СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА С УПРАВЛЕНИЕМ ПОПЕРЕЧНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В РАБОЧЕЙ ПЛОСКОСТИ, ВКЛЮЧАЯ УСТАНОВКУ И КОМПЬЮТЕРНУЮ ПРОГРАММУ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УПОМЯНУТОГО СПОСОБА
METHOD FOR LASER PROCESSING OF METAL MATERIAL WITH CONTROL OF TRANSVERSAL DISTRIBUTION OF LASER BEAM POWER IN THE WORKING PLANE, INCLUDING INSTALLATION AND COMPUTER SOFTWARE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Настоящее изобретение относится к лазерной обработке металлического материала, более конкретно к способу лазерной обработки для резки, сверления или сварки упомянутого материала, как указано во вводной части независимого пункта 1.
В соответствии с другими аспектами настоящее изобретение относится к установке для лазерной обработки металлического материала, выполненной с возможностью применения способа лазерной обработки и компьютерной программы, содержащей один или несколько кодовых модулей для реализации отмеченного выше способа при выполнении программы электронным средством обработки.
В нижеследующем описании и формуле изобретения термин «металлический материал» используется для определения любой металлической заготовки, такой как металлический лист или удлиненный профиль, имеющей равномерно замкнутое поперечное сечение (например, полое круглое, прямоугольное или квадратное) или открытое сечение (например, плоское сечение или Г, С, П-образное сечение и т. д.).
В промышленных способах обработки металлов, в частности, металлических листов и профилей, лазер используется в качестве инструмента обработки интенсивным нагревом для широкого круга применений, зависящих от параметров взаимодействия лазерного пучка с обрабатываемым материалом, а именно от плотности потока энергии на единицу объема лазерного пучка, направленного на материал, и от времени взаимодействия.
2
2
Например, за счет воздействия потока энергии низкой плотности (порядка десятков Вт на мм поверхности) в течение длительного времени (порядка секунд) осуществляется процесс упрочнения, а за счет воздействия потока энергии высокой плотности (порядка десятков МВт на мм поверхности) в течение времени порядка фемтосекунд или пикосекунд осуществляется процесс фотоабляции. В промежуточном диапазоне при увеличении плотности потока энергии и уменьшении рабочего времени контроль этих параметров позволяет проводить сварку, резку, сверление, гравировку и маркировку.
Во многих процессах, включая процессы сверления и резки, необходимо обеспечить поток защитного газа в рабочую область, где происходит взаимодействие между лазерным пучком и материалом, который имеет механические функции приведения в движение расплавленного материала, химические функции, способствующие сжиганию, или даже технологические функции экранирования от среды, окружающей рабочую область.
2
В области лазерной обработки металлических материалов лазерная резка, сверление и сварка - это операции обработки, которые могут выполняться на одной и той же установке, адаптированной для создания мощного сфокусированного лазерного пучка, имеющего заданное поперечное распределение мощности по меньшей мере на одной рабочей плоскости металлического материала (как правило, лазерного пучка с плотностью потока от 1 до 10 000 кВт/мм), и для управления направлением пучка и углом падения пучка на материал. Разница между различными типами обработки, которые могут быть выполнены на материале, существенно зависит от мощности используемого лазерного пучка и времени взаимодействия между лазерным пучком и материалом, подлежащим обработке.
Установки лазерной обработки в соответствии с известным уровнем техники показаны на фигурах 1 и 2.
2
2
На фигуре 1 схематично показана промышленная установка для обработки CO-лазером с оптической траекторией лазерного пучка в воздухе, которая содержит источник излучения 10 в виде устройства генерации с CO-лазером, выполненного с возможностью излучения одномодового или многомодового лазерного пучка П, и множество отражающих зеркал 12а, 12б и 12в, выполненных с возможностью проведения лазерного пучка, испускаемого источником излучения, вдоль оптической траектории перемещения пучка к рабочей головке, обозначенной 14 и расположенной вблизи рабочей плоскости материала ЗГ. Рабочая головка 14 содержит оптическую фокусирующую систему лазерного пучка 16, обычно состоящую из фокусирующей линзы, выполненной с возможностью фокусировки лазерного пучка вдоль оптической траектории распространения, падающего на металлический материал под углом. Сопло 18 расположено за фокусирующей линзой и пересекается лазерным пучком, направленным к площади рабочей плоскости материала. Сопло выполнено с возможностью направления потока защитного газа, вводимого соответствующей системой (не показана), по направлению к рабочей области материала. Защитный газ используется для контроля выполнения рабочего процесса, а также качества обработки. Например, защитный газ может содержать кислород, который способствует экзотермической реакции с металлом, позволяя увеличить скорость резания, или инертный газ, такой как азот, который не способствует расплавлению материала, но защищает материал от нежелательного окисления по краям рабочего профиля, защищает рабочую головку от любых брызг расплавленного материала и может также использоваться для охлаждения сторон канавки, выполненной в материале, ограничивая расширение термически измененной области.
На фигуре 2 схематически изображена промышленная установка обработки лазерным пучком, направленным через оптоволокно. Она состоит из излучающего источника 10, такого как устройство генерации лазера, выполненного с возможностью подавать лазерный пучок в волокно для перемещения, например, лазерное волокно, легированное иттербием, или прямой диодный лазер, предназначенный для излучения одномодового или многомодового лазерного пучка, и оптоволоконного кабеля 12г, предназначенного для проведения лазерного пучка, испускаемого источником излучения на рабочую головку 14, расположенную вблизи материала М. На рабочей головке лазерный пучок, выходящий из волокна с контролируемой дивергенцией, коллимируется коллимирующей диоптрической системой 20 и отражается катоптрической системой 22 перед фокусировкой через оптическую фокусирующую систему 16, обычно состоящую из фокусирующей линзы, проходящей вдоль оптической оси распространения, падающей на рабочий профиль материала ЗГ, проходящего через излучающее сопло 18.
На фигуре 3 изображен пример рабочей головки 14, используемой в соответствии с известным уровнем техники. На 30 показан трубчатый канал, имеющий цилиндрические или конические участки, внутри которых передается лазерный пучок, обозначенный буквой П. Лазерный пучок П, генерируемый источником излучения 10 и перемещаемый к рабочей головке по оптической траектории в воздухе с несколькими отражениями или по волоконной оптике, коллимируется на отражающем элементе 32 системы вывода, который преломляет свою оптическую ось распространения в направлении падения на обрабатываемый материал. Оптическая фокусирующая система 16 является промежуточной между отражающим элементом вывода 32 и защитным ползуном 34, расположенным ниже по потоку, выполненным с возможностью экранирования фокусирующей системы от любых брызг расплавленного материала, и содержит блок 36 держателя линз, с которым связаны механические регулирующие механизмы 38 для калибровки положения линз поперек направления распространения пучка (ось XY) и в направлении распространения пучка (ось Z).
Оптическая обработка, которой подвергается лазерный пучок в рабочей головке, схематически изображена на фигурах 4 и 5.
Лазерный пучок В, происходящий от испускающего источника И, достигает рабочей головки с заданной дивергенцией через оптическую траекторию перемещения в свободном пространстве или по волокну. Система оптической коллимации, показанная на фигуре 4 как линза К, обеспечивает коллимирование лазерного пучка П, направляя его в оптическую фокусирующую систему, расположенную ниже по потоку и представленную линзой Ф, способной создавать сфокусированный лазерный пучок. В первом приближении идеальный лазерный пучок, то есть лазерный пучок, идеально коллимированный в параллельных пучках, после оптической фокусирующей системы, сосредоточен в фокальной точке в соответствии с законами геометрической оптики. Однако, физические законы дифракции указывают на то, что лазерный пучок, даже при наилучших настройках коллимации и фокусировки, имеет конечное фокусное пятно в области сужения ниже по потоку от оптической фокусирующей системы. Это показано на фигуре 4 областью, обозначенной ОС, что соответствует фокальной области пучка П. Обычно для промышленной обработки рабочая плоскость материала совпадает с поперечной плоскостью области сужения пучка.
