[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2741035C1 - Laser optical head - Google Patents

Laser optical head Download PDF

Info

Publication number
RU2741035C1
RU2741035C1 RU2020114544A RU2020114544A RU2741035C1 RU 2741035 C1 RU2741035 C1 RU 2741035C1 RU 2020114544 A RU2020114544 A RU 2020114544A RU 2020114544 A RU2020114544 A RU 2020114544A RU 2741035 C1 RU2741035 C1 RU 2741035C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fixed
laser
mirror
movable mirror
small movable
Prior art date
Application number
RU2020114544A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Степан Михайлович Слободян
Дмитрий Анатольевич Барчуков
Виктор Сергеевич Петров
Денис Сергеевич Домашенко
Роман Валерьевич Виноградов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тверской государственный технический университет"
Priority to RU2020114544A priority Critical patent/RU2741035C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2741035C1 publication Critical patent/RU2741035C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/08Mirrors
    • G02B5/10Mirrors with curved faces
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: invention relates to a laser optical head. Fixed housing has protective glass fixed at the input of the laser beam. Laser-free optical reflecting system for focusing a laser beam consists of a large fixed mirror with a central hole fixed inside the fixed housing by means of a ring and a small movable mirror. Ring rests on the ledge inside the fixed case. Small movable mirror is located on bimorph type displacement piezoelectric drive, elements of which are rigidly fixed by one end between ring and ledge inside fixed housing, and by the other end are pivotally connected to the small moving mirror mandrel with the possibility of the small movable mirror movement relative to the large fixed mirror. Curved surface of both mirrors is matched.EFFECT: technical result consists in providing simple and reliable control of welding and cutting modes by using a lens-free optical mirror reflecting focusing system of a laser beam with preservation of initial settings of optimum focusing plane position by accurate movement of small movable mirror, which enables to perform all modes on one laser head: welding, cutting along closed or open loop, surface heating.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно, к области модификации поверхности лазерным излучением, лазерной сварки, резки, сверления отверстий, предназначено для применения в системах активного ближнего воздействия лазерным излучением, а также может быть использовано в средствах оптического контроля параметров поверхности электромагнитным излучением.The invention relates to the field of processing materials with a laser beam, namely, to the field of surface modification by laser radiation, laser welding, cutting, drilling holes, is intended for use in systems of active short-range exposure to laser radiation, and can also be used in means of optical monitoring of surface parameters by electromagnetic radiation.

Лазерная оптическая головка применяется в активных и пассивных радарных лазерных автономных системах измерения свойств поверхности объектов, отражающих электромагнитное излучение воздействия и контроля при облучении их поверхности пространственно ограниченным пучком электромагнитного излучения, в средствах контроля состояния поверхности, включая динамику ее изменения, по принципу локации.The laser optical head is used in active and passive radar laser autonomous systems for measuring the surface properties of objects that reflect electromagnetic radiation of exposure and control when their surface is irradiated with a spatially limited beam of electromagnetic radiation, in means for monitoring the state of the surface, including the dynamics of its change, according to the location principle.

Из уровня техники известна оптическая головка для лазерной резки листового металла, в которой узел для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы выполнен в виде двух связанных между собой резьбовым соединением цилиндров разного диаметра с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль оптической оси, при этом фокусирующая система установлена со стороны свободного торца цилиндра меньшего диаметра, а телескопическая система установлена со стороны свободного торца второго цилиндра большего диаметра, причем узел для одновременного перемещения вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы выполнен в виде цилиндра с резьбой на внешней поверхности, при этом на внутренней поверхности корпуса оптической головки выполнена резьба, ответная резьбе указанного цилиндра, а сам цилиндр жестко закреплен на внешней стороне цилиндра с фокусирующей системой узла для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы (RU 151792, B23K 26/38, 20.04.2015).An optical head for laser cutting of sheet metal is known from the prior art, in which the unit for moving the focusing system along the optical axis relative to the telescopic system is made in the form of two cylinders of different diameters connected to each other by a threaded connection with the ability to move relative to each other along the optical axis, while the focusing the system is installed on the side of the free end of the cylinder of a smaller diameter, and the telescopic system is installed on the side of the free end of the second cylinder of a larger diameter, and the unit for simultaneous movement along the optical axis of the focusing and telescopic system is made in the form of a cylinder with a thread on the outer surface, while on the inner surface the body of the optical head is made of a thread that corresponds to the thread of the specified cylinder, and the cylinder itself is rigidly fixed on the outer side of the cylinder with a focusing system of the assembly for moving the focusing system along the optical axis relative to the bodies escopic system (RU 151792, B23K 26/38, 04/20/2015).

