Технологічна установка для трепанації отворів лазерним променем

Реферат: Технологічна установка для трепанації отворів лазерним променем утримує лазер та розташовані послідовно вздовж осі його променя афокальний телескоп, який складається із негативної та позитивної лінз із суміщеними передніми фокальними площинами, аксікон з кутом біля основи 5 , розташований на відстані l від позитивної лінзи телескопа, та об'єктив. Всередині телескопа з можливістю осьового і радіального переміщення та обертання навколо осі променя встановлено біпризму. UA 119174 U (54) ТЕХНОЛОГІЧНА УСТАНОВКА ДЛЯ ТРЕПАНАЦІЇ ОТВОРІВ ЛАЗЕРНИМ ПРОМЕНЕМ UA 119174 U UA 119174 U 5 10 Корисна модель належить до лазерної обробки отворів різного розміру без переналагодження складу та взаємного положення оптичної системи методом їх вирізання скануючим променем та може використовуватися як спеціалізована технологічна установка. Відома технологічна установка для обробки отворів шляхом трепанації їх порожнини лазерним променем з попереком кільцевого профілю, яка утримує лазер та розташовані послідовно на осі його променя аксікон (конічна лінза) та об'єктив [1]. Внаслідок перетворення лазерного променя циліндричної форми аксіконом в кільцевий промінь, що сходиться та розходиться, об'єктив, співвісний з аксіконом, на який він потрапляє, концентрує його енергію в кільце діаметром D  ftg[(n  1)) , розташоване в фокальній площині і на поверхні заготівки, де: f - фокусна відстань об'єктива, n - показник заломлення матеріалу аксікона,  - кут біля основи аксікона. При достатньому в лазерному імпульсі рівню енергії для створення в зоні концентрації променя інтенсивності Ip  E /( d0D / 4) більшого значення, ніж потрібне для випаровування матеріалу заготівки ( Iвип  107 Вт/см - для металів), в результаті діяння одного p або декількох імпульсів буде створено отвір (або лунка) відповідного розміру ( E - імпульсна енергія,  - його тривалість, d0 - ширина зони опромінення: d0  fпр , пр - кут розбіжності 2 15 20 25 30 35 променя). Недоліками відомого рішення є складність керування розміром отвору: або зміненням фокусної відстані лінзи F, або параметрами аксікону (n, ) , тобто заміною складових оптичної системи. До того ж, заміна складових викликає необхідність в додатковому налагодженні взаємного положення об'єктиву та заготівки. А головний недолік пов'язаний з вимогою використання потужного лазера внаслідок необхідності створення достатнього рівня інтенсивності в зоні опромінення великої площі, наприклад, для трепанації отвору ø5 мм в заготівці із сталі лазерним променем з кутом розбіжності θ=3 мрад при використанні об'єктиву f=100 мм імпульсна енергія повинна бути Е11,8 Дж за тривалістю імпульсу τ=100 мкс. У + сучасних технологічних лазерів на стрижнях або дисках YAG: Nd імпульсна енергія не перевищує 1 Дж при частоті їх надходження до 25 кГц. Більш близьким до запропонованої технологічної установки є установка за [2], яка утримує лазер та розташовані послідовно вздовж осі його променя афокальний телескоп, який складається із негативної та позитивної лінзи із суміщеними передніми фокальними площинами, аксікон з кутом біля основи 5 , розташований на відстані l від позитивної лінзи телескопу, та об'єктив, а в середині телескопу з можливістю осьового переміщення встановлено додатковий аксікон з кутом біля основи 3 , який пов'язаний з кутом 5 співвідношенням: 3  5 / | (1  d2 max / f4 ) , де: d2 max - максимальна відстань між позитивною лінзою телескопу та аксіконом в його осьовому переміщенні, f4 - фокусна відстань позитивної лінзи телескопу, причому відстань від останньої до аксікона l повинна дорівнювати: l 40 45 50 r Г m  3 (n  1)d2 max , tg[3 (n  1)(1  d2 max / f4 )] де: r - радіус лазерного променя; Гm  f1 / f2 - збільшення телескопу; n - показник заломлення матеріалу аксікону та біпризми. Ця корисна модель має той же недолік, що і аналог - необхідність в суттєвому рівні імпульсної енергії для одночасного випару матеріалу з кільцевого контуру отвору при його формуванні трепанацією. Задачею корисної моделі є зниження вимог до рівня енергетичних характеристик імпульсів випромінювання шляхом змінення технологічної схеми трепанації та розширення її можливостей. Задача вирішується в технологічній установці для трепанації отворів лазерним променем, яка утримує лазер та розташовані послідовно вздовж осі його променя афокальний телескоп, який складається із негативної та позитивної лінзи із суміщеними передніми фокальними площинами, аксікон з кутом біля основи 5 , розташований на відстані l від позитивної лінзи телескопа, та об'єктив, причому всередині телескопа з можливістю осьового і радіального переміщення та обертання навколо осі променя встановлено біпризму з кутом біля основи 3 , який пов'язаний з кутом 5 аксікона співвідношенням: 3  5 / | (1  d2 max / f4 ) , де: d2 max максимальна відстань від позитивної лінзи телескопа до біпризми в її осьовому переміщенні, f4 1 UA 119174 U - фокусна відстань позитивної лінзи телескопу, а відстань від останньої до аксікона l повинна дорівнювати: l 5 10 15 20 , tg[3 (n  1)(1  d2 max / f4 )] де: r - радіус лазерного променя; Гm  