RU2140836C1

RU2140836C1 - Apparatus for focusing laser beam

Info

Publication number: RU2140836C1
Application number: RU98109170A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Калинин; А.Е. Полуда
Original assignee: Военный автомобильный институт
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-11-10

Abstract

FIELD: apparatuses for cutting, drilling, treating surface, particularly for face hardening, applying powder coatings and polishing with use of laser beam. SUBSTANCE: apparatus includes mechanism for changing geometry of laser beam. Said mechanism has toothed racks arranged on inner wall of protective casing and on housing of focusing system. Toothed racks engage with gear wheels of drive units. One drive unit is arranged in inner part of housing, other drive unit - on outer surface of housing. It is possible to use electric drive units. EFFECT: possibility of adjusting "spot" dimension and constrictions of laser beam. 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для резки, сверления, обработки поверхности, а более конкретно для поверхностного упрочнения, нанесения порошковых покрытий и полирования с помощью лазерного луча. The invention relates to devices for cutting, drilling, surface treatment, and more specifically for surface hardening, powder coating and polishing using a laser beam.

Известно устройство для резки и сверления с помощью лазерного луча (Патент Великобритании N 1547172, B 23 K 27/00, 9/00), содержащее корпус, защитный кожух, в центральной части которого расположено рассеивающее зеркало на стойках и электрода в нижней части рассеивающего зеркала. A device for cutting and drilling using a laser beam (British Patent N 1547172, B 23 K 27/00, 9/00), comprising a housing, a protective casing, in the Central part of which there is a scattering mirror on the uprights and an electrode in the lower part of the scattering mirror .

Однако при использовании этого устройства невозможно:
регулировать длину перетяжки и величину "пятна падения" лазерного луча, так как фокусирующая система зафиксирована в одном положении (неизменна);
использовать отраженный от детали луч, так как отсутствуют зеркало для улавливания отраженного (рассеянного) луча и фокусирование его на детали;
защитить зону обработки (поверхность детали) от воздействия окружающей среды при изменении рассеяния от фокусирующей системы до детали, так как защитный кожух имеет фокусированный размер.However, using this device is not possible:
adjust the length of the waist and the magnitude of the "spot of incidence" of the laser beam, since the focusing system is fixed in one position (unchanged);
use the beam reflected from the part, since there is no mirror to capture the reflected (scattered) beam and focus it on the part;
protect the treatment area (part surface) from environmental influences when scattering changes from the focusing system to the part, since the protective casing has a focused size.

Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей данного устройства и повышение производительности обработки. The invention is aimed at expanding the functionality of this device and improving processing performance.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство дополнительно введен механизм изменения геометрии лазерного луча, выполненный из зубчатых реек, расположенных на внутренней стенке защитного кожуха и на корпусе фокусирующей системы, которые входят в зацепление с шестернями приводов, например электрического, последние из которых расположены во внутренней части корпуса, а другой - на внешней его поверхности. The solution to this problem is achieved by the fact that the device additionally introduces a mechanism for changing the geometry of the laser beam, made of gear racks located on the inner wall of the protective casing and on the body of the focusing system, which are engaged with gears of drives, for example, electric, the last of which are located the inner part of the body, and the other on its outer surface.

Существенным отличием предложенного устройства является использование отраженного лазерного луча от каверны расплавленного металла посредством фокусирующего зеркала, расположенного в нижней части рассеивающего зеркала, установленного на стойках, и увеличения длины защитного кожуха посредством двух приводов с рейками и шестернями. A significant difference of the proposed device is the use of a reflected laser beam from a cavity of molten metal by means of a focusing mirror located in the lower part of the scattering mirror mounted on racks and increasing the length of the protective casing by means of two drives with racks and gears.

По сравнению с известным устройством данное устройство позволяет исключать перемещение положения обрабатывающей поверхности в вертикальной плоскости, увеличивает КПД за счет использования отраженного луча и производительность. Compared with the known device, this device allows to exclude the displacement of the position of the processing surface in the vertical plane, increases the efficiency due to the use of the reflected beam and productivity.

На чертеже изображено предлагаемое устройство, общий вид. The drawing shows the proposed device, General view.