Однако малая точность установки требуемой плотности распределения в области фокусировки лазерного луча при обработке поверхности материалов, обусловленная неконтролируемой в реальном времени изменением положения области наилучшей фокусировки, не требующей перемещения сопла, при изменении уровня облучаемой поверхности, при абляции части металла из области воздействия на материал, требует смены специализированных оптических головок для выполнения разных технологических операций (модификации поверхности, резки, сварки, сверления отверстий), что дополнительно приводит к затратам времени и простою оборудования на время его настройки.However, the low accuracy of setting the required distribution density in the focusing region of the laser beam during surface treatment of materials, due to an uncontrolled real-time change in the position of the best focusing region, which does not require moving the nozzle, when the level of the irradiated surface changes, when part of the metal is ablated from the area of action on the material, requires changing specialized optical heads for performing various technological operations (surface modification, cutting, welding, drilling holes), which additionally leads to wasted time and equipment downtime during its adjustment.

Также известна оптическая лазерная головка, содержащая наружное и внутреннее газовые сопла с каналами для подвода активного и защитного газов, установленные концентрично с зазором, фокусирующую линзу, размещенную во внутреннем сопле, и сквозные отверстия, выполненные на боковой поверхности внутреннего сопла. Внутреннее сопло выполнено по типу сопла Лаваля, а фокусирующая линза размещена во внутреннем сопле с обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего сопла с возможностью перемещения вдоль оси, при этом канал для подвода газа к внутреннему соплу расположен между фокусирующей линзой и соплом Лаваля, а сквозные отверстия во внутреннем сопле расположены над линзой, при этом оптическая лазерная головка снабжена фиксаторами с возможностью ограничения движения фокусирующей линзы вдоль оси, расположенными ниже сквозных отверстий и выше нижнего канала подвода газа (RU 2578885, В23К 26/14, 27.03.2016).Also known is an optical laser head containing external and internal gas nozzles with channels for supplying active and protective gases, arranged concentrically with a gap, a focusing lens placed in the internal nozzle, and through holes made on the side surface of the internal nozzle. The inner nozzle is made like a Laval nozzle, and the focusing lens is placed in the inner nozzle with the provision of basing its cylindrical surface along the cylindrical surface of the inner nozzle with the ability to move along the axis, while the channel for supplying gas to the inner nozzle is located between the focusing lens and the Laval nozzle, and through holes in the inner nozzle are located above the lens, while the optical laser head is equipped with locks with the ability to limit the movement of the focusing lens along the axis, located below the through holes and above the lower gas supply channel (RU 2578885, V23K 26/14, 03/27/2016).

Однако малая точность достижения требуемой плотности распределения в области фокусировки лазерного луча при обработке поверхности материалов, обусловленная неконтролируемым в реальном времени влиянием мощного динамического газового потока, оказывает сильное нелинейное влияние на распределение плотности излучения по сечению лазерного пучка при изменении положения области его наилучшей фокусировки.However, the low accuracy of achieving the required distribution density in the focusing region of the laser beam during surface treatment of materials, due to the uncontrolled in real time effect of a powerful dynamic gas flow, has a strong nonlinear effect on the radiation density distribution over the laser beam cross section when the position of the region of its best focusing is changed.