На фигуре 5 показано распределение плотности мощности нормально коллимированного лазерного пучка, имеющего нормальное гауссово распределение с вращательной симметрией в случае одномодового пучка, т.е. при мощности, сосредоточенной вокруг продольной оси пучка (ось Z) и постепенно уменьшающейся вдоль границы, или в случае многомодового пучка распределение может быть описано как огибающая линия гауссовых профилей с вращательной симметрией.
Использование пучков с одномодовым или многомодовым лазерным излучением, которое может быть описано в первом приближении как гауссово, отвечает требованиям технологического контроля в области применения мощных лазеров. Действительно, Гауссов пучок легко описывается несколькими параметрами и легко контролируется при его распространении по оптической траектории перемещения от источника излучения к головке обрабатывающей установки, поскольку он обладает характеристикой распространения без изменения распределения мощности, причем его можно описать с помощью значения радиуса и значения дивергенции в условиях распространения поля в дальней зоне (в этом случае можно использовать приближение геометрической оптики). В условиях распространения сфокусированного пучка в ближней зоне по рабочей траектории, где геометрическое приближение оптики уже недействительно, пучок в любом случае сохраняет гауссову схему распределения мощности в каждом из его сечений.
Лазерный пучок, содержащий поперечные моды более высокого порядка, имеет, наоборот, негауссово распределение мощности. Как правило, эти условия получают с использованием диоптрийных систем (оптических систем пропускающего типа, то есть линз), которые изменяют форму пучка, начиная с гауссова распределения. Типичной особенностью оптических систем, используемых для этой цели, является их «статическая природа» или «жесткость» по отношению к оптической конфигурации установки. Фактически, конкретная оптическая система предназначена для создания только одной геометрии распределения мощности, например, распределения мощности, более широкого, чем гауссово распределение для операций резки толстых материалов (где «толстый» означает лазер с длиной волны в ближнем инфракрасном диапазоне, толщина от порядка 4 мм до порядка 20 мм) или узкого распределения мощности по сравнению с гауссовым распределением для операций быстрой резки тонких материалов (где «тонкий» означает толщину, равную или меньшую 4 мм) и устанавливается заранее в рабочую головку установки, в результате чего геометрия распределения мощности не может быть изменена без замены системы оптической головки.
На известном уровне техники известны другие решения, в которых форма распределения мощности лазерного пучка может выбираться между двумя заранее определенными состояниями, например, полученными путем управления перемещением пучка от источника к рабочей головке через сердечник транспортного волокна или через промежуточную оболочку, тем самым изменяя эффективный диаметр пучка, входящего в систему оптической коллимации рабочей головки, или управляя ИПП (итоговый параметр пучка), т.е. произведением радиуса фокального пятна и угла полудивергенции пучка или расхождения в источнике перед подачей его в волокно таким образом, чтобы создать после фокусировки соответствующие пучки с различными диаметрами и расхождениями. В обоих этих случаях невозможно нарушить симметрию вращения из-за конструкции самих устройств.
В отличие от упомянутых выше решений, в недавнем прошлом профессор Флеминг Ове Олсен предложил описательную модель процесса резки, согласно которой нарушение симметрии вращения могло бы предоставить процессу преимущество: созданием вторичного серповидного распределения мощности за первичным распределением пиковой мощности с гауссовой формой (в направлении продвижения процесса) можно облучать как передний край среза (посредством первичного распределения мощности), так и часть расплавленного материала, генерированием первичного распределения мощности, которое имеет тенденцию опускаться вдоль краев режущей канавки и быстро охлаждаться (посредством вторичного распределения мощности). Такая модель может быть реализована в соответствии с известным уровнем техники посредством сложного и громоздкого устройства для рекомбинации комплексного лазерного пучка, имеющего распределение мощности, полученное посредством комбинации множества компонентных лазерных пучков, каждый из которых генерируется и управляется независимо от других. Такое решение описано в международной патентной заявке WO 2008/052547. Также в этом случае конструктивное решение не позволяет легко и быстро перенастраивать установку во время рабочего процесса, не внося существенных изменений в конструкцию оптических компонентов.
00
Однако можно управлять лазерным источником или оптической системой перемещения лазерного пучка таким образом, чтобы генерировать поперечные электромагнитные моды более высокого порядка, чем основная мода TEM (соответствующая гауссовому пучку). Такие моды имеют недостаток: не распространяются, будучи одинаковыми, поэтому, несмотря на то, что в общем случае можно получить формы поперечного распределения мощности лазерного пучка, отличные от гауссовой формы, и, возможно, с симметрией, отличной от вращательной, их можно получить только в четко определенном положении распространения (фокальная плоскость) пучка.
По этим причинам в области лазерной обработки всегда необходимо контролировать распространение лазерного пучка для того, чтобы он имел гауссово распределение мощности по поперечному сечению (или приблизительно гауссово), и устанавливать постоянное относительное взаимное расположение между оптической осью распространения лазерного пучка и осью центра тяжести потока защитного газа.
Такой конструктивный выбор, который в случае чисто одномодового пучка учитывает вращательную симметрию пучка и потока защитного газа, соответственно обусловленные гауссовым распределением мощности лазерного пучка и круглым выходным отверстием подачи защитного газа, обеспечивает изотропность каждого рабочего процесса (резка, сварка и т.д.) в отношении направлений, по которым может происходить обработка.
Изотропность процесса по отношению к рабочим траекториям материала всегда считалась предпочтительной, если рабочий процесс контролируется средством электронной обработки по любым траекториям и геометриям, заданным в системах CAD/CAM.
Широко распространено мнение, что физически «несбалансированная» система или система без вращательной симметрии в точках падения лазерного пучка и защитного газа на материал приводит к возникновению трудностей при управлении рабочими траекториями или ухудшению качества результатов обработки.
Целью настоящего изобретения является создание способа лазерной обработки с улучшенной производительностью с точки зрения скорости работы, качества результатов и экономической эффективности процесса.
Другой целью настоящего изобретения является создание способа лазерной обработки, управляемой в реальном времени для получения точных результатов обработки во всех рабочих условиях, достижимых без увеличения размера существующих установок.
В соответствии с настоящим изобретением эти цели достигаются посредством способа лазерной обработки металлического материала, имеющего характеристики, указанные в п.1.
Конкретные варианты осуществления представляют собой задачу зависимых пунктов формулы изобретения, содержание которых следует понимать как неотъемлемую часть настоящего описания.
Еще одной задачей изобретения является установка лазерной обработки металлического материала с компьютерной программой, как было заявлено.
Таким образом, настоящее изобретение основывается на том, что управление распределением мощности лазерного пучка и, возможно, нарушением симметрии вращения пучка может обеспечить лучшую производительность с точки зрения скорости, качества и экономической эффективности рабочего процесса, поскольку это позволяет локализовать или расширить распределение мощности относительно рабочей траектории там, где это необходимо, и использовать часть доступной мощности лазера для операций, вспомогательных по отношению к основной обработке, например, операций нагревания/поддержания расплавленного состояния материала в процессе резки или сверления, что облегчает его удаление из обрабатываемого материала с помощью потока защитного газа и позволяет достичь чистоты профилей и режущих поверхностей выше уровня, достигаемого процессами, основанными на распределении мощности гауссовой формы при том же уровне производительности.
Согласно изобретению, применение вышеупомянутых критериев к системам известного уровня техники достигается путем эффективного управления поперечным распределением мощности лазерного пучка посредством управления формированием лазерного пучка в реальном времени. Форма лазерного пучка легко регулируется для получения поперечного распределения мощности в рабочей плоскости, например из распределения гауссового типа с заданным диаметром, кольцевого (тороидального) распределения, распределения плоского профиля с заданным диаметром (плоская вершина или вершина с уклоном), сложным распределением по круговой симметрии, получаемым путем концентрического перекрытия гауссового распределения и кольцевого распределения, внешне концентрического гауссовому распределению, сложным асимметричным распределением, включающим распределение пиковой мощности в гауссовой форме и вторичное серповидное распределение мощности за первичным распределением мощности, описанные в литературе (Ф. О. Олсен, К. С. Хансен и Дж. С. Нильсен, «Многопучковая волоконная лазерная резка», Журнал применений лазера, Том 21, стр. 133, 2009), астигматическим распределением с эллиптическим поперечным сечением и различными их комбинациями.