Устройство для фокусировки лазерного луча состоит из корпуса 4, шестерни 2, входящей в зацепление с зубчатой рейкой 3, закрепленной на корпусе 4, подвижного кожуха 5, сменного защитного конуса 10, закрепленного на нижней части подвижного кожуха 5 посредством крепежно-юстировочного устройства 8, рассеивающего зеркала 7, расположенного в центральной части подвижного кожуха 5 посредством стоек 11, фокусирующего зеркала 9, расположенного в нижней части рассеивающего зеркала 7, шестерни 12 привода подвижного кожуха 5, входящей в зацепление с зубчатой рейкой 13, закрепленной на внутренней стенке подвижного кожуха 5. The device for focusing the laser beam consists of a housing 4, gear 2, which engages with a gear rack 3, mounted on the housing 4, a movable casing 5, a removable protective cone 10, mounted on the lower part of the movable casing 5 by means of a mounting-adjustment device 8, scattering a mirror 7, located in the central part of the movable casing 5 by means of struts 11, a focusing mirror 9, located in the lower part of the scattering mirror 7, gear 12 of the drive of the movable casing 5, which engages with the gear eykoy 13 fixed to the inner wall of the movable cover 5.

В корпусе 4 выполнен сквозной канал 1 для подачи лазерного луча на рассеивающее зеркало 7 и защитного газа, например, аргона, азота. Ведущая шестерня 2 предназначена для перемещения корпуса 4, на котором закреплена зубчатая рейка 3, с которой она входит в зацепление, в результате этого перемещения (по вертикальной оси) изменяется положение точки А (фокуса фокальной плоскости). In the housing 4 there is a through channel 1 for supplying a laser beam to a scattering mirror 7 and a protective gas, for example, argon, nitrogen. The pinion gear 2 is designed to move the housing 4, on which the gear rack 3 is fixed, with which it engages, as a result of this movement (along the vertical axis) the position of point A (focus of the focal plane) changes.

Ведущая шестерня 12 предназначена для перемещения подвижного кожуха 5, на котором закреплена зубчатая рейка 13, с которой она входит в зецепление, в результате этого перемещения изменяются площадь "пятна" падающего (основного) на луч на деталь и длина перетяжки лазерного луча. The pinion gear 12 is designed to move the movable casing 5, on which the gear rack 13 is fixed, with which it engages, as a result of this movement the area of the "spot" of the incident (main) beam on the beam on the part and the length of the waist of the laser beam are changed.

Фокусирующее зеркало 9 предназначено для улавливания отраженного (рассеянного) от обрабатываемой поверхности детали (каверны расплава) лазерного луча и фокусирования его на деталь. The focusing mirror 9 is designed to capture the reflected (scattered) from the workpiece surface of the part (melt cavity) of the laser beam and focus it on the part.

Стойки 11 фиксируют рассеивающее 7 и фокусирующее 9 зеркала, предназначены для юстировки зеркала 7 относительно лазерного луча, проходящего внутри осевого канала 1, выполненного внутри корпуса 4, а также для подвода охлаждающей жидкости. Racks 11 fix the scattering 7 and focusing 9 mirrors, designed to align the mirror 7 relative to the laser beam passing inside the axial channel 1, made inside the housing 4, as well as for supplying coolant.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При работе лазерной установки лазерный луч из излучателя или от поворотного зеркала попадает в корпус 4 фокусирующей системы. В нем лазерный луч проходит через сквозной канал 1 корпуса 4 фокусирующей системы и попадает на рассеивающее зеркало 7, закрепленное посредством стоек 11 к подвижному кожуху 5. Отразившись от него, лазерный луч попадает на фокусирующее зеркало 6, находящееся в нижней части корпуса 4 фокусирующей системы. Сфокусировавшись, лазерный луч попадает на деталь 14, образуя "пятно", плотность мощности в котором зависит от положения фокусирующей системы относительно самой детали. During the operation of the laser system, the laser beam from the emitter or from the rotary mirror enters the body 4 of the focusing system. In it, the laser beam passes through the through channel 1 of the body 4 of the focusing system and enters the scattering mirror 7, fixed by means of the posts 11 to the movable casing 5. Reflecting from it, the laser beam enters the focusing mirror 6, located in the lower part of the body 4 of the focusing system. Focusing, the laser beam hits the part 14, forming a "spot", the power density in which depends on the position of the focusing system relative to the part.

