Устройство для лазерной обработки материалов

Полезная модель относится к устройствам для лазерной обработки материалов и может быть использована для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков.
Из уровня техники известно устройство послойного получения трехмерного объекта из порошкообразного материала, содержащее технологическую платформу для послойного размещения порошкообразного материала, модуль для нанесения и уплотнения слоев порошкового материала на платформу или на ранее упрочненный слой, содержащего нож, с возможностью его возвратно-поступательного перемещения вдоль платформы, лазерный узел, установленный с возможностью селективной обработки порошкового материала каждого слоя на платформе до формирования готового объекта (Патент РФ на изобретение №2370367, В29С 67/00, 2006 г.).
Недостатком известного технического решения является низкое качество микроструктуры получаемых изделий, обусловленное отсутствием возможности контроля процесса и оперативной корректировки рабочих параметров.
Наиболее близким к завяленному - прототипом - является лазерное устройство маломодового излучения для термической обработки материалов, где применяется одновременная лазерная обработка двумя лазерами, работающими в разномодовом режиме, а направление лучей в зону обработки осуществляется поворотным зеркалом с отверстием, диаметр которого равен диаметру пятна лазера, работающего в режиме ТЕМ00 моды (RU 4092 U1, опубл. 16.05.1997).
К недостаткам прототипа следует отнести использование зеркала с нерегулируемым диаметром отверстия, что делает невозможным его применение с другими лазерными источниками, имеющими отличный диаметр лазерного луча. Также это делает невозможным изменение диаметра лазерного луча.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства лазерной обработки материалов с расширенными возможностями режимов обработки материалов за счет их регулировки.
Технический результат заключается в расширении технологических возможностей.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что устройство для лазерной обработки материалов, включающее основной лазер, выполненный с возможностью направления луча в зону обработки, дополнительный лазер, поворотное зеркало с отверстием, установленное с возможностью беспрепятственного прохождения луча основного лазера через упомянутое отверстие и перекрытия периферии луча дополнительного лазера с его отражением в зону обработки концентрично лучу основного лазера, содержит поглотитель лазерного излучения, установленный оппозитно дополнительному лазеру относительно зеркала, а зеркало выполнено в виде ирисовой диафрагмы с лепестками с двухсторонней зеркальной поверхностью.
Полезная модель поясняется изображениями, где:
- на Фиг. 1 представлена схема заявленного устройства для лазерной обработки материалов;
- на Фиг. 2 представлено поворотное зеркало, выполненное в виде ирисовой диафрагмы с отражающими поверхностями.
- на Фиг. 3 схематично представлено пятно нагрева.
Позиции согласно представленным изображениям означают следующее:
1 - основной источник лазерного излучения;
2 - дополнительный источник лазерного излучения;
3 - коллиматор;
4 - ирисовая диафрагма с отражающими поверхностями;
5 - средство поглощения лазерного излучения;
6 - система позиционирования лазерного луча;
7 - рабочая поверхность;
8 - рабочий лучевой тракт;
9 - излучение основного лазера;
10 - излучение дополнительного лазера;
11 - фокусирующая линза;
12 - отражающая поверхность ирисовой диафрагмы;
13 - зона воздействия основного лазера;
14 - зона воздействия дополнительного лазера.
Полезная модель основана на выполнении поворотного зеркала в виде ирисовой диафрагмы с отражающими поверхностями, которая имеет возможность изменения диаметра центрального отверстия, центр которого расположен на пересечении осей рабочих трактов основного и дополнительного лазеров установки, для формирования лазерного пятна с непересекающимися концентричными областями лазерного воздействия регулируемого размера.
Лазерный луч, генерируемый источником, характеризуется многими параметрами. Кроме длины волны, мощности и пространственных параметров, лазерный луч имеет собственные колебания или моды. Свет внутри резонатора отражается многократно от зеркал, и из-за явления интерференции, только определенные пространственные структуры и частоты излучения сохраняются в резонаторе, другие подавляются деструктивной интерференцией. Структуры, которые повторяются на каждом проходе света через резонатор, являются наиболее стабильными, и это собственные моды, или моды резонатора. Моды резонатора можно разделить на два типа: продольные моды, которые отличаются по частоте от друга; и поперечные моды, которые могут отличаться как по частоте, так и по интенсивности распределения в пучке.
Базовой модой лазера любого типа является ТЕМ00 мода, также называемая Гауссовым распределением, где распределение электрического поля и излучения в поперечном сечении хорошо аппроксимируется функцией Гаусса.
