, гелия или другого применимого газа) обычно через область лазерной обработки. Соответственно, поток газа 1536 способен ограничивать или предотвращать поступление текучей среды 1530 в отверстие 1518 при его формировании и/или контакт с отверстием, потенциально способный вызывать развальцовку на поверхности отверстие 1518 в некоторых случаях. Помимо этого, в некоторых вариантах осуществления направляют в отверстие 1518 и/или через наружную поверхность объекта 1510 один или несколько потоков газа 1540, которые способны частично удалять грязь, образующуюся во время лазерной обработки, и/или предотвращать поступление в отверстие текучей среды изнутри полости.
На фиг. 16А показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. Направляют на объект лазерной обработки последовательность лазерных импульсов 1612-1613. Было обнаружено, что по меньшей мере при некоторых интенсивностях лазерного излучения и расстояниях от точки фокуса лазера на задней стенки 1524 полости 1522 объекта под действием лазерного импульса 1612 могут образовываться пузырьки. Из-за пузырьков, которые могут образовываться вблизи задней стенки 1524, один или несколько последующих лазерных импульсов могут сталкиваться с сухим или преимущественно сухим участком задней стенки, что может снижать отражательную способность задней стенки и/или ослаблять охлаждающее действие жидкости.
Соответственно, лазерная система может управляться таким образом, чтобы второй лазерный импульс 1613 не направлялся на объект 1510 до истечения второго интервала 1622, следующего за первым пакетом 1612. Соответственно, лазерная система управляется таким образом, чтобы последующий второй импульс 1613 не направлялся на объект 1510 в течение прогнозированного временного интервала 1624, в течение которого прогнозируется, что все или преимущественно все пузырьки вблизи поверхности 1524 задней стенки захлопнутся или рассеются. И в этом случае, временной интервал 1624 частично определяется с учетом интенсивности или мощности лазерного излучения, расстояния между точкой фокуса лазера 1532 и поверхностью 1524 задней стенки, текучей среды 1530, прогнозированного времени образования и захлопывания преимущественно всех пузырьков, образующихся на поверхности 1524 задней стенки под действием первого лазерного импульса 1612, и других таких факторов. Например, временной интервал 1624 между последующими импульсами 1612-1613 может составлять около 0,5 мс. Пузырьки, образующиеся в текучей среде под действием лазерных импульсов первоначального пакета, обычно относительно быстро захлопываются на задней стенки, в особенности, при относительно низкой интенсивности лазерного излучения на задней стенке.
На фиг. 16Б показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. Как описано выше и в патенте US 6664498, за счет применения пакетов 1632-1635 лазерных импульсов может улучшаться лазерное сверление и/или лазерная обработка. Было обнаружено, что по меньшей мере при некоторых интенсивностях лазерного излучения первый пакет 1632 из двух лазерных импульсов, разделенных первым интервалом 1640, может не вызывать образование пузырьков на поверхности 1524 задней стенки. Кроме того, второй интервал 1642 между пакетами 1632-1633 лазерных импульсов выбирается таким образом, чтобы пузырьки не образовывались до передачи второго пакета 1633 импульсов. В некоторых случаях, пузырьки могут образовываться в точке фокуса лазера 1532 или вблизи нее, когда в точке фокуса или вблизи нее присутствует текучая среда 1530; тем не менее, пузырьки обычно не образуются вблизи задней стенки под действием первого пакета 1632 импульсов или не образуются по меньшей мере до того, как импульсы второго пакета 1633 столкнутся с поверхностью 1524 задней стенки. Соответственно, второй пакет 1633 импульсов может направляться на объект 1510 по истечении второго интервала 1642 после первого пакета 1632 импульсов. Части импульсов второго пакета 1633, которые проходят через отверстие 1518, сталкиваются с поверхностью 1524 задней стенки в то время, как текучая среды 1530 соприкасается с поверхностью задней стенки, и до образования пузырьков.
Пузырьки, вероятно, образуются под действием импульсов второго пакета 1633 из первого множества пакетов. Соответственно, направляют на объект 1510 последующий третий пакет 1634 из второго множества пакетов по истечении третьего интервала 1644, который обычно является относительно длительным по сравнению с первым интервалом 1640, разделяющим импульсы внутри пакета (например, в сотни или тысячи раз большим, чем интервал 1640 между импульсами), и более длительным, чем второй интервал 1642 между первым и вторым пакетами 1632-1633 (например, в пять, десятки или сотни раз большим, чем интервал 1642 между пакетами из первого множества пакетов). Третий интервал 1644 определяется с учетом интенсивности или мощности лазерного излучения, расстояния между точкой фокуса лазера 1532 и поверхностью 1524 задней стенки, текучей среды 1530, вязкости, плотности и поверхностного натяжения текучей среды, угла падения на заднюю стенку, расхода потока, прогнозированного времени образования, захлопывания и/или рассеяния преимущественно всех пузырьков, образующихся на поверхности 1524 задней стенки под действием первого и/или второго пакетов 1632- 1633, и других таких факторов. Например, первый интервал 1640 между импульсами пакета 1632 может составлять около 50-200 не, а второй интервал 1642 между первым и вторым пакетами 1632-1633 может составлять около 0,1 мс. Множества пакетов могут быть разделены третьим интервалом 1644 длительностью около 0,5 мс. Соответственно, пузырьки, образующиеся в текучей среде под действием двух следующих друг за другом пакетов лазерных импульсов, обычно относительно быстро захлопываются на задней стенки, в особенности, при относительно низкой интенсивности лазерного излучения на задней стенке. В некоторых вариантах осуществления учитывается расчетное время захлопывания пузырьков различных размеров под действием поверхностного натяжения при различных расчетных размерах пузырьков. Применимость этих расчетов была проверена методом испытаний путем создания и предотвращения повреждения задней стенки трубки. И в этом случае поток текучей среды может способствовать захлопыванию пузырьков и/или отдалению пузырьков от задней стенки, с которой должен столкнуться лазерный импульс.
7
2
9
2
В некоторых вариантах осуществления интенсивность лазерного излучения в точке фокуса лазера по данным некоторых испытаний примерно в 10 и 100 раз превышала интенсивность на задней стенке, которая находилась на расстоянии около 2-3 мм от точки фокуса лазера (например, по меньшей мере в некоторых случаях реализации интенсивность лазерного излучения на задней стенке может составлять от 10 Вт/см до 10 Вт/см). Соответственно, на задней стенке образуется меньше пузырьков, чем в точке фокуса лазера. Кроме того, одиночный импульс может не вызывать образование пузырьков на задней стенке, что позволяет использовать множество импульсов в пакете для улучшения обработки и при этом ограничивать или предотвращать повреждение задней стенки. Следует отметить, что текучая среда, направляемая в полость, может способствовать рассеянию и удалению части пузырьков. Подаваемый с высокой скоростью поток текучей среды может способствовать удалению по меньшей мере части пузырьков. Аналогичным образом, в некоторых случаях поток текучей среды может рассеивать или уносить преимущественно все, если не все пузырьки от задней стенки, с которой сталкивается лазерный импульс, что может обеспечивать преимущественно непрерывную работу системы лазерной обработки, такую как непрерывную передачу пакетов лазерных импульсов с гораздо меньшими интервалами между пакетами. Например, в зависимости от размера полости скорость потока может составлять порядка 5 м/сек. Тем не менее, и в этом случае может быть затруднительным поддерживать скорость эту потока в стесненных условиях геометрии, такой как геометрия некоторых топливных инжекторов.
Тем не менее, защита задней стенки согласно настоящему изобретению не ограничена этими лазерными импульсами и/или их синхронизацией. В качестве альтернативы, защита задней стенки может использоваться в случае преимущественно любых лазерных импульсов, длительностей лазерных импульсов и/или интервалов между импульсами или пакетами импульсов с учетом образования пузырьков и времени захлопывания, рассеяния и/или удаления пузырьков из области, с которой должен сталкиваться лазерный импульс. Кроме того, в сочетании с защитной подложкой (например, подложкой 312) задней стенки аналогичным образом может применяться переключение импульсов и/или импульсное управление. Соответственно, в то время, как защитная подложка задней стенки находится внутри полости объекта лазерной обработки, может применяться импульсное и/или пакетное управление.