Формой лазерного пучка также можно легко управлять с целью определения поперечного распределения мощности в рабочей плоскости, соответствующего множеству (например, паре) пространственно коррелированных гауссовых пучков, например связанных заданным отношением временного развития и расположенных рядом в зоне подачи потока защитного газа. Их взаимное положение и/или положение относительно центра тяжести вышеупомянутого распределения в области подачи потока газа может регулироваться во времени синхронно или асинхронно.
Настоящее изобретение основано на принципе использования оптической системы с управляемой деформацией, хорошо известной в исследовательских прикладных системах, для обработки оптических сигналов (следовательно, маломощного оптического излучения) с целью формирования мощного лазерного пучка промышленного применения.
Применение оптической системы с управляемой деформацией в оптической системе перемещения лазерного пучка позволяет расширить диапазон форм лазерного пучка, получаемых быстро изменяемым образом, и, следовательно, улучшить производительность процессов механической обработки или реализовать инновационные процессы механической обработки.
В предпочтительном варианте осуществления способ изобретения позволяет управлять процессом работы лазера в режиме реального времени путем формирования распределения мощности лазерного пучка вокруг исходной оптической оси, устраняя, таким образом, необходимость применения специальных оптических систем для соответствующих геометрий распределения мощности в зависимости от желаемого применения или для управления определенными параметрами пучка на стадии формирования или перемещения пучка, то есть вдали от рабочей головки, что может быть достигнуто только с помощью вмешательства оператора при настройке установки для заданного процесса.
В более предпочтительном варианте осуществления способ изобретения позволяет управлять поперечным распределением мощности лазерного пучка в соответствии с множеством заданных форм с быстрым временем стабилизации. Таким образом, такое управление может быть реализовано не только как «подготовительная настройка» с учетом рабочего цикла, но и в режиме реального времени во время рабочего процесса с целью управления поперечным распределением мощности лазерного пучка вдоль рабочей траектории на материале.
Другими словами, способ изобретения позволяет заданной стратегии поперечного распределения мощности лазерного пучка автоматически устанавливаться и развиваться во время рабочего процесса, например, посредством мгновенного управления поперечным распределением мощности лазерного пучка в заданной рабочей плоскости материала относительно его свободной поверхности и в заданном положении и в соответствии с определенной ориентацией относительно текущего направления рабочей траектории (направление продвижения процесса).
Способ изобретения также позволяет автоматически устанавливать стратегию переменной модификации для поперечного распределения мощности лазерного пучка во время рабочего процесса, например, в зависимости от пространственного положения рабочей области на материале вдоль заданной рабочей траектории, или мгновенного направления такой траектории, как функция, например, толщины обрабатываемого материала. Для больших толщин, например, равных или превышающих 4 мм, технологическая необходимость процесса заключается в создании широкой канавки, позволяющей легко удалять расплавленный материал и поддержание высокой вязкости самого расплавленного материала обеспечивает снижение или отсутствие адгезии расплавленного материала на стенках самой канавки, что в конечном итоге обеспечивает разрез без заусенцев и с пониженной шероховатостью по сравнению с той, которую можно получить с помощью гауссового пучка. Асимметричное распределение пучка, например, при котором пучок состоит из гауссового центрального компонента и серповидного компонента в направлении продвижения, удовлетворяет потребности улучшения процесса и в то же время необходимости вращения относительно поверхности материала в соответствии с мгновенным направлением траектории резания, которая обычно не фиксируется. В случае использования двух пучков, связанных в соответствии с заданным соотношением эволюции во времени, изобретение позволяет управлять его положением как на плоскости падения материала, так и на глубине в толщине самого материала, чтобы мгновенно освещать и при высокой частоте - объем материала, в то время как обработка продолжается по заданной траектории (то есть, в то время как общее распределение оптической мощности следует за передним краем резания). В этом случае также достигается пониженная вязкость расплавленного объема, вытесненного из канавки.
В соответствии с настоящим изобретением управление поперечным распределением мощности пучка в области рабочей плоскости на металлическом материале осуществляется в заданной близости к оси потока защитного газа, что определяет зону подачи упомянутого потока. Зона подачи потока защитного газа, представляющая собой объемное поле действия способа управления в соответствии с изобретением, идентифицируется как «находящийся под воздействием объем» сопла рабочей головки. Сопло обычно имеет выходное отверстие, диаметр которого находится в диапазоне от 1 мм до 3,5 мм, и размеры, характерные для усеченного конуса с высотой от 6 мм до 20 мм, меньшее основание (в сопле) диаметром, равным диаметру выходного отверстия сопла, увеличенного на 1–3 мм, и большее основание, характерный размер которого зависит от высоты усеченного конуса и угла наклона генерирующей линии, обычно составляет от 15 до 30 градусов. Соответственно, объем сопла является минимально возможным и самым тонким, так что оно может работать во впадинах обрабатываемых поверхностей.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения автоматическое управление в соответствии со способом изобретения может выполняться в реальном времени с рабочими частотами от 100 Гц до 10 кГц.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения система управления, выполненная с возможностью осуществления способа в соответствии с изобретением, отличается от систем известного уровня техники, поскольку она может быть интегрирована в рабочую головку, то есть не зависит от генерации лазерного пучка и от его перемещения к рабочей головке.
Кроме того, в отличие от известных решений для настройки или ввода в эксплуатацию установки конкретной обработки, в которой поперечное распределение мощности лазерного пучка может регулироваться посредством ручного вмешательства оператора для замены конкретной оптики, или в котором изменение поперечного распределения мощности лазерного пучка реализовано для очень ограниченного числа заданных форм, способ изобретения позволяет эффективно контролировать в реальном времени поперечное распределение мощности лазерного пучка как функцию локализации пучка вдоль рабочей траектории, где возможно точное изменение поперечного распределения мощности лазерного пучка в зависимости от заданных рабочих условий, которые возникают в заданных положениях вдоль рабочей траектории. Такие запрограммированные условия обработки включают в себя, в качестве неограничивающего примера, текущее рабочее положение (или, в более общем случае, область текущей рабочей плоскости) вдоль заданной рабочей траектории и/или текущее направление рабочей траектории на материале и/или текущее направление сдвига оси потока защитного газа, а также тип обработки, ожидаемый в определенном рабочем положении (например, переключение со сверления, заход на резание и процесс резания).
В процессе сверления материала способ изобретения улучшает процесс, делая его управляемым в реальном времени и более эффективным, например, посредством выполнения последовательности операций обработки, включающих, по меньшей мере, первую стадию, включающую облучение заданной серией первых импульсов узкого пучка в заданном фиксированном положении на рабочем материале, и вторую стадию, включающую облучение лазерным пучком, продвигающимся по заданной рабочей траектории с расширяющимся диаметром, с целью обеспечения выпуска расплавленного материала.
В соответствии со следующим примером процесса сверления выполняется последовательность операций обработки, включающая - на первом этапе - излучение заданной первой серии импульсов узкого пучка с заданной координатой сверления на рабочем материале, ось распространения которого располагается в находящемся под воздействием объеме потока защитного газа и - на втором этапе - излучение (непрерывное или импульсное) лазерного пучка по кругу или спирали, концентрично в отношении заданной координаты сверления, адаптированной для «перемешивания" расплавленного материала в процессе сверления.
В процессе резки материала способ изобретения позволяет улучшить процесс, сделав его управляемым в реальном времени и более эффективным, например, путем выполнения последовательности операций обработки, включающей в себя:
- изменение диаметра пучка в зависимости от локальной толщины разрезаемого материала или требуемой конкретной операции резания (например, непрерывное прорезание канавки или скошенной кромки); и / или
- соответствующее изменение распределения мощности пучка для режима плоского профиля, чтобы уменьшить, по сравнению с гауссовым распределением, процент мощности лазерного пучка, излучаемого как в центре канавки, так и на ее сторонах, которые противном случае будут излишне нагреваться, создавая рассеивание энергии за счет боковой проводимости, что приведет к образованию низкотемпературного расплавленного материала, который повторно осаждается перед выходом из канавки, создавая заусенцы; и / или
- соответствующее изменение распределения мощности пучка для режима кольцевого типа, возможно, в сочетании с перекрытием осевым локализованным гауссовым распределением, адаптированным для повышения температуры хвоста расплавленного материала, с целью устранения заусенцев; и / или
- нарушение симметрии вращения и распределение каждой из форм, ранее описанных в направлении резки, и соответствующее усечение в других направлениях и в направлении выталкивания материала из канавки; и / или
- нарушение симметрии вращения и акцент на распределение мощности в направлении процесса обработки, эллиптическим пучком моментально направленным вдоль направления резания.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, помимо достижения различных поперечных распределений мощности лазерного пучка, изобретение также касается возможности управления двумя другими измерениями процесса: глубиной и временем.