Все виды резонаторов, использующиеся при конструировании лазеров, формируют многомодовый лазерный луч. В результате пятно лазерного воздействия имеет сложную комбинированную структуру из различных мод, наложенных друг на друга. Такая концепция практически не применима в промышленности, где используется, в основном, только Гауссово распределение (ТЕМ00 мода). Для исключения воздействия других мод, формируемых резонатором, лазерные установки оснащаются специальными апертурами с подобранным определенным диаметром отверстия, либо сами зеркала резонатора имеют определенный размер.
Ввиду малой распространенности лазеров, работающих на модах более высокого порядка, их стоимость значительно выше. С другой стороны, существует возможность модуляции лазерного излучения и получение таким образом из моды ТЕМ00 мод высшего порядка, однако такой подход предполагает использование дорогостоящих и сложных технических средств.
Одновременное использование нескольких лазерных источников позволяет расширить технологические возможности операций. Однако в этом случае, без использования дополнительных средств, происходит наложение пятен лазерного излучения с соответствующим увеличением сообщаемой энергии. Температура сильно влияет на микроструктуру материала, которая в свою очередь, во многом определяет физико-механические свойства. В частном случае, селективное лазерное плавление характеризуется полным расплавлением порошка и быстрой кристаллизацией, поэтому во время процесса происходят фазовые превращения, на протекание которых влияет количество сообщенного тепла. Недостаточный нагрев может привести лишь к частичному расплавлению гранул порошка, что приведет гетерогенности единичных валиков (а вместе с ними и изделия, так как оно является суперпозицией единичных треков), возникновению в них пор, а также большому количеству ликваций.
Избыточный энерговклад может привести к испарению материала, что негативно скажется на геометрии трека, и, как следствие, точности размеров изделия. Кроме этого, при работе с двумя и более видами материала (смесь порошков, подложка), всегда есть опасность перегреть более легкоплавкий металл, что может также привести к его испарению, кипению, и в некоторых случаях нежелательному перемешиванию. Все это ведет к значительному порообразованию, трещинообразованию, выделению нежелательных фаз, гетерогенности микроструктуры, неравномерной усадке. Перемешивание слоев -нежелательный эффект, который образуется при высокой концентрации мощности излучения в одной точке. При этом первый слой изделия неизбежно перемешивается с подложкой, в результате чего получается сплав этих материалов со своими физико-химическими свойствами. Все последующие слои, без внесения поправок в рабочие параметры процесса, будут переплавляться с предыдущими, что приведет к многочисленному переплавлению треков. Из-за действия силы тяжести и остаточных напряжений эти валики при постоянном переплавлении и кристаллизации будут нарушать заданную геометрию изделия. Кроме этого многие материалы с увеличением температуры утрачивают жаростойкость и начинают окисляться.
Кроме этого, каждый единичный валик всегда характеризуется зоной, свободной от порошка. Гранулы порошка имеют неправильную форму и, при нанесении очередного слоя, между ними остаются полости. При воздействии лазера тепло распространяется от эпицентра к периферии и там, где достаточно энергии, частицы расплавляются, а более плотный расплав, соответственно, занимает меньший объем. Расплавленные частицы, находящиеся сравнительно далеко от валика имеют свойство консолидироваться, тем самым также освобождая место. Этот эффект влияет на минимальное расстояние между треками при формировании изделия. Для оптимизации процесса необходимо, чтобы ширина зоны, свободной от порошка стремилась к значению ширины валика.
Использование лазерного пятна с непересекающимися концентричными областями лазерного воздействия позволит осуществлять предварительный нагрев материала до его обработки основным лазером. Такой подход позволит уменьшить необходимую мощность основного лазера, что приведет к уменьшению пикового показателя сообщаемой энергии при обычном (Гауссовом) распределении плотности мощности, которое является причиной т.н. «кинжальных» проплавлений, перегревов и испарений.
Поглощение обрабатываемым материалом энергии зависит также от длины волны источника лазера. Эта особенность позволит для каждого типа материала подобрать свою пару основного и дополнительного лазера.
Формирование лазерного пятна с непересекающимися концентричными областями лазерного воздействия возможно при использовании поворотного зеркала с центральным отверстием, ось которого лежит на рабочем тракте основного лазера, под углом в ∠45° к дополнительному источнику лазера. При этом конструкция зеркала представляет собой ирисовую диафрагму (например, описанную в патенте №1686402 от 23.10.1991), лепестки которой выполненными двухсторонне зеркальными, отражающими лазерное излучение как от дополнительного, так и от основного лазеров. Такая конструкция позволяет регулировать величину центрального отверстия, изменяя соотношение между зонами обработки основного и дополнительного лазеров.