В некоторых случаях текучая среда 1530 может частично поступать в отверстие 1518, просверливаемое лазером, и соответственно находиться вблизи точки фокуса лазера 1532. За счет образования пузырьков, которое может происходить вблизи точки фокуса лазера 1532, в некоторых случаях может улучшаться лазерная обработка. Например, в результате образования пузырьков вблизи точки фокуса лазера под действием импульсов первого пакета 1632 импульсы второго пакета 1633 могут сталкиваться с относительно сухой поверхностью, за счет чего улучшается образование плазмы и абляция вблизи точка фокуса лазера и тем самым может улучшаться желаемая лазерная обработка (например, формирование отверстия 1518) и дополнительно предотвращаться захват текучей среды в отверстии.
На фиг. 17 показана упрощенная временная диаграмма, отображающая синхронизацию лазерных импульсов при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. Лазерная система способна генерировать последовательность пакетов 1712-1723. Могут выбираться подмножества этих пакетов и направляться на объект с целью выполнения лазерной обработки согласно заданной синхронизации. В некоторых случаях, с целью выбора желаемых импульсов для направления на объект может использоваться ограничитель импульсов с учетом заданной синхронизации. Например, могут выбираться первый и второй пакеты 1712-1713, разделенные первым интервалом (например, первым интервалом 1732). Как описано выше, в некоторых случаях при синхронизации первого и второго пакетов пузырьки на задней стенке не образуются до передачи второго пакета 1713. Следующие пакеты 1714-1721 могут быть пропущены и могут не направляться на объект 1510. Исходя из расчетного времени захлопывания пузырьков на поверхности 1524 задней стенки, определяют второй интервал 1734, и ограничитель импульсов может выбирать второе подмножество пакетов для направления на объект 1510, например, одиннадцатый и двенадцатый пакеты 1722-1723, в соответствии с желаемым интервалом между множествами пакетов. По существу, второе подмножество пакетов выбирается в соответствии с заданной синхронизацией таким образом, чтобы одиннадцатый и двенадцатый пакеты 1722-1723 сталкивалась с поверхностью 1524 задней стенки после того, как захлопнутся преимущественно все или все пузырьки, образовавшиеся под действием импульсов первого подмножества пакетов, и текучая среда 1530 будет соприкасаться с поверхностью 1524 задней стенки. В некоторых случаях из каждого заданного числа пакетов может выбираться пара пакетов (например, из каждых десяти пакетов выбираются два пакета).
На фиг. 18 показана упрощенная блок-схема системы 1810 лазерной обработки, согласно некоторым вариантам осуществления. Система 1810 лазерной обработки содержит лазерную систему 1812, систему 1814 защиты, которая взаимодействует с объектом 1816 лазерной обработки, систему 1818 позиционирования и/или управления перемещениями (далее - система позиционирования) и контроллер 1820.
Контроллер 820 может быть сконфигурирован в виде единого устройства или отдельных устройств, включающих контроллеры лазерной системы 1812, системы 1814 защиты и/или системы 1818 позиционирования. В некоторых вариантах осуществления контроллер 1820 представляет собой один или несколько процессоров и/или микропроцессоров, связанных с памятью, в которой хранится код, команды и/или программное обеспечение для управления системой 1810 лазерной обработки. В некоторых примерах реализации контроллер 1820 может быть по меньшей мере частично реализован в компьютере, связанном с одним или несколькими из следующего: системой 1812 лазерной обработки, системой 1814 защиты и системой 1818 позиционирования.
Лазерная система 1812 генерирует лазерные импульсы и направляет их таким образом, чтобы они точно воздействовали на желаемое местоположение на объекте 1816 лазерной обработки. Обычно лазерная система 1812 содержит оптику, ограничители и т.п. для фокусировки и направления лазерного импульса на объект 1816. В некоторых вариантах осуществления лазерная система 1812 содержит дополнительные элементы и/или признаки, такие как траектории задержки и т.п. для генерирования одного или нескольких лазерных импульсов, сталкивающихся с объектом 1816, и достижения желаемой лазерной обработки.
Система 1814 защиты взаимодействует с контроллером 1820 и объектом 1816 с целью обеспечения защиты задней стенки на участке объекта напротив отверстия или другой выполняемой обработки. В некоторых вариантах осуществления система 1814 защиты подает в полость объекта 1816 текучую среду, которая обеспечивает защиту задней стенки объекта 1816 напротив участка объекта лазерной обработки. Система 1814 защиты дополнительно содержит контроллер ограничителя импульсов (например, ограничитель 914 импульсов и таймер и/или процессор 946 сигналов), который взаимодействует с лазерной системой 1810 и/или входит в лазерную систему 1810 и управляет выбором подмножества импульсов и/или пакетов импульсов из последовательности импульсов и/или пакетов. Соответственно, в некоторых примерах реализации ограничитель 914 импульсов, контроллер 1820 и процессор 946 сигналов могут направлять на объект 1816 подмножество из последовательности импульсов или пакетов импульсов и при этом предотвращать направление на объект некоторых из импульсов или пакетов импульсов с целью регулирования образования пузырьков и/или захлопывания пузырьков на поверхности 1524 задней стенки с целью ее защиты. В некоторых примерах реализации система 1814 защиты может содержать дополнительные или альтернативные компоненты, такие как без ограничения система 926 газоснабжения, которая способна направлять на объект 1816 один или несколько внутренних или внешних потоков газа (например, внешнюю соосную вспомогательную струю газа, одну или несколько струй вдоль наружной поверхности и/или другие такие вспомогательные струи), систему 936 снабжения текучей средой для подачи текучей среды в полость, один или несколько указателей 932, 940 расхода, регуляторы 930 давления, детекторы 944 прожога и/или другие такие компоненты.
Система 1818 позиционирования способна взаимодействовать с лазерной системой 1812, системой 1814 защиты и/или объектом 1816 с целью позиционирования компонентов системы 1810 лазерной обработки и точной лазерной обработки объекта 1816 с защитой задней стенки. Система позиционирования может содержать один или несколько электродвигателей, шестерен, насосов, поршней, гидросистем, кабелей, рабочих органов, захватов и/или других таких устройств для позиционирования компонентов относительно друг друга. Например, в некоторых примерах реализации система 18118 позиционирования взаимодействует с объектом 1816 и управляет позиционированием и/или сохранением положения объекта во время лазерной обработки и/или повторным позиционированием объекта с целью выполнения дальнейшей лазерной обработки (например, просверливания множеств отверстий в объекте 1816). Кроме того или в качестве альтернативы, в других вариантах осуществления система 18118 позиционирования может взаимодействовать с системой 1814 защиты с целью позиционирования по меньшей мере части системы защиты и точной подачи текучей среды в полость. Аналогичным образом, в некоторых вариантах осуществления система позиционирования может частично регулировать позиционирование системы 1812 лазерной обработки или ее частей с целью точной фокусировки и направления лазерного импульса на объект 1816.
На фиг. 19 показана упрощенная блок-схема процесса 1910 защиты задней стенки во время лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления. На шаге 1912 конфигурируют лазерный источник относительно объекта лазерной обработки (например, объекта 1510). Это может включать установку мощности лазерного излучения и других таких параметров. Кроме того, это может включать позиционирование лазерного источника, объекта лазерной обработки и/или системы защиты и/или подложки. В некоторых вариантах осуществления система защиты является неподвижной, а объект лазерной обработки устанавливают в заданное положение, чтобы защитная подложка находилась в желаемом положении. В других вариантах осуществления объект является неподвижным, а систему защиты устанавливают в определенное положение относительно защищаемой поверхности объекта. Кроме того, позиционирование может осуществляться с помощью установочных элементов, датчиков и/или контакта одной или нескольких частей системы защиты с одной или несколькими частями объекта лазерной обработки.