Фактически, поперечные распределения мощности, описанные выше, могут быть получены только в четко определенной фокальной плоскости с интервалом когерентности (или «толщиной») вдоль направления распространения пучка (каустика пучка вокруг лучшей фокусирующей плоскости), которое зависит от используемой оптической системы фокусировки. Техническое решение изобретения позволяет управлять положением фокальной плоскости вдоль направления распространения пучка, в котором установлено требуемое распределение мощности, так что глубина рабочей плоскости относительно поверхности материала является дополнительным изменяемым во времени параметром процесса. Эта характеристика актуальна, потому что она обеспечивает трехмерную гибкость в управлении рабочим процессом материала, что отличается от систем известного уровня техники, включая системы сканирования с гальванометрическими зеркалами, которые обычно имеют только одно фокусное положение, нерегулируемое другим образом кроме перемещения всей рабочей головки относительно материала.
Кроме того, за счет быстрого управления распределением пучка и его позиционированием в пространстве, т.е. на частотах, превышающих частоты, соответствующие типичному времени взаимодействия в рамках процесса (выше 100 Гц, но до 10 кГц), можно определить видимый объем взаимодействия между лазерным пучком и материалом произвольной формы посредством простого управления в течение сокращенного времени последовательностью распределений мощности пучка, огибающая линия которых составляет упомянутый видимый объем.
Другие характеристики и преимущества изобретения будут детально описаны в следующем подробном описании одного из вариантов осуществления изобретения, которое дается исключительно в виде неограничивающего примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
на фигурах 1 и 2 показаны примеры установок лазерной обработки в соответствии с известным уровнем техники;
на фигуре 3 показан пример конструкции рабочей головки лазерной установки в соответствии с известным уровнем техники;
на фигурах 4 и 5 показано схематическое изображение формы лазерного пучка для промышленной обработки металлических материалов в соответствии с известным уровнем техники;
на фигуре 6 показана схема оптической траектории лазерного пучка в рабочей головке, выполненной с возможностью осуществления способа в соответствии с изобретением;
на фигуре 7 показано схематическое изображение отражающего элемента с управляемой поверхностью для формирования оптического пучка с целью реализации способа в соответствии с изобретением;
на фигуре 8 показана блок-схема электронной аппаратуры управления установки лазерной обработки с возможностью выполнения способа обработки в соответствии с изобретением;
на фигуре 9 показан график, демонстрирующий поперечное распределение мощности гауссовой формы соответственно посредством трехмерного представления интенсивности пучка и двумерного представления распределения интенсивности пучка в поперечной плоскости фокусировки;
на фигуре 10а показан график, демонстрирующий поперечное распределение мощности плоского профиля соответственно посредством трехмерного представления интенсивности пучка и двумерного представления распределения интенсивности пучка в поперечной плоскости фокусировки;
на фигуре 10б показан график, демонстрирующий трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненного с возможностью генерации поперечного распределения мощности, изображенного на фигуре 10а;
на фигуре 10в показан график, демонстрирующий эволюцию распределения интенсивности пучка (в двумерном представлении) вдоль направления распространения того же пучка, который имеет плоский профиль на рабочей плоскости;
на фигуре 11а показан график, демонстрирующий поперечное распределение мощности с реальным кольцевым профилем, соответственно посредством трехмерного представления интенсивности пучка и двумерного представления распределения интенсивности пучка в поперечной плоскости фокусировки;
на фигуре 11б показан график, демонстрирующий трехмерную конфигурацию поверхности деформируемого отражающего элемента контролируемой поверхности, выполненной с возможностью генерировать поперечное распределение мощности по фигуре 11а;
на фигуре 11в показан график, демонстрирующий эволюцию интенсивности распределения пучка (в двумерном представлении) вдоль направления распространения этого же пучка, которое имеет кольцевой профиль на рабочей плоскости;
на фигуре 12а показан график, демонстрирующий кольцевое поперечное распределение мощности, получаемое отражающим элементом, наклоненным под углом 45° относительно направления падения пучка, соответственно посредством трехмерного представления интенсивности пучка и двумерного представления распределения интенсивности пучка в поперечной плоскости фокусировки;
на фигуре 12б показан график, демонстрирующий трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненного с возможностью генерации поперечного распределения мощности по фигуре 12а;
на фигуре 13a показан график, демонстрирующий поперечное распределение мощности с круглым симметричным профилем, получаемым путем концентрического перекрытия гауссова распределения и кольцевого распределения, внешне концентрического по отношению к гауссову распределению, соответственно посредством трехмерного представления интенсивности пучка и двухмерное представление распределения интенсивности пучка в поперечной плоскости фокусировки;
на фигуре 13б показан график, демонстрирующий трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненного с возможностью генерации поперечного распределения мощности по фигуре 13а;
на фигуре 13в показан график, демонстрирующий эволюцию распределения интенсивности пучка (в двумерном представлении) вдоль направления распространения того же пучка, который имеет профиль типа, описанного на фигуре 13a (также описываемый как гауссово-кольцевой) на рабочей плоскости;
на фигуре 14а показан график, демонстрирующий поперечное распределение мощности с эллиптическим профилем, соответственно посредством трехмерного представления интенсивности пучка и двумерного представления распределения интенсивности пучка в поперечной плоскости фокусировки;
на фигуре 14б показан график, демонстрирующий трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненного с возможностью генерации поперечного распределения мощности по фигуре 14а;
на фигуре 14в показан график, демонстрирующий эволюцию распределения интенсивности пучка (в двумерном представлении) вдоль направления распространения того же пучка, который имеет эллиптический профиль на рабочей плоскости;
на фигуре 15а показан график, демонстрирующий поперечное распределение мощности, согласно описанию Олсена, соответственно посредством трехмерного представления интенсивности пучка и двумерного представления распределения интенсивности пучка в поперечной плоскости фокусировки;
на фигуре 15б показан график, демонстрирующий трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненного с возможностью генерации поперечного распределения мощности по фигуре 15а;
на фигуре 15в показан график, демонстрирующий эволюцию распределения интенсивности пучка (в двумерном представлении) вдоль направления распространения того же пучка, который имеет профиль, согласно описанию Олсена, на рабочей плоскости;
фигуры 16 и 17 представляют собой схематические представления примеров обработки согласно способу по настоящему изобретению; а также
фигура 18 представляет собой примерный вариант осуществления отражающего элемента с управляемой поверхностью для формирования оптического пучка.
Фигуры 1–5 были описаны ранее со ссылкой на известный уровень техники, и их содержание в данном документе рассматривается как стандартное для изготовления обрабатывающей установки с целью осуществлении рабочего процесса в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Оптическая траектория лазерного пучка в рабочей головке установки для лазерной обработки металлических материалов в соответствии с изобретением показана на фигуре 6.
Оптическая система, показанная на фигуре 6, содержит устройство 100 входа лазерного пучка П, например, конец оптоволоконного кабеля или оптическая система захвата пучка, распространяемого источником излучения вдоль оптической траектории в свободном пространстве, из которого возникает лазерный пучок П с заданной дивергенцией.
Ниже по потоку от устройства ввода 100 предусмотрена система оптической коллимации 120, например коллимационная линза (обычно коллимационная линза для рабочей головки лазерной резки имеет фокусное расстояние от 50 мм до 150 мм), после которой коллимированный лазерный пучок направляется в оптическую фокусирующую систему 140, например фокусирующую линзу (обычно фокусирующая линза для рабочей головки лазерной резки имеет фокусное расстояние от 100 мм до 250 мм, в случае лазерной сварки фокусное расстояние может достигать 400 мм), выполненную с возможностью фокусировки пуска на рабочей плоскости П через экран или защитное стекло 160.