Известна лазерная оптическая головка, содержащая наружный неподвижный корпус с наружным неподвижным соплом, внутренний подвижный корпус с внутренним соплом и фокусирующую линзу, закрепленную во внутреннем сопле, снабжена разделительными кольцами, установленными на наружном неподвижном корпусе с его внутренней стороны с образованием зазора между внутренним подвижным и наружным неподвижными корпусами, мембраной, разделяющей полость наружного неподвижного сопла на верхнюю полость и нижнюю полость, связанные с источником газа, ограничительным кронштейном и съемной насадкой, установленной на выходе внутреннего сопла, при этом внутренний подвижный корпус с внутренним соплом выполнен с возможностью перемещения вверх и вниз посредством зубчатой передачи, причем в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостной датчик для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью (RU 2641213; B23K 26/14,16.01.2018).Known laser optical head containing an outer stationary body with an outer stationary nozzle, an inner movable body with an inner nozzle and a focusing lens fixed in the inner nozzle is equipped with spacer rings mounted on the outer stationary body from its inner side with the formation of a gap between the inner movable and outer stationary bodies, a membrane dividing the cavity of the outer stationary nozzle into an upper cavity and a lower cavity associated with a gas source, a restrictive bracket and a removable nozzle installed at the outlet of the inner nozzle, while the inner movable body with an inner nozzle is configured to move up and down by gear transmission, and a capacitive sensor is installed in the lower part of the outer stationary body for setting and controlling the size between the nozzle exit and the workpiece (RU 2641213; B23K 26 / 14.16.01.2018).

Однако большие потери мощности лазерного пучка и низкая точность, обусловленные тепловыми дефектами, возникающими в фокусирующей линзе при прохождении в головке мощного лазерного излучения, приводят к сильным нелинейным искажениям и нарушению исходной формы распределения плотности излучения в области фокусировки лазерного луча, в том числе, при перемещении его в реальном времени на заданный уровень глубины отверстия при большой толщине листа, а также при обработке поверхности листа непостоянной высоты.However, large losses of the laser beam power and low accuracy caused by thermal defects arising in the focusing lens when high-power laser radiation passes through the head lead to strong nonlinear distortions and a violation of the original shape of the radiation density distribution in the focusing region of the laser beam, including when moving it in real time to a given level of hole depth with a large sheet thickness, as well as when processing the surface of a sheet of variable height.

Технической проблемой изобретения является создание устройства лазерной оптической головки, обеспечивающей возможность исключения потерь мощности лазерного излучения, поступающего в лазерную оптическую головку, с высокой точностью сохранения исходного профиля распределения плотности мощности в поперечном сечении области фокусировки лазерного пучка, оказывающего заданное воздействие на поверхность и объем металла в области воздействия.The technical problem of the invention is the creation of a device for a laser optical head, which makes it possible to eliminate losses of power of laser radiation entering the laser optical head, with a high accuracy of maintaining the original profile of the power density distribution in the cross section of the focusing region of the laser beam, which exerts a predetermined effect on the surface and volume of the metal in areas of influence.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении точности обработки, экономичности и универсальности лазерной головки.The technical result, which the invention is aimed at, is to increase the processing accuracy, efficiency and versatility of the laser head.

Поставленная проблема решается и технический результат достигается тем, что лазерная оптическая головка содержит неподвижный корпус с защитным стеклом, закрепленном на входе лазерного пучка, и безлинзовую оптическую зеркально отражающую систему фокусировки лазерного пучка, состоящую из большого неподвижного зеркала с центральным отверстием, закрепленного внутри неподвижного корпуса кольцом, опирающимся на выступ внутри неподвижного корпуса, и малого подвижного зеркала, расположенного на пьезоэлектрическом приводе перемещения биморфного типа, элементы которого одним концом жестко закреплены между кольцом и выступом внутри неподвижного корпуса, а другим концом шарнирно соединены с оправкой малого подвижного зеркала, с возможностью перемещения малого подвижного зеркала относительно большого неподвижного зеркала, при этом криволинейная поверхность обоих зеркал является согласованной.The problem is solved and the technical result is achieved by the fact that the laser optical head contains a fixed body with a protective glass fixed at the entrance of the laser beam, and a lensless optical specularly reflecting system for focusing the laser beam, consisting of a large fixed mirror with a central hole, fixed inside the fixed body by a ring resting on the protrusion inside the stationary body, and a small movable mirror located on a piezoelectric actuator of bimorph-type movement, the elements of which are rigidly fixed at one end between the ring and the protrusion inside the stationary case, and at the other end are pivotally connected to the mandrel of a small movable mirror, with the possibility of moving the small a movable mirror relative to a large stationary mirror, while the curved surface of both mirrors is consistent.