На шаге 1914 подают текучую среду в полость объекта 1510 лазерной обработки, чтобы по меньшей мере поддерживать уровень текучей среды выше поверхности 1524 задней стенки. На шаге 1916 приводят в действие лазерный источник. На шаге 1920 направляют на объект 1510 набор из подмножества лазерных импульсов, при этом регулируют синхронизацию лазерных импульсов, направляемых на объект, с учетом интенсивности лазерного излучения, расстояния от точки фокуса до поверхности 1524 задней стенки, текучей среды, подаваемой в полость, прогнозируемой скорости захлопывания пузырьков в подаваемой текучей среде и других таких факторов. Как описано выше, в некоторых случаях могут использоваться пакеты лазерных импульсов, содержащие множество лазерных импульсов, а в некоторых случаях направляют на объект 1510 множества пакетов с интервалом между множествами пакетов, заданным в соответствии с ожидаемым временем захлопывания пузырьков, образующихся на поверхности 1524 задней стенки.
На фиг. 20 показана упрощенная блок-схема процесса 2010 лазерной обработки объекта 1816 согласно некоторым вариантам осуществления. Например, процесс 2010 может использоваться при лазерном сверлении множества отверстий в деталях самолета или двигателя (в лопатке турбины), в топливном инжекторе или другом объекте, по меньшей мере с одной стороны полости которого должна выполняться лазерная обработка, способная вызывать потенциальное повреждение противоположной стороны полости. На шаге 2012 соединяют устройство подачи текучей среды (например, сопло или форсунку) с фиксатором (например, установочным фиксатором 712) и с выходом системы 936 снабжения текучей средой (например, выходом указателя 940 расхода). В некоторых вариантах осуществления процесс включает шаг 2014, на котором соединяют устройство подачи газа (например, сопло или форсунку) с фиксатором (например, установочным фиксатором 712) и с выходом системы 926 газоснабжения (например, выходом указателя 932 расхода).
На шаге 2016 устанавливают объект 1816 лазерной обработки (например, топливный инжектор) таким образом, чтобы один из участков объекта лазерной обработки находился в фокусе лазера после его приведения в действие. В некоторых вариантах осуществления система 1818 позиционирования способна устанавливать объект 1816 в желаемое положение. На шаге 2020 устанавливают устройство подачи текучей среды в определенное положение относительно полости объекта 1816 с целью поддержания желаемого уровня воды внутри полости. В некоторых случаях может быть желательным, чтобы полость была преимущественно заполнена текучей средой. В некоторых вариантах осуществления аналогичным образом устанавливают устройство подачи газа в определенное положение относительно полости, чтобы направлять поток газа через участок поверхность, на котором должна выполняться лазерная обработка (например, должно просверливаться отверстие). В других вариантах осуществления устанавливают устройства подачи текучей среды и/или газа, а затем устанавливают объект в определенное положение относительно устройств подачи текучей среды и/или газа.
На шаге 2022 устанавливают параметры лазерной системы 1810, такие как мощность лазерного излучения, синхронизация импульсов (например, синхронизация сдвоенных импульсов) и другие применимые параметры. На шаге 2024 конфигурируют один или несколько ограничителей 914 импульсов с целью установки частоты селекции, которая может включать выбор подмножества пакетов лазерных импульсов для направления на объект 1816 и направление остальных пакетов лазерных импульсов в сторону от объекта. В некоторых вариантах осуществления конфигурируют шаги 2022 и 2024 в соответствии с заданным планом обработки, который может предусматривать изменение с течением времени одного или нескольких параметров лазера и/или частоты селекции во время лазерной обработки, например, на основании расчетного времени прожога и/или при обнаружении прожога. На шаге 2026 конфигурируют систему 916 переноса лучей, например, путем установления режима расточной головки при желании.
На шаге 2030 конфигурируют систему 936 снабжения текучей средой и систему 926 газоснабжения с целью установки скоростей подачи текучей среды и газа и приводят их в действие, чтобы начать подачу текучей среды и газа внутрь полости объекта 1816. В некоторых вариантах осуществления дополнительно подают газ в виде вспомогательной струи, когда это применимо. На шаге 2032 устанавливают желаемую синхронизацию одного или нескольких затворов, и начинают лазерное сверление первого отверстия в объекте 1816.
В некоторых вариантах осуществления в объекте 1816 может выполняться множество отверстий или других операций лазерной обработки. Например, когда объектом является топливный инжектор, обычно в нем просверливают лазером множество отверстий. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления предусмотрен шаг 2034, на котором поворачивают или иначе перемещают объект 1816 в новую конечную точку. На шаге 2036 устанавливают объект 1816 в фокусе лазера. В некоторых примерах реализации поворот и позиционирование объекта 1816 осуществляются системой 1818 позиционирования. На шаге 1840 устанавливают желаемое время сверления для одного или нескольких затворов, и выполняют лазерное сверление. При необходимости дальнейшего лазерного сверления и/или обработки, выполнение процесса 2010 может возвращаться к шагу 2034 поворота или иного повторного позиционирования объекта 1816 для последующего лазерного сверления или обработки.
После завершения лазерного сверления выполнение процесса продолжается на шаге 2042, на котором устройство подачи текучей среды и/или устройство подачи газа могут извлекаться из полости, если они размещались внутри полости. На шаге 2044 устанавливают следующий объект 1816 в определенное положение относительно лазерной системы 1810. На шаге 2048, устанавливают устройство подачи текучей среды и, когда это применимо, устройство подачи газа в определенное положение относительно полости. На шаге 2048 устанавливают следующий объект 1816 в определенное положение относительно точки фокуса лазера. Затем выполнение процесса 2010 может возвращаться к шагу 2032 установки синхронизации затвора и выполнения лазерного сверления.
Соответственно, в настоящем изобретении обеспечивается защита поверхности напротив участка объекта лазерной обработки. Эта защита позволяет выполнять высокоточную лазерную обработку объекта с защитой объекта от периферического повреждения, которое может разрушать объект или фактически делать его непригодным для использования. Кроме того, при использовании защиты задней стенки, обеспечиваемой в настоящем изобретении, в промышленности может значительно повышаться производительность и при этом уменьшается, если не сводится к нулю число объектов, подлежащих выбраковке из-за периферического повреждения, которое превышает пороговые уровни. Помимо этого, защита обеспечивается без необходимости применения какого-либо вещества, которое требовало бы значительной очистки, и без образования опасных отходов.
На фиг. 21 показан один из примеров вида в поперечном разрезе объекта 2110 с просверленным лазером отверстием без защиты задней стенки. Путем лазерного сверления получили два отверстия 2112-2113, проходящих через стенку объекта 2110. Видно, что во время лазерного сверления лазерные импульсы сталкиваются с задней стенкой 2116 полости 2118 напротив отверстий 2112-2113 и могут вызывать значительное повреждение задней стенки 2116. В некоторых случаях повреждение включает повреждение стенки и структуры объекта (например, зоны термического влияния (HAZ)), а в некоторых случаях повреждение может проходить сквозь стенку и достигать наружной поверхности стенки 2120, и/или одно или несколько отверстий могут проходить сквозь стенку. В зависимости от степени повреждения объект 2110 лазерной обработки может становиться непригодным для использования по назначению, или может значительно сокращаться его ожидаемый срок службы. Например, при лазерной обработке деталей реактивных двигателей и/или топливных инжекторов могут быть предусмотрены нулевые или очень ограниченные допуски на повреждение.
Тем не менее, на фиг. 22 показан один из примеров вида в поперечном разрезе объекта 2210 с просверленным лазером отверстием с защитой задней стенки согласно некоторым вариантам осуществления. За счет защиты задней стенки в объекте 2210 может быть точно выполнено одно или несколько отверстий 2212-2213, каналов или других операций лазерной обработки без повреждения поверхности 2216 задней стенки полости 2218 напротив отверстий 2212-2213. Соответственно, защита задней стенки способна обеспечивать значительное повышение качество изготавливаемых объектов, увеличение числа объектов, применимых по назначению, продление срока службы подвергнутых лазерной обработке объектов и другие преимущества.