На оптической траектории между коллимационной оптической системой 120 и оптической фокусирующей системой 140 расположено оптическое средство 180 для формирования пучка.
В частности, с учетом схематизации оптической траектории лазерного пучка, показанной на фигуре 6, настоящее изобретение относится к созданию оптического средства 180 для формирования лазерного пучка и управления упомянутых средств для достижения поперечного распределения мощности лазерного пучка требуемым образом на заданной рабочей плоскости материала. На данной фигуре оптическое средство 180 для формирования лазерного пучка показано в иллюстративном варианте осуществления, при котором оно имеет собственную ось симметрии, расположенную под углом 45° относительно направления распространения пучка.
С этой целью оптическое средство 180 для формирования лазерного пучка выполнено в виде отражающего элемента 200 с деформируемой управляемой поверхностью, содержащего множество независимо перемещаемых областей отражения, как показано на фигуре 7, которые в состоянии покоя определяют отражающую поверхность, лежащую на контрольной плоскости отражения. Упомянутый отражающий элемент 200 с деформируемой управляемой поверхностью представляет собой цельное зеркало из фольги, отражающая поверхность которого может быть изменена по объему относительно эталонной плоской отражающей поверхности, принятой для состояния покоя. Упомянутый отражающий элемент 200 с деформируемой управляемой поверхностью имеет отражающую поверхность с непрерывной кривизной, включающую в себя множество областей отражения, на которых сзади расположены соответствующие модули перемещения, отмеченные на фигуре номерами 200a, 200б, ... и соответствующим образом обрабатывается для использования при высокой мощности оптического излучения за счет совместного использования высокоотражающего покрытия (не менее 99%) на длине волны лазерного пучка и монтажа на держателе контактов, охлаждаемом водой путем прямого каналирования. Модули перемещения являются неотъемлемой частью отражающей поверхности непрерывной кривизны и перемещаются независимо. Области отражения отражающей поверхности с непрерывной кривизной не имеют между собой ребер, т.е. общая отражающая поверхность имеет непрерывные локальные производные во всех направлениях. Движение упомянутого множества модулей перемещения 200а, 200б включает в себя движения сдвига соответствующих областей отражения, например, движения вперед или назад относительно эталонной плоской отражающей поверхности, принятой для состояния покоя, или вращательные движения соответствующих областей отражения вокруг оси, параллельной эталонной плоской отражающей поверхности, принятой для состояния покоя, или даже сочетание этих движений. В предпочтительном варианте осуществления изобретения деформации отражающей поверхности, то есть движения модулей перемещения 200a, 200б, активируются известными пьезоэлектрическими методами, которые позволяют контролировать движение модулей перемещения и последующее положение областей отражения, то есть модификацию их положения, возникающего в результате комбинации движения посредством линейного перемещения и/или вращения каждого модуля при заданном числе степеней свободы независимо от других модулей, как правило, при перемещениях на +/-40 мкм, с помощью которых возможно получить приближения поверхностей непрерывной кривизны, определяемых комбинациями полиномов Цернике, посредством которых можно (по крайней мере теоретически и с достаточным приближением на практике для желаемых целей) применять регулировку положения оси оптического распространения лазерного пучка или, в более общем случае, управление поперечным распределением мощности лазерного пучка в соответствии с объектами желаемой обработки.
На фигуре 7 показан предпочтительный вариант осуществления отражающего элемента 200 с эллиптическим профилем и соответствующими задними модулями перемещения, принятыми для угла падения коллимированного лазерного пучка 45°, как показано на схеме, изображенной на фигуре 6. Такой вариант осуществления следует понимать исключительно как иллюстративный и не ограничивающий реализацию изобретения. В другом предпочтительном варианте осуществления, где угол падения коллимированного лазерного пучка перпендикулярен или почти перпендикулярен поверхности элемента 200 в состоянии покоя, профиль отражающего элемента 200 является круговым профилем.
В варианте осуществления отражающего элемента с эллиптическим профилем, его большая ось равна 38 мм и малая ось равно 27 мм, что соответствует максимальному размеру поперечной апертуры лазерного пучка, падающего на зеркало, получаемого коллимационной оптической системой 120.
Так в предпочтительном варианте осуществления изобретения упомянутый отражающий элемент 200 с деформируемой управляемой поверхностью включает в себя множество областей отражения, независимо перемещаемых посредством соответствующего множества модулей перемещения, которые содержат центральную область и множество рядов выпуклых секторов, концентрических по отношению к упомянутой центральной области. В текущем предпочтительном варианте выполнения количество рядов концентрических выпуклых секторов составляет 6, а выпуклых секторов - 8 для каждого ряда, высота выпуклых секторов увеличивается от первого до третьего ряда и от четвертого до шестого ряда в радиальном направлении к внешней стороне отражающего элемента. Высота выпуклых секторов четвертого ряда является промежуточной между высотой выпуклых секторов первого и второго рядов. С целью упрощения структуры управления отражающего элемента 200 в предпочтительном варианте осуществления изобретения множество круговых секций, образующих периферийную круговую головку, можно зафиксировать, а ряды внутренних выпуклых секторов могут быть перемещены таким образом, чтобы использовать все количество исполнительных механизмов (до 41).
В общем случае количество рядов круговых секций, количество выпуклых секторов и высота выпуклых секторов определяются в соответствии с геометрией отражающей поверхности, необходимой для получения заданных желательных поперечных распределений мощности лазерного пучка, посредством процедур имитации основных направлений поперечных распределений мощности лазерного пучка, падающего на отражающий элемент для выбранного количества областей отражения. Фактически, управляемая деформируемость поверхности отражения элемента 200 индуцирует регулируемые изменения интенсивности лазерного пучка на фокальной плоскости, действуя на фазу лазерного пучка. В текущем предпочтительном варианте деформация поверхности отражающего элемента 200 управляется таким образом, чтобы определять отражающую поверхность, приписываемую комбинации полиномов Цернике. Таким образом, распределение интенсивности лазерного пучка на фокальной плоскости в соответствии с изменениями фазы, контролируемыми движением областей отражения отражающего элемента 200, может быть в предпочтительном варианте осуществления изобретения смоделировано с использованием математических методов расчета.
Геометрия разбиения поверхности отражающего элемента 200, показанного на фигуре 7, соответствующая геометрии модулей перемещения областей отражения, была определена изобретателями посредством моделирования с целью получения различных форм поперечного распределения мощности с большей свободой формирования пучка, даже не связанной с сохранением его вращательной симметрии. В противном случае, для применений, строго связанных с гауссовым распределением мощности, где не требуется изменение формы распределения мощности, а только его смещение относительно оси оптического распространения, можно использовать более простые геометрии, например, в равномерно разнесенные ряды, то есть, когда высота выпуклых секторов является постоянной для всех рядов секций. Для применений, в которых должна сохраняться вращательная симметрия распределения мощности пучка, можно предусмотреть множество областей отражения и соответствующих модулей перемещения в форме радиально независимых круговых кровель.
На фигуре 8 показана принципиальная электрическая схема электронной системы управления установкой лазерной обработки металлических материалов для реализации способа в соответствии с изобретением.
Система содержит электронное средство обработки и управления, показанные на чертеже совместно в ЭБУ, которые могут быть интегрированы в единый блок обработки на борту установки или реализованы в распределенной форме, то есть содержать модули обработки, расположенные в разных частях установки, например, в рабочей головке.
Устройство памяти ПАМ, связанное с электронным средством обработки и управления ЭБУ, хранит заданный шаблон обработки или программу, например, содержит заданную рабочую траекторию в форме инструкций перемещения для рабочей головки и/или для обрабатываемого материала и параметры физической обработки с указанием распределения мощности оптического пучка, интенсивности мощности пучка и количество активаций лазерного пучка в зависимости от рабочей траектории.