Под воздействием лазерного излучения (луча) на поверхности обрабатываемой детали (материала) 14 образуется каверна расплава 15. От нее часть лазерного луча отражается в противоположную сторону. Отраженный луч попадает на фокусирующее зеркало 9 и возвращается обратно на обрабатываемую деталь, что позволяет полностью использовать энергию лазерного излучения. Under the influence of laser radiation (beam) on the surface of the workpiece (material) 14 is formed a cavity of the melt 15. From it, part of the laser beam is reflected in the opposite direction. The reflected beam hits the focusing mirror 9 and returns back to the workpiece, which allows full use of the energy of laser radiation.

При включенном приводе 2 корпус 4 движется вверх, при этом увеличивается диаметр "пятна падения" лазерного луча, а плотность мощности уменьшается до номинального, при таком рабочем положении корпуса 4 происходят полирование и упрочнение поверхностного слоя обрабатываемой детали. При обратном движении корпуса 4, т.е. вниз, диаметр "пятна падения" уменьшается, а плотность мощности увеличивается до максимальной, при таком положении корпуса 4 происходят резка и сверление обрабатываемой детали. When the drive 2 is turned on, the casing 4 moves upward, while the diameter of the "spot of incidence" of the laser beam increases, and the power density decreases to the nominal one. With this working position of the casing 4, the surface layer of the workpiece is polished and hardened. With the reverse movement of the housing 4, i.e. down, the diameter of the "drop spot" decreases, and the power density increases to the maximum, with this position of the body 4, the workpiece is cut and drilled.

При включении привода 12 подвижный кожух 5 движется в зависимости от требуемой длины "перетяжки" лазерного луча: вверх для увеличения длины "перетяжки" до величины, соразмерной с изменением кривизны поверхности детали, например, кулачка распределительного вала двигателя автомобиля при его термообработке, наплавке, полировании; вниз для уменьшения длины перетяжки до слияния ее с фокусом (фокальной плоскости) при резке, сверлении материалов. When the drive 12 is turned on, the movable casing 5 moves depending on the required length of the “waist” of the laser beam: up to increase the length of the “waist” to a value commensurate with the change in the curvature of the surface of the part, for example, the cam of the camshaft of an automobile engine during heat treatment, surfacing, polishing ; down to reduce the length of the waist until it merges with the focus (focal plane) when cutting, drilling materials.

Ввод дополнительных приводов в устройство расширяет его функциональные возможности при различных видах обработки деталей (резка, сверление, термообработка и т.д.) посредством регулировки перетяжки и величины "пятна падения" лазерного луча. Ввод сменных защитных кожухов и возможность перемещения фокусирующего устройства приводом улучшают защиту зоны обработки от воздействия окружающей среды регулированием расстояния от защитного кожуха до обрабатываемой детали. Ввод фокусирующего зеркала увеличивает КПД устройства, сокращая потерю на рассеивание (отражение) лазерного луча от поверхности детали (каверны расплава). The introduction of additional drives into the device expands its functionality for various types of machining of parts (cutting, drilling, heat treatment, etc.) by adjusting the constriction and the "spot of incidence" of the laser beam. The introduction of removable protective covers and the ability to move the focusing device by the drive improve the protection of the treatment area from environmental influences by adjusting the distance from the protective cover to the workpiece. Entering the focusing mirror increases the efficiency of the device, reducing the loss of scattering (reflection) of the laser beam from the surface of the part (melt cavity).

Claims

Device for focusing a laser beam, consisting of a housing, a protective casing, in the central part of which there is a scattering mirror mounted on racks, characterized in that it additionally introduces a mechanism for changing the geometry of the laser beam and a focusing mirror, while a mechanism for changing the geometry of the laser beam made of gear racks located on the inner wall of the movable casing and on the body of the focusing system, which mesh with the gears of the drives, for example electric, the last of which are located one in the inner part of the body, and the other on its outer surface.