Кроме того, за счет защиты задней стенки, обеспечиваемой в некоторых вариантах осуществления, может выполняться высокоточная прецизионная лазерная обработка. Например, в некоторых вариантах осуществления с помощью лазера могут формироваться отверстия 2212-2213 диаметром 2230 около 50 мкм, проходящие через объект со стальной стенкой толщиной 2232 около 1,4 мм или более (например, отверстие под углом 45 градусов в стенке толщиной 1,0 мм), без эффекта HAZ. Помимо этого, лазерная обработка позволяет сверлить отверстия в непосредственной близости друг от друга и при этом ограничивать или предотвращать повреждение от задней стенки. Например, два отверстий 2212-2213 могут быть просверлены на расстоянии 150 мкм или менее друг от друга. К тому же, за счет защиты задней стенки предотвращается накопление грязи внутри в результате повреждения задней стенки, горячие брызги и ограничивается или предотвращается воздействие горячей плазмы на заднюю стенку. В некоторых вариантах осуществления обеспечивается дополнительная защита задней стенки независимо от материала, подвергаемого лазерной обработке, без необходимости удерживать защитный материал внутри полости и/или на задней стенке, что может требовать тщательной и/или дорогостоящей очистки с целью удаления защитного материала.
Варианты осуществления с применением защитной подложки 312 и/или системы 310 защиты, которую помещают в полость и/или между предполагаемым лазерным импульсом и задней стенкой, обычно могут быть рассчитаны на более высокую интенсивность и/или мощность лазерного излучения, чем варианты осуществления без применения защитной подложки 312. Кроме того, синхронизация импульсов при выполнении лазерной обработки с защитной подложкой 312, размещенной внутри полости, может быть сконфигурирована таким образом, чтобы уменьшить синхронизацию импульсов и/или пакетов относительно синхронизации при использовании защиты задней стенки без защитной подложки 312 и вместо этого регулировать синхронизацию пакетов, чтобы позволить захлопываться пузырькам, образующимся под действием предыдущих импульсов или пакетов импульсов.
На фиг. 23 показан упрощенный схематический вид в поперечном разрезе системы защиты при лазерной обработке 2310 согласно некоторым вариантам осуществления. Система защиты 2310 содержит расходуемый вкладыш или защитную подложку 2312, источник 2314 текучей среды для подачи текучей среды 2316 и один или несколько источников 2318, 2320 газа. Защитная подложка 2312 расположена вблизи поверхности задней стенки объекта 2324 лазерной обработки или соприкасается с ней. Источник 2314 текучей среды расположен относительно полости 2326 объекта таким образом, что внутри полости поддерживается определенный уровень текучей среды 2316. Источник 2314 текучей среды, такой как трубопровод, сопло и т.п. входит в систему 936 снабжения текучей средой, которая регулирует поток текучей среды в полость. Аналогичным образом, в некоторых вариантах осуществления источником 2318 газа может являться трубопровод, сопло и т.п., входящее в систему 926 газоснабжения, которая подает газ (например, воздух) в полость и вдоль поверхности полости, чтобы ограничить или предотвратить поступление текучей среды 2316 в отверстие 2330. В некоторых вариантах осуществления может использоваться второй источник 2320 газа, входящий в систему 926 газоснабжения, или отдельная система газоснабжения, подающая газ (например, воздух) соосно излучению лазера 2332 (следует отметить, что для подачи газа через наружную поверхность объекта 2324 может использоваться один или несколько дополнительных или альтернативных источников газа, таких как сопло). Текучая среда 2316 обычно не обладает свойствами поглощать или рассеивать лазерное излучение обеспечивает охлаждение защитной подложки 2312. Лазерные импульсы 2332 проходят через отверстие 2330 по мере продолжающегося формирования отверстия и сталкиваются с защитной подложкой 2312. По существу, защитная подложка 2312 и текучая среда 2316 обеспечивают защиту задней стенки объекта 2324 во время лазерной обработки. В некоторых случаях через защитную подложку 2312 направляют текучую среду 2316, которая способна уносить пузырьки, которые могут образовываться в ней, от области, с которой сталкивается лазерный импульс, в результате чего текучая среда продолжает соприкасаться с поверхностью защитной подложки и усиливает отражательную способность поверхности. Защитная подложка 2312 может быть изготовлена преимущественно из любого применимого материала, способного выдерживать воздействие лазерных импульсов, используемых при обработке объекта 2324, такого как без ограничения Inconel, медь, никель, сталь, углерод, керамика или другие такие материалы или сочетания таких материалов. В некоторых случаях защитная подложка 2312 может быть изготовлена из материала с высокой отражательной способностью и/или покрыта отражающим материалом. В защитную подложку 2312 могут быть включены поверхностные структуры и/или неровности, такие как описаны выше. В некоторых вариантах осуществления защитная подложка 2312 может быть изготовлена из пористого материала.
На фиг. 24 показан упрощенный вид в поперечном разрезе альтернативной системы защиты 2410 при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. Система защиты 2410 содержит полую защитную подложку 2412 и источник 2414 текучей среды.
Защитная подложка 2412 установлена в полости 2426 в определенное положение относительно задней стенки 2428 объекта 2432 лазерной обработки. Источник 2414 текучей среды подает текучую среду 2416 в полую часть 2418 защитной подложки. Защитная подложка 2412 изготовлена из пористого материала, такого как пористая медь, углерод и т.п. Обычно размеры пор в защитной подложке достаточно малы, чтобы текучая среда не могла легко вытекать из защитной подложки. По столкновения лазерных импульсов 2420 с защитной подложкой 2412 она нагревается и вызывает кипение текучей среды вблизи наружной поверхности, внутри пор и/или внутри защитной подложки с выделением пара 2422, который по меньшей мере частично выделяется через поры защитной подложки и может откачиваться из полости 2430 объекта 2432, например, посредством потока газа, вакуума и т.п. В некоторых примерах реализации поры сконфигурированы таким образом, чтобы текучую среду продавливалась через них (или отверстия в зависимости от конфигурации защитной подложки) с желаемой скоростью для сохранения текучей среды поверхности защитной подложки 2412, с которой сталкивается лазерный импульс. По мере того, как текучая среда выкипает в результате столкновения с лазерным импульсом, она заменяется новой текучей средой, выделяющейся через поры и/или отверстия.
В некоторых случаях защитную подложку 2412 размещают вблизи задней стенки 2428 и часто максимально близко к задней стенки, чтобы увеличить расстояние между защитной подложкой и точкой фокуса лазера, и с учетом структуры полости, потока текучей среды и других применимых факторов. В некоторых примерах реализации защитная подложка 2412 может быть сконфигурирована осесимметрично. Осесимметричная защитная подложка может поворачиваться во время обработки, чтобы подвергать обработке различные участки поверхности. В некоторых случаях защитная подложка может непрерывно поворачиваться.
Описанные в изобретении способы, методы, управление, системы, устройства и т.п. могут применяться, реализовываться и/или выполняться в устройствах и/или системах множества различных типов во взаимодействии с одним или несколькими лазерными источниками. Рассмотрим фиг. 25, на которой проиллюстрирована система 2510, которая может применяться при любых таких реализациях согласно некоторым вариантам осуществления. Один или несколько компонентов системы 2510 могут использоваться для реализации любого устройства, системы или оборудования, упомянутых выше или далее, или частей таких систем, оборудования или устройств, таких как, например, любые из упомянутых выше или далее контроллеры 820, 922, 946, 1820, системы 818, 924, 1818 позиционирования и т.п. Тем не менее, разумеется, что применение системы 2510 или любой ее части является необязательным.
В качестве примера, система 2510 может содержать контроллер или процессорный модуль 2512, память 2514, пользовательский интерфейс 2516 и один или несколько каналов 2520 связи, линий связи, коммуникационных шин и т.п. В систему 2510 входит или связан с ней источник питания (не показанный). Контроллер 2512 может быть реализован в одном или нескольких процессорах, микропроцессорах, центральном процессоре, логической схеме, локальном цифровом запоминающем устройстве, программно-аппаратном обеспечении и/или другом управляющем аппаратном и/или программном обеспечении и может использоваться для выполнения или содействия выполнению шагов описанных способов и методов и для управления различными операциями приведения в действие, позиционирования, выбора, регулирования скорости, длительности, расхода потоков, давления, синхронизации, детектирования, перемещения и т.д. Пользовательский интерфейс 2516 может позволять пользователю взаимодействовать с системой 2510, устанавливать параметры, настраивать режимы работы и принимать информацию посредством системы. В некоторых случаях пользовательский интерфейс 2516 содержит дисплей 2522 и/или одно или несколько устройств 2524 ввода данных, таких как клавиатура, мышь, шаровой манипулятор, кнопки, сенсорный экран, пульт дистанционного управления и т.д., которые могут входить в систему 2510 или соединены с ней проводной или беспроводной связью.