Электронное средство обработки и управления ЭБУ предназначено для обеспечения доступа к блоку памяти ПАМ с целью получения рабочей траектории и управления применением лазерного пучка обработки вдоль упомянутой траектории. Управление применением лазерного пучка по заданной рабочей траектории включает в себя управление подачей потока защитного газа и управление излучением заданного распределения мощности лазерного пучка в направлении заданной рабочей области по заданному шаблону обработки или программе, то есть в соответствии с информацией о рабочей траектории и рабочими параметрами, полученными из устройств памяти.
Сенсорные устройства СЕНС расположены в установке для определения взаимного положения рабочей головки и обрабатываемого материала в реальном времени, а также изменения такого положения в течение времени.
Электронное средство обработки и управления ЭБУ выполнено с возможностью приема сигналов от сенсорных устройств СЕНС, указывающих взаимное положение рабочей головкой и обрабатываемого материала во времени, то есть изменение площади текущей рабочей плоскости и/или текущего направления рабочей траектории с течением времени.
1
Электронное средство обработки и управления ЭБУ содержит первый модуль управления МУ для контроля механических параметров обработки, расположенный с возможностью выдавать первые сигналы управления УПР1 на известный узел исполнительных устройств, содержащий исполнительное устройство перемещения рабочей головки по степеням свободы, доступным в соответствии с конкретным вариантом осуществления установки и исполнительных устройств для перемещения обрабатываемого материала относительно положения рабочей головки, выполненной с возможностью взаимодействия с исполнительным устройством для ее перемещения с целью прохождения запрограммированной рабочей траектории на обрабатываемом материале в стакане рабочей головки. Эти приводные устройства не описаны подробно, поскольку они используются на известном уровне техники.
2
Электронное средство обработки и управления ЭБУ содержит второй модуль управления МУ2 для контроля физических параметров обработки, выполненный с возможностью выдачи вторых сигналов управления УПР на средство подачи потока защитного газа и средство управления для генерации и передачи лазерного пучка.
3
3
3
Электронное средство обработки и управления ЭБУ содержит третий модуль управления МУ3 для контроля параметров оптической обработки, выполненный с возможностью выдачи третьих сигналов управления УПР на отражающий элемент 200 с деформируемой управляемой поверхностью средства формирования оптического пучка для реализации модулей перемещения независимо подвижных областей отражения упомянутого элемента, т.е. для управления их взаимным пространственным смещением (сдвигом вдоль оптической оси отражающего элемента или наклоном относительно него). Сигналы управления УПР обрабатываются с помощью компьютерной программы, содержащей один или несколько модулей кода с инструкциями модели или программы управления для реализации способа в соответствии с изобретением в соответствии с заранее заданным формированием лазерного пучка, который должен быть получен, т.е. устанавливающие заданное поперечное распределение мощности лазерного пучка и, следовательно, заданное положение оси оптического распространения лазерного пучка в зависимости от условий мгновенной обработки вдоль угла падения оси оптического распространения на материал, в области по меньшей мере одной рабочей плоскости металлического материала, где рабочая плоскость материала представляет собой плоскость поверхности материала или плоскость, которая изменяется по глубине в толщине материала, например для резки или сверления толстых материалов толщина обычно более чем в 1,5 раза больше длины Рэлей сфокусированного пучка (в стандартном случае толщины составляют от 4 мм и до 30 мм). Вышеупомянутые сигналы управления УПР также обрабатываются компьютерной программой для установления заданного поперечного распределения мощности лазерного пучка в заданной близости к оси потока защитного газа и в пределах области подачи упомянутого потока в соответствии с текущими рабочими условиями, т.е. области текущей рабочей плоскости и/или текущего направления рабочей траектории на металлическом материале.
Поэтому электронное средство обработки и управления ЭБУ выполнено с возможностью обнаружения текущего положения и/или текущего направления перемещения оси потока защитного газа для управления относительным сдвигом оси потока защитного газа вдоль заданной рабочей траектории на металлическом материале и автоматического регулирования положения оси оптического распространения лазерного пучка или автоматического управления поперечным распределением мощности лазерного пучка в соответствии с текущим положением и/или обнаруженным текущим направлением перемещения оси потока защитного газа.
Обычное распределение мощности лазерного пучка с гауссовым профилем в сечении, поперечном направлению распространения, соответствующее рабочей плоскости, показано на фигуре 9, где верхний график представляет собой трехмерное представление нормализованной интенсивности пучка, а нижний график представляет собой двумерное представление распределения интенсивности пучка в плоскости фокусировки для типичного пучка, имеющего радиус пятна фокусировки на площади рабочей плоскости порядка 60 мкм.
В соответствии с одним из вариантов осуществления способа изобретения реализуется расположение областей отражения отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненное с возможностью установления поперечного распределения мощности пучка в области рабочей плоскости на металлическом материале, имеющем гауссов профиль заданного диаметра.  Такое расположение областей отражения позволяет выполнить сферическую поверхность деформируемого отражающего элемента, которая является выпуклой или вогнутой относительно базовой плоскости в случае почти нормального падения, или тороидальную поверхность, пропорциональную эллиптическому удлинению, в случае угла падения 45 градусов. В этом состоянии пучок подвергается изменению расхождения (хотя и минимального). Результирующее поперечное распределение мощности пучка находит применение в тех случаях, когда необходимо перемещать положение фокальной точки между различными рабочими плоскостями материала или расширять или сужать диаметр падающего пучка на поверхности самого материала.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления способа изобретения реализуется расположение областей отражения отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненное с возможностью установления поперечного распределения мощности пучка в области рабочей плоскости на металлическом материале, имеющем плоский профиль (плоская вершина или вершина с уклоном) заданного диаметра. Распределение мощности плоского профиля, показанное на фигуре 10а, где верхний график представляет собой трехмерное представление нормализованной интенсивности пучка, а нижний график представляет собой двумерное представление распределения интенсивности пучка в фокальной плоскости для типичного пучка, имеющего радиус фокального пятна на площади рабочей плоскости порядка 120 мкм. На фигуре 10б показана трехмерная конфигурация поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, причем оси графика показаны не в масштабе, вертикальная ось выражена в микронах (в отличие от горизонтальных осей, выраженных в миллиметрах) для лучшего представления профиля. Максимальный сдвиг модулей перемещения подвижных областей отражения составляет около 0,5 микрона. Эволюция распределения интенсивности пучка вдоль направления распространения показана на графике на фигуре 10в, где изменение распределения мощности моделируется на разных глубинах от рабочей плоскости (обозначено координатой 0 вдоль вертикальной оси z). В частности, эволюция распределения мощности была смоделирована в диапазоне глубин от 3 мм над до 3 мм под рабочей плоскостью с шагом 1 мм.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления способа изобретения реализуется расположение областей отражения отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненное с возможностью установления поперечного распределения мощности пучка в области рабочей плоскости на металлическом материале, имеющем кольцевой (тороидальный) профиль заданного диаметра. Распределение мощности кольцевого профиля показано на фигуре 11а, где верхний график представляет собой трехмерное представление нормализованной интенсивности пучка, а нижний график представляет собой двумерное представление распределения интенсивности пучка в плоскости фокусировки для типичного пучка с размером пятна фокусировки на рабочей плоскости с внешним радиусом около 180 мкм и внутренним радиусом около 40 мкм, при этом мощность внутри кольцевого профиля не превышает 1% от общей мощности пучка. Графики на фигуре 11б показывают трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, причем оси графика показаны не в масштабе, вертикальная ось выражена в микронах (в отличие от горизонтальных осей, выраженных в миллиметрах) для лучшего представления профиля. Максимальный сдвиг модулей перемещения подвижных областей отражения составляет около 5 микрон. Для достижения идеального кольцевого профиля необходимо модулировать отражающий элемент, чтобы сформировать поверхность конуса с углом в вершине, неосуществимым из-за наличия центральной области отражающего элемента с конечными размерами. Следовательно, реальный кольцевой профиль может быть достигнут, прибегая к определению подобной поверхности, но со скошенным профилем в вершине, что физически возможно. В любом случае, аппроксимация конической поверхности не ухудшает чрезмерно распределение мощности пучка с точки зрения количества энергии, рассеянной в центре пятна. Эволюция распределения интенсивности пучка вдоль направления распространения показана на графике на фигуре 11в, где изменение распределения мощности моделируется на разных глубинах от рабочей плоскости (обозначено координатой 0 на вертикальной оси z). В частности, эволюция распределения мощности была смоделирована в диапазоне глубин от 10 мм над до 50 мм под рабочей плоскостью с шагом 10 мм.