Введение в устройство лазерной оптической головки безлинзовой оптической зеркально отражающей системы фокусировки лазерного пучка, состоящей из большого неподвижного зеркала с центральным отверстием и малого подвижного зеркала, установленных внутри наружного неподвижного корпуса с возможностью перемещения малого подвижного зеркала относительно неподвижного большого зеркала, позволяет обеспечить с высокой точностью изменение величины фокусного расстояния оптической безлинзовой системы путем сдвига положения области фокусировки излучения лазерного пучка с точностью, сопоставимой с размером области перетяжки лазерных лучей пучка, сформированного источником лазерного излучения, подаваемого на вход лазерной оптической головки, что повышает точность фокусировки лазерного пучка и качество результата его воздействия на поверхность материала и изделия предлагаемым устройством.The introduction into the device of the laser optical head of a lensless optical mirror-reflecting system for focusing the laser beam, consisting of a large fixed mirror with a central hole and a small movable mirror, installed inside the outer fixed body with the ability to move the small movable mirror relative to the fixed large mirror, makes it possible to change the focal length of a lensless optical system by shifting the position of the focusing region of the laser beam with an accuracy comparable to the size of the waist region of the laser beams of the beam formed by the laser radiation source supplied to the input of the laser optical head, which increases the focusing accuracy of the laser beam and the quality of the result of its action on the surface of the material and product by the proposed device.

Закрепление малого подвижного зеркала на пьезоэлектрическом приводе перемещения, установленного на опоре на внутренней стенке неподвижного корпуса, имеющего внутренний выступ для опоры, позволяет существенно расширить диапазон изменения значений фокусного расстояния зеркально отражающей системы фокусировки лазерного излучения.Fastening a small movable mirror on a piezoelectric displacement drive mounted on a support on the inner wall of a stationary body, which has an internal projection for support, makes it possible to significantly expand the range of changes in the focal length values of a specularly reflecting laser focusing system.

Выполнение согласованных отражающих поверхностей большого и малого подвижного зеркал для получения наилучшей фокусировки излучения лазерного пучка в области его воздействия позволяет обеспечить высокую эффективность использования излучения лазерного пучка для получения высокой точности концентрации излучения в области фокусировки на поверхности деталей.The implementation of matched reflecting surfaces of the large and small movable mirrors to obtain the best focusing of the laser beam radiation in the area of its impact allows to ensure high efficiency of the laser beam radiation to obtain high accuracy of radiation concentration in the focusing area on the surface of the parts.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами, где: на фиг. 1 представлена схема устройства лазерной оптической головки и схема перемещения малого подвижного зеркала; на фиг. 2 представлен вид изменения размеров фокального пятна лазерного излучения в плоскости его фокусировки в двух крайних положениях малого подвижного зеркала при перемещении приводом малого подвижного зеркала вдоль продольной оси внутри лазерной оптической головки; на фиг. 3 графически поясняется схема установки и принцип смещения малого подвижного зеркала и привода перемещения малого подвижного зеркала вдоль продольной оси лазерной оптической головки относительно положения большого неподвижного зеркала: а - диаметральное размещение двух биморфных элементов пьезоэлектрического привода перемещения; б - диаметральное размещение четырех биморфных элементов пьезоэлектрического привода перемещения; в - тригональное размещение трех биморфных элементов пьезоэлектрического привода перемещения.The invention is illustrated in the following drawings, where: FIG. 1 shows a diagram of the device of the laser optical head and a diagram of the movement of a small movable mirror; in fig. 2 shows a view of the change in the size of the focal spot of laser radiation in the plane of its focusing in two extreme positions of the small movable mirror when the drive of the small movable mirror moves along the longitudinal axis inside the laser optical head; in fig. 3 graphically explains the installation diagram and the principle of displacement of the small movable mirror and the drive for moving the small movable mirror along the longitudinal axis of the laser optical head relative to the position of the large stationary mirror: a - diametrical arrangement of two bimorph elements of the piezoelectric movement drive; b - diametrical arrangement of four bimorph elements of the piezoelectric movement drive; c - trigonal placement of three bimorph elements of the piezoelectric displacement drive.