В некоторых вариантах осуществления система 2510 может дополнительно содержать один или несколько связных интерфейсов, портов, приемопередатчиков 2518 и т.п., позволяющих системе 2510 поддерживать связь с другими компонентами и/или контроллерами системы лазерной обработки, с другими устройствами по распределенной сети, локальной сети, сети Интернет, каналу 2520 связи, другим сетям или каналам связи с другими устройствами и/или другую связь. Кроме того, приемопередатчик 2518 может быть сконфигурирован на проводную, беспроводную, оптическую, оптоволоконную или другую связь или сочетания такой связи.
Система 2510 представляет собой один из примеров системы управления и/или процессорной системы с контроллером 2512. И в этом случае контроллер 2512 может быть реализован в одном или нескольких процессорах, контроллерах, центральных процессорах, логической схеме, программном обеспечении и т.п. Кроме того, в некоторых примерах реализации контроллер 2512 может обеспечивать многопроцессорные функциональные возможности.
Память 2514, доступ к которой может осуществлять контроллер 2512, обычно содержит один или несколько машиночитаемых носителей с возможностью доступа к ним по меньшей мере контроллера 2512 и может включать энергозависимые и/или энергонезависимые носители, такие как ОЗУ, ПЗУ, ЭСППЗУ, флэш-память и/или на основе другой технологии. Кроме того, хотя показано, что память 2514 является внутренней по отношению к системе 2510, память 2514 может представлять собой внутреннюю память, внешнюю память или сочетание внутренней и внешней памятей. Внешней памятью преимущественно может являться любая применимая память, такая как без ограничения одна или несколько следующего: флэш-карта формата Secure Digital (SD), USB-карта или диск, другие карты памяти, жесткий диск и другие памяти или сочетания таких памятей. В памяти 2514 может храниться код, программное обеспечение, исполнимые файлы, сценарии, параметры, установки, ограничения и/или пороги, журнал или данные предыстории, пользовательская информация и т.п.
На фиг. 26 показано изображение системы 2610 защиты с защитной подложкой 2612, которая может быть сходной с проиллюстрированной на фиг. 4 защитной подложкой 312, согласно некоторым вариантам осуществления. Защитная подложка 2612 сообщается с трубопроводом для текучей среды 2614, который находится преимущественно в непосредственно близости от защитной подложки. Кроме того, защитная подложка 2612 расположена под углом к центральной оси трубопровода 2614 для текучей среды. Угол часто выбирается таким образом, чтобы лучи лазера 2620 падали на защитную подложку также под косым углом. В этой конфигурации текучая среда 2640 (обозначенная пунктиром) выбрасывается через конец 2642 трубопровода и непосредственно воздействует на первую поверхность 2616 защитной подложки под определенным углом между защитной подложкой и трубопроводом 2614 для текучей среды. Соответственно, текучая среда изменяет направление после контакта с защитной подложкой. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления текучая среда 2640 продавливается в отверстия 512 сетки (смотри фиг. 5), когда она используется в защитной подложке 2612. Трубопровод 2614 может иметь преимущественно любой применимый размер или диаметр 2622, позволяющий размещать трубопровод внутри полости объекта лазерной обработки и обеспечивающий точное размещение защитной подложки 2612 относительно защищаемой поверхности объекта.
На фиг. 27 показано изображение системы 2710 защиты с защитной подложкой 2712, сообщающейся с трубопроводом 2714 для текучей среды, согласно некоторым вариантам осуществления. В этом варианте осуществления трубопровод 2714 для текучей среды имеет уменьшенный диаметр 2722 по сравнению с диаметром 2622 трубопровода 2614 для текучей среды, показанного на фиг. 26. За счет этого сужения система 2710 защиты может применяться и/или размещаться в пространствах меньшего размера и/или в объектах лазерной обработки меньшего размера. Защитная подложка 2712 выходит из трубопровода 2714 и проходит обычно под углом к центральной оси трубопровода вблизи конца 2742 трубопровода 2714. В процессе применения устанавливают защитную подложку 2712, которая в некоторых вариантах осуществления имеет множество отверстий 512 или выемок, таким образом, чтобы на нее падали лучи лазера 2620. В некоторых конфигурациях трубопровод 2714 для текучей среды дополнительно отличается от трубопровода 2614 для текучей среды, показанного на фиг. 26, тем, что вблизи его конца 2742, но на определенном расстоянии от него может иметься изгиб 2736. Изгиб 2736 может дополнительно предусматриваться с учетом объекта лазерной обработки и с тем, чтобы устанавливать систему 2710 защиты в определенное положение относительно защищаемой поверхности объекта. Соответственно, изгиб 2736 изменяет направление текучей среды таким образом, что по меньшей мере большая часть текучей среды выходит из трубопровода 2714 преимущественно параллельно поверхности защитной подложки 2712. Обычно поток текучей среды через трубопровод 2714 является меньшим, чем поток текучей среды через трубопровод 2614 системы 2610 защиты, показанной на фиг. 26. Кроме того, за счет параллельной траектории текучей среды ограничивается количество текучей среды, которая поступает в отверстия 512, когда они имеются.
На фиг. 28 показан вид в перспективе системы 2812 защиты для применения с целью защиты поверхностей объекта лазерной обработки согласно некоторым вариантам осуществления. На фиг. 29 показан упрощенный вид в поперечном разрезе участка, проиллюстрированной на фиг. 28 системы 2812 защиты согласно некоторым вариантам осуществления. На фиг. 30 показан вид в перспективе проиллюстрированной на фиг. 28 системы 2812 защиты относительно монтажной стойки или оборудования 3010, используемого для установки защитной подложки 2822 системы 2812 защиты внутри объекта лазерной обработки, согласно некоторым вариантам осуществления. Как показано на фиг. 28-30, система 2812 защиты содержит первый трубопровод 2814 для подачи текучей среды, второй трубопровод 2816 для отвода текучей среды, отклоняющий текучую среду элемент 2820 для изменения направления и защитную подложку 2822. В некоторых вариантах осуществления система 2812 защиты содержит один или несколько распорных или установочных элементов 2830-2832.
Отклоняющий элемент 2820 расположен вблизи конца подающего трубопровода 2814, а в некоторых вариантах осуществления соединен с подающим трубопроводом и/или отходит от его конца. Обычно отклоняющий элемент 2820 также отходит от подающего трубопровода 2814 под определенным углом к его оси и по меньшей мере частично проходит над его концом. Защитная подложка 2822 расположена вблизи конца отводящего трубопровода 2816, а в некоторых вариантах осуществления соединена с отводящим трубопроводом и/или отходит от его конца. Аналогично отклоняющему элементу 2820 защитную подложку 2822 обычно также отходит от отводящего трубопровода 2816 под определенным углом к его оси и по меньшей мере частично проходит над его концом.