f1 / f2 - збільшення телескопа; n - показник заломлення матеріалу аксікона та біпризми. На фіг. 1 - фіг.5 зображена схема корисної моделі, та її деталі, де позначено: 1 - лазер; 2 передня лінза (негативна) афокального телескопа з фокусною відстанню - f2 , 3 - біпризма з кутом у основи 3 ; 4 - задня лінза (позитивна) афокального телескопа з фокусною відстанню f1 ; 5 - аксікон з кутом біля основи 05; 6 - оправка біпризми; 7 - ексцентрична втулка; 8 - об'єктив; 9 заготівка; 10 - отвір, що обробляється; 11 - стакан біпризми. Технологічна установка працює наступним чином. Лазер 1 генерує цільний циліндричний пучок діаметром f2 , який, проходячи через негативну лінзу 2, біпризму 3 і позитивну лінзу 4, перетворюється у два пучки (фіг. 1) внаслідок заломлення на оптичних клинах біпризми 3 (фіг. 3). Далі ці пучки надходять на аксікон 5, у якому кут біля основи 5 вибрано таким чином, щоб після заломлення на ньому пучки поширювалися паралельно оптичній осі системи за кутом падіння променя на аксікон 5, який відповідає максимальній відстані d2 max між лінзою 4 телескопа та біпризмою 3 (фіг.1). Це досягається за таких умов: кути біля основ біпризми 3 і аксікона 5 співвідносяться, як: 5  3 (1  d2 max / f4 ) • відстань розташування аксікона 5 відносно лінзи 4 l повинна перевищувати відстань до перетяжки лінзи 4: l 25 r Г m  3 (n  1)d2 max r Г m  3 (n  1)d2 max . tg[3 (n  1)(1  d2 max / f4 )] При виконанні таких умов плавне змінення діаметрів кільцевих контурів D (отворів) 10 виконується внаслідок переміщення біпризми 3 вздовж осі оптичної системи відносно лінзи 4 та її обертанні навколо осі променя на кут π і пояснюється кресленнями фіг.1 та фіг.4. При цьому діаметр кільця в фокальній площині об'єктива визначається за рівнянням: D  2fоб3 (n  1)(1  d2 / fоб ) , де: fоб - фокусна відстань об'єктива. Реальний розмір отвору після трепанації складається з діаметру сканування D та діаметра сфокусованого променя на поверхні заготівки d0 : 30 35 40 45 Dотв  D  d0 та формується послідовним випаровуванням її матеріалу вздовж контуру переміщення - кола діаметром D. Сумарна імпульсна енергія в лазерному промені визначається 7 2 необхідністю створення відповідного рівня інтенсивності (> 10 Вт/см ) в зоні опромінення 2 діаметром d0  fоб  , тобто E  2  Ip   (d0 / 4) . Для режиму опромінення із прикладу, наведеного вище, це дорівнює Е=1,4 Дж, що майже в 10 разів менше потрібного для схеми кільцевої трепанації. Розмір контуру переміщення D може плавно змінюватися внаслідок переміщення біпризми на відстань d 2 в межах: d2mim  d2  d2 max , які визначаються параметрами телескопа 2-4. При цьому довжина робочого відрізку d5 не буде змінюватися при переміщенні біпризми 3 і визначається фокусною відстанню об'єктива 8 (fоб ) . Додаткова можливість додається оптичній системі внаслідок надання функції зміщення біпризмі 3 з осі променя на величину ексцентриситету є (фіг. 2), що призводить до керованого змінення енергонасиченості променів після їх заломлення біпризмою 3. Один з них (на фіг. 2 - нижній) буде мати більшу енергію та може виконувати більш енергоємну частину операції (фіг. 5), наприклад, вирізання контуру отвору, а другий - формування фаски у вхідній його частині, або виконувати зварювання листових заготівки внахльост кільцевими заклепками у режимі глибокого (кинджального) проплавлення, а менш енергетичним - виконувати "лікування" гирла зварювального шва. Для виконання такої операції потрібно її виконувати протягом обертання біпризми на цілий оберт. Таким чином, поставлена задача вирішена, в тому числі - зниження вимог до імпульсної енергії променя та розширення можливості операції внаслідок двох променевої обробки отвору. 50 2 UA 119174 U 5 Джерела інформації: 1. Вейко В.П. Лазерная микрообработка. - Санкт-Петербург: ГУ ИТМО, 2007.-111 с, рис. 6.38а 2. Малащенко А. Т., Мышковец В. Н., Покаташкин Г. Л., Установка для лазерной обработки кольцевым пучком. Патент РФ № 2068328 В23К 26/00 on. 27.10.1996 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Технологічна установка для трепанації отворів лазерним променем, яка утримує лазер та розташовані послідовно вздовж осі його променя афокальнийтелескоп, який складається із негативної та позитивної лінз із суміщеними передніми фокальними площинами, аксікон з кутом біля основи 5 , розташований на відстані l від позитивної лінзи телескопа, та об'єктив, яка відрізняється тим, що всередині телескопа з можливістю осьового і радіального переміщення та обертання навколо осі променя встановлено біпризму з кутом біля основи 3 , який 5 аксікону співвідношенням: 3  5 /(1  d2 max / f4 ) , де: d2 max максимальна відстань від позитивної лінзи телескопа до біпризми в її осьовому переміщенні, f4 - фокусна відстань позитивної лінзи телескопа, а відстань від останньої до аксікона дорівнює: r Г m  3 (n  1)d2 max l , tg[3 (n  1)(1  d2 max / f4 )] 15 пов'язаний з кутом 20 де:  - радіус лазерного променя; Гm  f1 / f2 - збільшення телескопа ( f1 ; f2 - фокусні відстані його складових лінз); n - показник заломлення матеріалу аксікона та біпризми. 3 UA 119174 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4