На фигурах 12а и 12б показано соответственно распределение мощности с кольцевым профилем (пончик) и трехмерная конфигурация поверхности деформируемого отражающего элемента в состоянии, в котором отражательный элемент расположен под углом 45 градусов относительно направления падения коллимированного пучка. Максимальный сдвиг модулей перемещения подвижных областей отражения составляет около 6 микрон.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления способа изобретения реализуется расположение областей отражения отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненное с возможностью установления поперечного распределения мощности пучка в области рабочей плоскости на металлическом материале, имеющем гауссов профиль заданного диаметра, перекрывающий кольцевой профиль вне гауссова профиля. Распределение мощности в соответствии с вышеупомянутым профилем показано на фигуре 13а, где верхний график демонстрирует трехмерное представление нормализованной интенсивности пучка, а нижний график демонстрирует двумерное представление распределения интенсивности пучка в плоскость фокусировки для типичного пучка, имеющего размер пятна фокусировки в области рабочей плоскости около130 микрон, причем мощность центрального профиля составляет 25% от общей мощности пучка. График на фигуре 13б показывает трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, причем оси графика показаны не в масштабе - вертикальная ось выражена в микронах (в отличие от горизонтальных осей, выраженных в миллиметрах) для лучшего представления профиля. Максимальный сдвиг модулей перемещения подвижных областей отражения составляет около 5 микрон. В зависимости от диаметра центральной плоской области отражающего элемента можно создавать различные профили при распределении общей мощности пучка между центральным профилем и окружающим кольцевым профилем. Эволюция распределения интенсивности пучка вдоль направления распространения показана на графике на фигуре 13в, где изменение распределения мощности моделируется на разных глубинах от рабочей плоскости (обозначено координатой 0 вдоль вертикальной оси z). В частности, эволюция распределения мощности была смоделирована в диапазоне глубин от рабочей плоскости до 60 мм под рабочей плоскостью с шагом 10 мм.
Как видно из приведенных графиков, для применений, связанных с модификацией гауссова распределения мощности для получения поперечного распределения мощности с плоским (плоский верх) или кольцевым (тороидальный) профилем, или в комбинации гауссова и кольцевого распределений, которые сохраняют круговую симметрию, отражающий элемент 200 с деформируемой управляемой поверхностью может включать в себя множество независимо перемещаемых областей отражения в форме радиально независимых круглых коронок.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления способа изобретения реализуется расположение областей отражения отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненное с возможностью установления поперечного распределения мощности пучка в области рабочей плоскости, имеющей гауссов профиль с эллиптическим сечением, предпочтительно имеющим ось симметрии в области рабочей плоскости, ориентированной в соответствии с местным направлением рабочей траектории, например ориентированной в направлении продвижения рабочей траектории. Распределение мощности с гауссовым эллиптическим профилем показано на фигуре 14а, где верхний график представляет собой трехмерное представление нормализованной интенсивности пучка, а нижний график представляет собой двумерное представление распределения интенсивности пучка в плоскости фокусировки типичного пучка (одномодового), имеющего оси пятна фокусировки на площади рабочей плоскости порядка 50 мкм и 85 мкм соответственно. График на фигуре 14б показывает трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, причем оси графика показаны не в масштабе, вертикальная ось выражена в микронах (в отличие от горизонтальных осей, выраженных в миллиметрах) для лучшего представления профиля. Максимальный сдвиг модулей перемещения подвижных областей отражения составляет около 10 микрон. Эволюция распределения интенсивности пучка вдоль направления распространения показана на графике на фигуре 14в, где изменение распределения мощности моделируется на разных глубинах от рабочей плоскости (обозначено координатой 0 вдоль вертикальной оси z). В частности, эволюция распределения мощности была смоделирована в диапазоне глубин от 20 мм над до 20 мм под рабочей плоскостью с шагом 5 мм.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления способа изобретения реализуется расположение областей отражения отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, выполненное с возможностью установления поперечного распределения мощности пучка в области рабочей плоскости металлического материала, имеющей профиль, подобный описанному Олсеном, то есть асимметричный сложный профиль, содержащий распределение пиковой первичной мощности с гауссовой формой и вторичное серповидное распределение мощности после первичного распределения мощности, предпочтительно имеющее ось симметрии в области рабочей плоскости и ориентированное в соответствии с локальным направлением рабочей траектории, например ориентированное в направлении продвижения рабочей траектории. Распределение мощности в соответствии с вышеупомянутым профилем показано на фигуре 15а, где верхний график представляет собой трехмерное представление нормализованной интенсивности пучка, а нижний график представляет собой двумерное представление распределения интенсивности пучка в плоскость фокусировки для типичного пучка, имеющего размер пятна фокусировки в области рабочей плоскости около 120 микрон, причем мощность первичного профиля составляет порядка 30% от общей мощности пучка. График на фигуре 15б показывает трехмерную конфигурацию поверхности отражающего элемента с деформируемой управляемой поверхностью, причем оси графика показаны не в масштабе, вертикальная ось выражена в микронах (в отличие от горизонтальных осей, выраженных в миллиметрах) для лучшего представления профиля. Максимальный сдвиг модулей перемещения подвижных областей отражения составляет около 4 микрон. Отражающий элемент деформируется с помощью расположения областей отражения, которые не являются радиально-симметричными: можно описать такое расположение, как перекрытие между деформацией, порождающей распределение в виде кольцевого гауссова типа, и расположение, которое восстанавливает наклонную плоскость по эталону. В зависимости от величины нарушения симметрии распределения областей отражения, можно создавать различные профили при распределении общей мощности пучка между первичным центральным профилем и окружающим вторичным профилем. Эволюция распределения интенсивности пучка вдоль направления распространения показана на фигуре 15в, где изменение распределения мощности моделируется на разных глубинах от рабочей плоскости (обозначено координатой 0 на вертикальной оси z). В частности, эволюция распределения мощности была смоделирована в диапазоне глубин от рабочей плоскости до 60 мм под рабочей плоскостью с шагом 10 мм.
Как видно на фигуре 15в, распределение мощности, описанное Олсеном, характеризуется возможностью одновременного выполнения и управления распределением первичной гауссовой мощности и серповидным вторичным распределением мощности, местоположение которого является функцией распространения вдоль оптической оси пучка, т.е. глубины рабочей плоскости. В предпочтительном варианте осуществления изобретения это позволяет в реальном времени управлять трехмерной обработкой материала, например, генерируя распределение мощности, при котором преобладают основное гауссово распределение мощности на рабочей плоскости поверхности материала, где требуется освещение, и, следовательно, нагрев передней поверхности в канавке, и серповидное вторичное распределение мощности в рабочей плоскости в объеме материала, где требуется освещение задней части расплавленного материала глубоко в материале и его выход из той же канавки, и который может прилипать к стенкам той же канавки из-за прогрессивного охлаждения, возникающего в результате недостаточного освещения лазерным пучком в случае гауссова распределения.
Пример обработки в соответствии со способом настоящего изобретения показан на фигуре 16, и, в частности, операция резки прямоугольного углубления У в материале М.
На фигуре показана запрограммированная рабочая траектория, обозначенная как T. Рабочая траектория включает в себя область С сверления, профиль З захода или соединения и режущий профиль Р, содержащий, например, последовательность прямых участков и изогнутых соединительных участков, образующих замкнутую линию.
Установка лазерной резки запрограммирована на выполнение непрерывной обработки путем изменения распределения мощности лазерного пучка, падающего на материал, в соответствии с текущей фазой обработки.