Подающий трубопровод 2814 и отводящий трубопровод 2816 расположены таким образом, что отклоняющий элемент 2820 и защитную подложку 2822 находятся рядом друг с другом. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления отклоняющий элемент 2820 и защитная подложка 2822 расположены напротив друг друга и наклонены навстречу друг другу. Текучая среда 2824 поступает в систему 2812 защиты и нагнетается через подающий трубопровод 2814 навстречу отклоняющему элементу 2820. По меньшей мере часть, а в некоторых вариантах осуществления большая часть текучей среды отклоняется отклоняющим элементом 2820 навстречу защитной подложке 2822. В некоторых вариантах осуществления защитная подложка содержит сетку отверстий 512 или другие описанные элементы. Обычно отклоняющий элемент 2820 не имеет сетки отверстий. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере определенная часть текучей среды 2824 обычно отклоняется отклоняющим элементом 2820 под косым углом к поверхности защитной подложки 2822 с достаточным усилием и в достаточном объеме для того, чтобы заставить часть текучей среды проникать в отверстия 512 сетки с определенной скоростью и ограничивать или предотвращать повреждение защитной подложки по аналогии с защитой, описанной выше в других вариантах осуществления. Кроме того, часть текучей среды, поступающей через подающий трубопровод 2814, обычно возвращается посредством отводящего трубопровода 2816. Например, в некоторых вариантах осуществления посредством отводящего трубопровода возвращается около 10% текучей среды, посредством отводящего трубопровода может возвращаться больше или меньше текучей среды в зависимости от размера отводящего трубопровода, количества подаваемой текучей среды, количества отклоняемой текучей среды и других таких факторов. В некоторых вариантах осуществления отводящий трубопровод может быть заменен штоком, балкой или другим элементом для позиционирования защитной подложки.
Система 2812 защиты может иметь преимущественно любой размер, и обычно сконфигурирована в зависимости от обрабатываемого объекта. Например, в некоторых вариантах осуществления поперечное сечение 2914 подающего и отводящего трубопроводов 2814, 2816, зафиксированных установочными элементами, может составлять 1-2 мм (например, 1,5 мм). Аналогичным образом, в некоторых вариантах осуществления диаметр 2916 подающего трубопровода и/или отводящего трубопровода может составлять около 100-1000 мкм. Тем не менее, диаметры подающего и/или отводящего трубопроводов необязательно являются одинаковыми и могут иметь преимущественно любой размер в зависимости от множества факторов, таких как без ограничения размера области, на которой должна быть установлена защитная подложка 2822, желаемое количество текучей среды, интенсивность лазерного излучения и/или частота следования импульсов и/или других таких факторов. Соответственно, поперечное сечение 2914 обоих трубопроводов варьирует в зависимости реализации и преимущественно имеет любой применимый размер, позволяющий размещать трубопроводы внутри полости объекта лазерной обработки и доставлять достаточно текучей среды 2824 с обеспечением защиты внутренней поверхности полости (например, задней стенки).
Система 2812 защиты расположена внутри объекта лазерной обработки таким образом, что лучи лазера 2912 сталкиваются с защитной подложкой 2822 после того, как они проходят через обрабатываемую поверхность объекта. Во многих случаях реализации лучи лазера 2912 могут также сталкиваться с отклоняющим элементом 2820 и прожигать его. Тем не менее, повреждение отклоняющего элемента 2820, вызываемое лазерным излучением, обычно является минимальным относительно его функционирования и не сказывается отрицательно на его способности отклонять текучую среду 2824 навстречу защитной подложке 2822.
Установочные элементы 2830-2832 разнесены по меньшей мере на протяжении части длины системы 2812 защиты. В некоторых вариантах осуществления установочные элементы зафиксированы в определенных положениях на протяжении трубопроводов 2814, 2816, например, посредством эпоксидной смолы 2840, пайки, клея, зажимов или других таких материалов или конструкций. По меньшей мере в некоторых вариантах осуществления установочные элементы имеют такие размеры, чтобы некоторые из установочных элементов могли входить в объект лазерной обработки и облегчать позиционирование и сохранение положения защитной подложки 2822 относительно защищаемой поверхности объекта. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления установочные элементы 2830-2832 дополнительно обеспечивают позиционирование подающего трубопровода 2814 относительно отводящего трубопровода 2816.
На фиг. 31 проиллюстрирован упрощенный частичный вид в поперечном разрезе участка проиллюстрированной на фиг. 28 системы 2812 защиты, установленной внутри одного из примеров объекта 3110 лазерной обработки (например, топливного инжектора) согласно некоторым вариантам осуществления. На фиг. 32 показан упрощенный вид в поперечном разрезе по оси А-А, проиллюстрированной на фиг. 31 системы 2812 защиты согласно некоторым вариантам осуществления. Во многих вариантах осуществления позиционирование защитной подложки 2822 является решающим отчасти из-за относительно небольшого размера защитной подложки, небольшого размера лазера, используемого для обработки, и во многих случаях небольшого размера объекта лазерной обработки и/или области или полость в которой могут быть размещены система защиты и защитная подложка. Соответственно, установочные элементы 2830-2832 могут быть сконфигурированы на обеспечение дополнительного позиционирования защитной подложки 2822 относительно объекта 3110 лазерной обработки. Установочные элементы могут иметь преимущественно любую конфигурацию и/или форму в зависимости от объекта предполагаемой лазерной обработки и полости, в которой должна быть размещена система защиты.
В примере, проиллюстрированном на фиг. 31-32, система 2812 защиты установлена таким образом, что отклоняющий элемент 2820 и защитная подложка 2822 примыкают к объекту 3110, а в некоторых случаях соприкасаются с внутренней поверхностью объекта 3110.
Кроме того, в некоторых примерах реализации система 2812 защиты сконфигурирована таким образом, что концы защитной подложки 2822 и/или отклоняющего элемента 2820 соприкасаются с объектом 3110 (например, со стороны слепого конца 3112) и облегчают установку и/или позиционирование защитной подложки 2822 внутри полости объекта.
Кроме того, из-за формы и/или конфигурации некоторых объектов 3110, внутри которых размещают защитную подложку, отклоняющий элемент 2820 и/или защитная подложка 2822 могут изгибаться или прижиматься друг к другу. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления пространство между внутренней поверхностью объекта 3110 и наружными поверхностями отклоняющего элемента 2820 и/или защитной подложки 2822 может быть очень небольшим или отсутствовать.
Кроме того, установочные элементы 2830-2832 дополнительно облегчают установку системы 2812 защиты и защитной подложки 2822 в желаемое положение относительно объекта 3110 лазерной обработки. В некоторых вариантах осуществления может быть предусмотрен дополнительный установочный элемент, обеспечивающий введение защитной подложки 2822 в полость только на желаемую глубину. При позиционировании системы 2812 защиты и защитной подложки 2822 могут использоваться другие такие установочные элементы, конструкции или другие измерительные устройства.
Как показано в примере, проиллюстрированном на фиг. 31-32, объект 3110 имеет цилиндрическую конфигурацию с круглым поперечным сечением и сходит на конус навстречу точке, находящейся на слепом конце 3112. В этом случае реализации предполагается, что лазерная обработка выполняется вблизи слепого конца. При этой конфигурации установочные элементы 2830-2832 могут иметь в целом круглую форму, соответствующую в целом круглому поперечному сечению. Как показано на фиг. 32, установочный элемент 2830 имеет внешнюю периферию 3214 в целом круглой формы и окружает подающий и отводящий трубопроводы 2814, 2816. И в этом случае в некоторых вариантах осуществления форма установочных элементов 2830-2832 может диктоваться формой полости, в которой должна размещаться система 2812 защиты. Например, при относительно небольшом размере полости выемка 3124 может иметь очень небольшой размер (например, 200 мкм или менее). В некоторых примерах реализации между трубопроводом и внутренней поверхностью объекта 3110 может отсутствовать часть установочного элемента.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления один или несколько установочных элементов 2830-2832 могут иметь одну или несколько прорезей 3216, отверстий или других таких структур или могут быть выполнены из сетки или другого пористого материала. Прорези 3216 (или другая такая структура) позволяют текучей среде 2640 проходить через установочные элементы и выходить из объекта 3110 лазерной обработки. Следует отметить, что на фиг. 32 показано, что подающий и отводящий трубопроводы 2814, 2816 расположены преимущественно по центру круглого установочного элемента 2830. Тем не менее, в других вариантах осуществления подающий и/или отводящий трубопровод может быть смещен от центра установочного элемента 2830. Например, подающий и отводящий трубопроводы могут быть смещены от центра и находиться вблизи внешней окружности 3214 установочного элемента 2830 или даже на внешней окружности. В некоторых вариантах осуществления эта конфигурация позволяет устанавливать защитную подложку 2822 дальше от точки фокуса лазера 2912, чтобы снизить интенсивность лазерного излучения, воздействующего на защитную подложку.