Ирисовая диафргама с отражающими поверхностями состоит из набора тонких дугообразных пластинок (лепестков), кольцевой оправы и поворотного кольца. Лепестки имеют на концах штифты. Один штифт (осевой) каждого лепестка входит в отверстие кольцевой оправы, другой (ведомый) - в соответствующий радиальный паз поворотного кольца. При повороте коронки все лепестки поворачиваются в оправе, изменяя диаметр отверстия в диафрагме.
Как правило, диаметр центрального отверстия целесообразно выбирать так, чтобы через него проходил эффективный диаметр лазерного луча, который для Гауссового распределения высчитывается по формуле (Siegman А.Е. «How to (maybe) measure laser beam quality», 1997 г.):
,
o
o
где: D - диаметр отверстия, D - диаметр лазерного луча, I - максимальное значение интенсивности.
Как правило, минимальный диаметр пятна твердотельного и волоконного лазеров составляет 120 мкм.
В частном случае используется ирисовая диафрагма с отражающими поверхностями с количеством лепестков 10 шт.и минимальной апертурой 100 мкм.
При такой конфигурации ирисового зеркала центральное отверстие представляет собой многоугольник с 10 сторонами. Площадь такого отверстия отличается от номинально выставляемой на 2% (М.Я. Кругер и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов, 1968 г.). Ввиду того, что это приращение площади происходит на периферии, где интенсивность моды ТЕМ00 существенно ниже, чем в центре, то эта неточность не является критической. Это изменение площади уменьшается с увеличением количества используемых пластинок и стремится к номинальному значению.
Регулировка центрального отверстия может происходить исходя из необходимого диаметра отверстия, при этом расчет сообщаемой мощности от основного лазера будет вычисляться по формуле (Siegman А.Е. «How to (maybe) measure laser beam quality», 1997 г.):
,
о
где: I(x) - интенсивность основного лазера в пятне, радиусом r, σ - среднеквадратичное отклонение, е - постоянная Эйлера, I - номинальная мощность основного лазера.
Соответственно высчитывается мощность, которая приходится на зону воздействия от дополнительного лазера:
о
где: I’(x) - интенсивность дополнительного лазера в пятне, радиусом r, σ - среднеквадратичное отклонение, е - постоянная Эйлера, I’ - номинальная мощность дополнительного лазера.
При неполном перекрытии луча основного лазера часть луча отражается от зеркала и становится нежелательным излучением. Также нежелательным излучением становится луч дополнительного лазера, который беспрепятственно прошел через центральное отверстие ирисового диафрагмы с отражающими поверхностями. Для их нейтрализации в установке предусмотрено средство поглощения лазерного излучения, установленное соосно с дополнительным источником лазера, а поворотное зеркало закреплено таким образом, чтобы при частичном перекрытии направлять часть излучения основного лазера в зону обработки через центральное отверстие, нежелательное излучение отражать в оптический поглотитель, с другой стороны - отражать часть излучения дополнительного лазера в зону обработки и не препятствовать прохождению нежелательного излучения дополнительного лазера в оптический поглотитель.
Устройство для лазерной обработки материалов (на примере устройства лазерного плавления/спекания порошкового материала) работает следующим образом.
Лазерный источник 1, настроенный на моду ТЕМ00, генерирует лазерное излучение 9, которое проходит через коллиматор 3 и следует вдоль рабочего тракта 8 и попадает на поворотную ирисовую диафрагму с отражающими поверхностями 4. Часть излучения 9 беспрепятственно проходит через центральное отверстие, попадает в сканирующее устройство 6 и фокусируется объективом 11 на рабочую поверхность 7. Часть излучения 9 отражается от поверхности ирисового зеркала 4 и направляется в оптический поглотитель излучения 5. Лазерный источник 2, настроенный на моду ТЕМ00 и расположенный на одной оси с оптическим поглотителем 5, генерирует излучение 10, часть которого попадает на отражающую поверхность зеркала 4 и направляется вдоль рабочего тракта установки 8 в сканирующее устройство 6, после чего объективом 11 фокусируется на рабочей поверхности 7. Часть излучения 10 беспрепятственно проходит через центральное отверстие ирисового зеркала 4 и попадает в оптический поглотитель 5.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - создание устройства лазерной обработки материалов с расширенными возможностями режимов обработки материалов за счет их регулировки - решена, а заявленный технический результат - расширение технологических возможностей - достигнут.
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для лазерной обработки материалов и может быть использован для порошкового спекания, сварки, пайки, резки металлов и сплавов, композиций и ряда пластиков, и может найти применение в различных отраслях машиностроения;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует условий патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.