Расположение областей отражения средства формирования лазерного пучка контролируется с целью установления первого поперечного распределения мощности пучка гауссовского типа с наименьшим возможным фокусным пятном в области С сверления, с целью установления второго поперечного распределения мощности от более широкого гауссова типа к распределению с плоской вершиной, а затем к тороидальной форме для расширения диаметра сверления для вытеснения расплавленного материала, одновременного обеспечения вытекания материала и соответствующего освещения волнового фронта, когда по завершении сверления пучок начинает проходить через профиль подхода или соединения З. Третье поперечное распределение мощности пучка асимметричного типа, полученное с помощью комбинации гауссовой и серповидной форм, используется на режущем профиле Р, ориентированном в соответствии с локальным направлением рабочей траектории, последовательности прямых участков и изогнутых участков режущего профиля. При любых изменениях траектории острого края, следовательно, при локальных остановках движения поперечное распределение мощности также учитывает значение скорости, облегчая изменение направления выталкивания расплавленного материала и защитного газа, например, посредством эллиптического распределения мощности.
На фигуре 17 показан пример обработки в соответствии со способом по настоящему изобретению, и, в частности, временную последовательность эволюции распределения мощности, применимую во время процесса резки, выполняемого по заданной траектории, которая не показана в целом, но ее направление и назначение движения обозначены на фигуре стрелкой F.
Установка лазерной резки запрограммирована на выполнение работы без прерывания путем изменения распределения мощности лазерного пучка, падающего на материал, во времени и циклически в соответствии с законом, описанным ниже со ссылкой на фигуры 17a, 17б и 17в, где показаны соответственно вид сверху, вид сзади и вид сбоку обрабатываемой области A, которая непрерывно движется по заданной траектории после относительного перемещения между рабочей головкой и материалом.
Т1, ..., Т4 указывают точки падения лазерного пучка на обрабатываемый материал, очерченные вокруг положений оптической оси лазерного пучка и включенные в зону доставки потока защитного газа на рабочий материал, который является общей для всей рабочей области О. Следует отметить, что, как правило, для операций резки и/или сверления углеродистой стали толщиной от 4 мм до 30 мм, нержавеющей стали толщиной от 4 мм до 25 мм, алюминиевых сплавов толщиной от 4 до 15 мм, а также меди и латуни толщиной от 4 до 12 мм типичный размер зоны подачи потока защитного газа составляет от 1,8 до 4 мм.
Управляемое распределение мощности в рабочей зоне A получается путем объединения двух отдельных гауссовых пучков, выровненных в поперечном направлении относительно направления рабочей траектории, и, следовательно, может быть описано как поперечная электромагнитная мода TEM10. Это распределение можно получить путем деления отражающего элемента 200 средства формирования лазерного пучка на два полуэлемента 200’, 200’’, соединенных вдоль оси (диаметра) отражающего элемента с помощью центральной области и ориентируемых так, чтобы они образовали вогнутый двугранный угол (порядка 0,1–0,3 градуса), обращенный к пространству распространения лазерного пучка, как показано на фигуре 18. Следует понимать, что диаметр соединения двух полуэлементов отражающего элемента может быть любым из диаметров, определенных расположением модулей перемещения. Каждый отражающий полуэлемент 200', 200'' выполнен с возможностью генерировать поперечное гауссово распределение мощности (путем разделения исходного пучка), и соответствующие модули перемещения управляются таким образом, чтобы совершать заранее определенные общие наклонные движения полуэлемента в целом относительно их соответствующих состояний покоя, предпочтительно синхронно друг с другом и в зеркальном отражении, которые определяют пространственное смещение пятна лазерного пучка на рабочем материале.
Относительное положение соответствующей оптической оси распространения двух гауссовых пучков изменяется во времени в соответствии с пространственным законом, показанным на фигурах. Движение двух пучком в рабочей зоне происходит синхронно в соответствии с локальным направлением рабочей траектории и в последовательностью рабочих плоскостей. Это можно описать, ссылаясь на фигуры 17a, 17б и 17в, путем объединения следующих перемещений:
1) Центр тяжести общего распределения мощности с течением времени перемещается в соответствии с локальным направлением рабочей траектории Ф и совпадает с осью подачи потока защитного газа или находится на расстоянии от оси подачи потока защитного газа, не превышающем половина радиуса сечения сопла, в направлении перемещения рабочей траектории.
2) В проекции на горизонтальную плоскость фигуры 17а оптическая ось каждого из двух гауссовых пучков перемещается локально в соответствии с эллиптической траекторией вокруг соответствующего заданного геометрического центра тяжести временного оборота, соответственно по часовой стрелке справа от центра тяжести общего распределения мощности относительно направления процесса продвижения и против часовой стрелки слева от центра тяжести общего распределения мощности относительно направления процесса продвижения, на расстоянии от 0,3 до 2 радиусов пятна фокусировки одиночного пучка с области сужения от соответствующего центра тяжести вращения.
3) Во время движения с вращением во времени вокруг соответствующего заданного центра тяжести расположение фокусирующей плоскости каждого из двух гауссовых пучков вдоль соответствующей оптической оси распространения изменяется по глубине по толщине материала с обратной эволюцией, по траектории в форме параллелограмма в проекции на сагиттальную плоскость на фигуре 17в, которая определяет эволюцию оптической оси каждого из двух гауссовых пучков в проекции на фронтальную плоскость, показанную на фигуре 17б.
4) Центры тяжести вращения оптической оси каждого из двух гауссовых пучков продвигаются с течением времени в соответствии с направлениями, параллельными направлению движения центра тяжести общего распределения мощности, соответственно вправо и влево от него, определяя в проекции на переднюю плоскость и на сагиттальную плоскость - общую эволюцию по синусоидальной схеме.
Перемещения, описанные в предыдущих шагах 1–4, представлены на фигуре ориентированными прямыми. Т1 указывает точку фокусировки каждого гауссова пучка на поверхности материала в локально более продвинутом положении в соответствии с рабочей траекторией Ф. Т2‘ и Т2’’ указывают отдельные пятна фокусировки гауссовых пучков на первой промежуточной глубине в объеме материала и в первом промежуточном положении, отведенном по сравнению с положением Т1 относительно рабочей траектории Ф при вращательном движении вокруг соответствующего заданного геометрического центра тяжести вращения во времени. Т3‘ и Т3’’ указывают отдельные точки фокусировки гауссовых пучков на максимальной глубине в объеме материала и во втором промежуточном отведенном положении по сравнению с положением Т1 и далее отведенном по сравнению с положениями Т2’ и Т2‘’ относительно рабочей траектории Ф, во время поворотного движения вокруг соответствующего заданного геометрического центра тяжести вращения во времени. Наконец, Т4 указывает точку фокусировки каждого гауссова пучка на второй промежуточной глубине в объеме материала и в третьем промежуточном отведенном положении по сравнению с положением Т1 относительно рабочей траектории Ф во время вращательного движения вокруг соответствующего заданного геометрического центра тяжести вращения во времени.
Такая обработка проводится, например, для резки стального листа толщиной 10 мм в защитном слое азота со стандартной скоростью подачи по заданной рабочей траектории от 1000 до 2000 мм/мин. Частота циклического управления распределением мощности пучка составляет, по меньшей мере, 500 Гц и предпочтительно 1 кГц или, в более общем случае, является целым кратным v/2D, где v - скорость продвижения центра тяжести общего распределения мощности, выраженная в микрон/сек, а D - диаметр пятна фокусировки лазерного пучка в области сужения, выраженный в микронах, и позволяет получить структурированный видимый объем взаимодействия, создаваемый быстрым локальным смещением пары гауссовых пучков. Два пучка встречаются на поверхности материала в положении Т1, чтобы обеспечить максимальное количество энергии для переднего края резки, затем опускаются вглубь и на заднюю часть материала, который должен быть вытеснен, чтобы сохранить его текучим. Преимущество этого способа обработки, в целом, позволяет поддерживать или увеличивать усилие резки на передней поверхности, увеличивать силу вытеснения самого материала, что приводит к уменьшению потребности в защитном газе.
Понимается, что в предыдущем примерном варианте осуществления изобретения гауссовы распределения мощности могут распространяться на другие типы распределения мощности лазерного пучка, генерируемого каждым полуэлементом, одинаковые или отличающиеся друг от друга, и другие перемещения, зеркальные или не зеркальные, каждого пучка.
Разумеется, без изменения принципа изобретения варианты осуществления и детали реализации могут широко варьироваться в зависимости от того, что описано и проиллюстрировано исключительно в качестве неограничивающего примера, не отходя тем самым от объема охраны изобретения, определенного по прилагаемой формуле изобретения.