Установочные элементы 2830-2832 могут быть сконструированы преимущественно из любого применимого материала, которому путем формования или механической обработки может быть придана желаемая форма, который способен взаимодействовать с трубопроводами и выдерживать текучую среду и соответствующие температуры. Например, в некоторых примерах реализации установочные элементы могут быть изготовлены из металла или металлического сплава, пластмассы, керамики, стекла, кремния или другого такого материала или сочетания материалов.
Возвращаясь к фиг. 30, система 2812 защиты проходит через канал или отверстие 3012 установочного устройства и направляется в полость объекта 3110. В некоторых вариантах осуществления установочное устройство 3010 дополнительно содержит зажим 3014 или другое такое приспособление для фиксации системы 2812 защиты в неподвижном положении, когда она введена в объект 3110 и находится в желаемом положении и/или на желаемой глубине. Как описано выше, подающий трубопровод 2814 может иметь соединение 3016 с источником текучей среды для подачи текучей среды 2824 в систему 2812 защиты, соответственно, в полость объекта 3110 лазерной обработки. Также может быть предусмотрена установочная конструкция 3020 для позиционирования установочного устройства 3010 относительно фиксатора объекта 3110 лазерной обработки. В некоторых вариантах осуществления после позиционирования системы 2812 защиты внутри объекта 3110 и ее совмещения с лазером 2912 объект 3110 может поворачиваться вокруг системы 2812 защиты, когда лазерная обработка или сверление должно выполняться во множестве положений. Соответственно, не требуется повторное позиционирование лазерной системы и системы защиты.
Кроме того, система 2812 защиты может повторно использоваться для многократной лазерной обработки (например, многократного лазерного сверления одного объекта) и обычно на множестве различных объектов (например, на множестве объектов с множеством операций лазерного сверления каждого из них). Существует множество факторов, влияющих на то, сколько раз может использоваться защитная подложка 2822 и/или система 2812 защиты, таких как без ограничения интенсивность излучения лазера 2912, расстояние от защитной подложки 2822 до точки фокуса лазера 2912, временная диаграмма следования лазерных импульсов, точность обнаружения проникновения лазерного импульса сквозь обрабатываемую поверхность объекта и других таких факторов. При выполнении лазерной обработки, которая в некоторых случаях может осуществляться в соответствии с одним или несколькими процессами, способами и/или с использованием описанных выше систем управления, направляют лазер 2912 на одну или несколько желаемых точек объекта 3110 (например, вблизи слепого конца 3112 объекта). После формирования отверстия 3114 в стенке объекта 3110 лазерные импульс поступает в полость объекта и может сталкиваться с его противоположной или задней стенкой 3116. Устанавливают внутри полости систему 2812 защиты таким образом, чтобы импульсы лазера 2912 сталкивались с защитной подложкой 2822. Как описано выше, текучая среда 2824 отклоняется отклоняющим элементом 2820 и воздействует на поверхность защитной подложки 2822, с которой сталкиваются лазерные импульсы. Текучая среда способна усиливать отражательную способность защитной подложки, рассеивает тепло, генерируемое лазером 2912, ограничивает расширение плазма, образующейся на поверхности защитной подложки, и тем самым способствует увеличению локального поглощения лазерного излучения, а также обеспечивает другие преимущества.
В некоторых вариантах осуществления может дополнительно использоваться источник 3120 внешней вспомогательной струи газа, которая в некоторых примерах реализации является соосной излучению лазера 2912. Источник 3120 способен направлять навстречу просверливаемому лазером отверстию 3114 поток газа (например, воздуха), который частично удаляет грязь во время лазерной обработки и/или предотвращает поступление текучей среды 2824 в просверленное отверстие. В некоторых вариантах осуществления система 310 защиты дополнительно содержит газопровод 340, сконфигурированный на размещение внутри полости 318. Кроме того, газопровод может быть установлен в определенное положение относительно участка полости, на котором просверливается отверстие 330. В полость может подаваться газ, такой как воздух, кислород или другой применимый газ, чтобы ограничивать и в некоторых случаях предотвращать поступление жидкости из подающего трубопровода 2814 в отверстие 3114, сформированное путем лазерной обработки. В некоторых вариантах осуществления дополнительную защиту от потоков газа (например, от источника 3120 внешней вспомогательной струи газа и/или источника внутренней вспомогательной струи газа, когда он присутствует) обеспечивает отклоняющий элемент 2820.
На фиг. 33А показан упрощенный вид в поперечном разрезе участка системы защиты при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. На фиг. 33Б проиллюстрирован упрощенный частичный вид в поперечном разрезе участка проиллюстрированной на фиг. 33 системы 3312 защиты при лазерной обработке, установленной внутри одного из примеров объекта 3110 лазерной обработки, согласно некоторым вариантам осуществления. Система 3312 защиты аналогична системе 2812 защиты, показанной на фиг. 28-32, и дополнительно содержит соосный источник 3314 внутренней вспомогательной струи газа. В некоторых вариантах осуществления источник 3314 внутренней вспомогательной струи газа представляет собой трубопровод или трубку с размещенной внутри нее системой 2812 защиты. Источник 3314 внутренней вспомогательной струи газа подает газ 3316 (например, воздух, азот и т.д.) вокруг системы 2812 защиты, который выделяется из его конца 3320 вблизи отклоняющего элемента 2820 и защитной подложки 2822. Количество подаваемого газа и/или давление подачи газа может варьировать в зависимости от реализации. Тем не менее, обычно давление поддерживается на таком уровне, чтобы избегать сдувания текучей среды 2824 с защитной подложки 2822 и при этом способствовать предотвращению поступления текучей среды в отверстие 3114 (и т.п.), просверливаемое лазером. Например, в некоторых вариантах осуществления газ может подаваться под давлением менее 15 фунтов/кв. дюйм. В некоторых вариантах осуществления система 3312 защиты может использоваться с показанным на фиг. 30 установочным устройством 3010, показанным на фиг. 7 установочным фиксатором и/или другими такими системами установки или позиционирования.
В некоторых вариантах осуществления система 3312 защиты может содержать первое множество установочных элементов 2830-2831, аналогичных показанным на фиг. 28 и 31 установочным элементам, для позиционирования подающего и отводящего трубопроводов относительно трубки источника 3314 внутренней вспомогательной струи газа. В некоторых вариантах осуществления дополнительно используется второе множество установочных элементов 3330-3331, по меньшей мере частично сконфигурированных на позиционирование системы 3312 защиты относительно объекта 3110 лазерной обработки. И в этом случае газ может проходить через второе множество установочных элементов 3330-3331 или вокруг них. Например, в некоторых вариантах осуществления второе множество установочных элементов 3330-3331 может иметь одну или несколько прорезей, отверстий или других таких структур для прохождения газа.
Во время лазерной обработки лазер 2912 формирует отверстие 3114 в стенке объекта 3110, при этом защитная подложка 2822 расположена таким образом, чтобы с ней сталкивались лазерные импульсы. Как описано выше, хотя лазер также может проделывать отверстие в отклоняющем элементе 2820, защитная подложка 2822 обеспечивает защиту противоположной поверхности объекта. Отклоняющий элемент 2820 продолжает отклонять текучей среды, обеспечивая определенную защиту от газа, рассеивающего неприемлемые количества текучей среды с поверхности защитной подложки 2822.
На фиг. 34А показан упрощенный вид в поперечном разрезе участка системы 3412 защиты при лазерной обработке согласно некоторым вариантам осуществления. На фиг. 34Б проиллюстрирован упрощенный частичный вид в поперечном разрезе участка проиллюстрированной на фиг. 34А системы 3412 защиты при лазерной обработке, установленной внутри одного из примеров объекта лазерной обработки, согласно некоторым вариантам осуществления. Система 3412 защиты содержит трубопровод 3414 для текучей среды, достигающий слепого конца 3416. Дополнительно предусмотрена защитная подложка 3422, обычно расположенная вблизи слепого конца 3416. В некоторых вариантах осуществления защитная подложка 3422 содержит сетку отверстий 512, является пористой и/или иначе позволяет текучей среде 2824 проходить сквозь наружную поверхность защитной подложки. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления защитная подложка может размещаться под косым углом к трубопроводу 3414 и/или в зависимости от ожидаемого угла излучения лазера 2912. Текучая среда 2824 подается внутрь трубопровода 3414 под давлением, достаточным для того, чтобы она вытекали из защитной подложки 3422 через сетку отверстий 312.
В некоторых вариантах осуществления защитная подложка 3422 содержит оконечный элемент 3424, который образует слепой конец и на котором находится сетка отверстий. Защитная подложка может располагаться преимущественно под любым углом к трубопроводу 3414 и обычно формируется в зависимости от предполагаемого объекта лазерной обработки и угла лазерного излучения, поступающего в полость. Кроме того, в некоторых примерах реализации толщина защитной подложки 3422 может быть увеличена относительно размеров трубопровода за счет толщины оконечного элемента 3424. В некоторых вариантах осуществления в оконечном элементе 3424 может иметься углубление или полость 3426 по толщине защитной подложки 3422. Аналогичным образом, в некоторых вариантах осуществления угол углубления 3426 относительно трубопровода 3414 может соответствовать углу наружной поверхности защитной подложки. В других вариантах осуществления угол углубления 3426 может отличаться от угла защитной подложки, что приводит к изменению толщины защитной подложки. Оконечный элемент и/или защитная подложка может быть изготовлена преимущественно из любых применимых материалов, таких как описаны выше. Например, в некоторых вариантах осуществления оконечный элемент 3424 и защитная подложка 3422 могут быть изготовлены из Inconel.
Систему 3412 защиты устанавливают внутри объект 3110 лазерной обработки в такое положение, чтобы лучи лазера 2912 сталкивались с защитной подложкой 3422 и текучей среды 2824, выделяющейся через защитную подложку. В некоторых вариантах осуществления защитную подложку 3422 устанавливают на максимальном расстоянии от точки фокуса лазера, но в положении, обеспечивающем защиты противоположной поверхности объекта 3110. Кроме того, во многих вариантах осуществления трубопровод 3414 и, соответственно, оконечный элемент 3424 могут иметь меньший диаметр, чем у некоторых других систем защиты. Например, в некоторых вариантах осуществления диаметр трубопровода 3414 может составлять менее 100 мкм, а в некоторых вариантах осуществления менее 50 мкм. За счет этого по меньшей мере в некоторых конфигурациях защитная подложка 3422 может устанавливаться дальше от точки фокуса лазера 2912. В некоторых вариантах осуществления дополнительно используется одна или несколько распорных или установочных элементов 2830-2831. И в этом случае установочные элементы 2830-2831 могут обеспечивать точное позиционирование защитной подложки 3422 относительно стенки объекта 3110 лазерной обработки. Кроме того, установочные элементы могут быть снабжены прорезями, отверстиями или другой структурой, позволяющей текучей среде 2824 выходить из объекта 3110.
На фиг. 35 показано изображение объекта 3110 с повреждением 3512 в результате лазерной обработки без защиты задней стенки. На фиг. 36 показано изображение объекта без повреждения задней стенки после лазерной обработки с защитой задней стенки согласно некоторым вариантам осуществления. Соответственно, системы защиты согласно настоящему изобретению обеспечивают значительную защиту объектов лазерной обработки.
Один или несколько из описанных выше или далее вариантов осуществления, способов, процессов, методик и/или методов могут быть реализованы в одной или нескольких компьютерных программах, выполняемых процессорной системой. В качестве примера, такая процессорная система может представлять собой процессорную систему 2510, компьютер и т.д. Такая компьютерная программа может использоваться для выполнения различных шагов и/или реализации признаков описанных выше или далее способов, процессов и/или методов. Иными словами, компьютерная программа может быть приспособлена побуждать процессорную систему или конфигурировать ее на выполнение и обеспечение описанных выше или далее функций. Например, такие компьютерные программы могут использоваться для реализации любого варианта осуществления описанных выше или далее шагов, процессов или методов защиты задней стенки объекта при лазерной обработке. В качестве другого примера, такие компьютерные программы могут использоваться для реализации устройства или аналогичного средства любого типа, в котором используется любой один или несколько из описанных выше или далее вариантов осуществления, способов, процессов, методик и/или методов. В некоторых вариантах осуществления программа для выполнения различных шагов и/или реализации признаков описанных выше или далее способов, процессов и/или методов могут использоваться программные модули, циклы, подпрограммы и т.д. внутри компьютерной программы. В некоторых вариантах осуществления компьютерная программа может храниться или может быть воплощена в машиночитаемом запоминающем устройстве или на носителе или носителях записи, таких как любое машиночитаемое запоминающее устройство или носитель или носители записи, описанные в изобретении.
Многие из описанных функциональных блоков именуются системами, устройствами или модулями, чтобы более конкретно подчеркнуть независимость их реализации.
Например, система может быть реализована в схемах аппаратного обеспечения, содержащих обычные сверхбольшие интегральные схемы или вентильные матрицы, стандартные полупроводники, такие как логические ИС, транзисторы или другие дискретные компоненты. Система также может быть реализована в программируемых аппаратных устройствах, таких как программируемые вентильные матрицы, программируемые матричные логические схемы, программируемые логические устройства и т.п.
Системы также могут быть реализованы в программном обеспечении для выполнения процессорами различных типов. Описанная система исполнимого кода может содержать, например, один или несколько физических или логически блоков компьютерных команд, которые могут быть организованы, например, в виде объект, процедуры или функции. Тем не менее, исполнимые файлы описанной системы необязательно имеют общее физическое местоположение, и могут содержать различные хранящиеся в различных местоположениях команды, которые при их объединении образуют систему и обеспечивают ее заданное назначение. В действительности, система исполнимого кода может содержать единственную команда или множество команд и даже может быть распределена среди нескольких различных кодовых сегментов, среди различных программ и нескольких запоминающих устройств. Рабочие данные могут быть охарактеризованы и проиллюстрированы аналогично системам и могут быть воплощены в любой применимой форме и организованы в виде любой структуры данных применимого типа. Рабочие данные могут храниться в виде единого набора данных или могут быть распределены среди множества местоположений, в том числе среди различных запоминающих устройств, и по меньшей мере частично могут существовать просто в виде электронных сигналов в системе или сети.
В некоторых вариантах осуществления предложены способы лазерной обработки, включающие:
установку защитной подложки внутри полости объекта лазерной обработки таким образом, чтобы выполняющий лазерную обработку лазерный импульс, прошедший через отверстие в объекте и поступивший в полость, падал на первую поверхность защитной подложки и не сталкивался с поверхностью объекта при прохождении через полость со стороны отверстия; направление текучей среды на первую поверхность защитной подложки при падении лазерного импульса на первую поверхность; и направление лазерных импульсов на первую поверхность объекта после установки защитной подложки внутри полости объекта. В некоторых примерах реализации текучая среда преимущественно не обладает барьерными свойствами в отношении лазерного излучения на волнах излучения лазерных импульсов после доставки в полость источником текучей среды.
В других вариантах осуществления предложены системы защиты задней стенки или другой поверхности объекта во время лазерной обработки. Эти системы могут содержать лазерную систему, сконфигурированную на выполнение лазерной обработки объекта; систему управления, взаимодействующую с лазерной системой; и источник текучей среды, сконфигурированный на позиционирование относительно полости объекта лазерной обработки и направление текучей среды в полость объекта; при этом система управления сконфигурирована на управление лазерной системой таким образом, чтобы лазерная система генерировала последовательность лазерных импульсов, и на выбор лазерных импульсов для направления на один из участков объекта, на котором должно быть выполнено отверстие, чтобы на объект направлялись не все лазерные импульсы, при этом за счет синхронизации импульсов, направляемых на объект, обеспечивается защита задней стенки объекта от повреждения, которое в противном случае было бы вызвано одним или несколькими из лазерных импульсов, направленных на объект.
Хотя рассмотренное изобретение описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, примеры и применение, специалисты в данной области техники смогут предложить множество модификаций и разновидностей, не выходящих за пределы его объема согласно формуле изобретения.