Устройство лазерной оптической головки состоит из наружного неподвижного корпуса 1, снабженного крышкой 2 с защитным стеклом 3, на вход которого извне поступает излучение лазерного пучка 4. Внутри неподвижного корпуса 1 расположены большое неподвижное зеркало 5 с центральным отверстием 6 и малое подвижное зеркало 7. Большое неподвижное зеркало 5 и малое подвижное зеркало 7 установлены внутри неподвижного корпуса 1 таким образом, что малое подвижное зеркало 7 может перемещаться относительно большого неподвижного зеркала 5 от исходного среднего положения - а до верхнего положения - б или до нижнего положения - в (фиг. 1).The device of the laser optical head consists of an outer fixed body 1, equipped with a cover 2 with a protective glass 3, at the entrance of which the radiation of a laser beam 4 enters from the outside. Inside the fixed body 1 there are a large fixed mirror 5 with a central hole 6 and a small movable mirror 7. Large fixed mirror 5 and small movable mirror 7 are installed inside the fixed body 1 in such a way that the small movable mirror 7 can move relative to the large fixed mirror 5 from the initial middle position - a to the upper position - b or to the lower position - c (Fig. 1).

Малое подвижное зеркало 7, установлено на пьезоэлектрическом приводе перемещения 8, например, биморфного типа. Пьезоэлектрический привод 8 перемещения малого подвижного зеркала 7 состоит из биморфных элементов 9, которые одним концом жестко защемлены или приклеены внутри корпуса 1 между выступом неподвижного корпуса 1 и кольцом 10. Кольцо 10 установлено внутри корпуса 1 между большим неподвижным зеркалом 5 и выступом корпуса 1. Другой конец биморфного элемента 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 малого подвижного зеркала 7 связан с оправкой малого подвижного зеркала 7 шарнирно.Small movable mirror 7 is mounted on a piezoelectric actuator 8, for example, of a bimorph type. The piezoelectric drive 8 for moving the small movable mirror 7 consists of bimorph elements 9, which are rigidly clamped at one end or glued inside the body 1 between the protrusion of the stationary body 1 and the ring 10. The ring 10 is installed inside the body 1 between the large stationary mirror 5 and the protrusion of the body 1. Another the end of the bimorph element 9 of the piezoelectric drive of movement 8 of the small movable mirror 7 is pivotally connected to the mandrel of the small movable mirror 7.

Малое подвижное зеркало 7 внутри неподвижного корпуса 1 перемещается пьезоэлектрическим приводом перемещения 8 в зависимости от типа операции, которую необходимо осуществить: в режиме сварки вверх от исходного среднего положения - а до верхнего положения - б; в режиме резки по замкнутому или незамкнутому контуру вниз от исходного среднего положения - а до нижнего положения - в (фиг. 1).A small movable mirror 7 inside the fixed body 1 is moved by a piezoelectric movement drive 8, depending on the type of operation to be carried out: in the welding mode upwards from the initial middle position - a to the upper position - b; in the mode of cutting along a closed or open contour down from the initial middle position - a to the lower position - in (Fig. 1).

В пространстве между внутренней стенкой неподвижного корпуса 1 и малым подвижным зеркалом 7 распространяется излучение лазерного пучка 4, поступившее на вход защитного стекла 3 лазерной головки.In the space between the inner wall of the fixed body 1 and the small movable mirror 7, the radiation of the laser beam 4, which arrives at the entrance of the protective glass 3 of the laser head, propagates.

Взаимное расположение поверхности большого неподвижного зеркала 5 с центральным отверстием 6 и малого подвижного зеркала 7 обеспечивает заданные условия для концентрации лазерного излучения пучка 4, поданного на вход защитного стекла 3 лазерной оптической головки и проходящего через свободное пространство внутри и в нижней части неподвижного корпуса 1 для формирования определенных размеров фокального пятна 13 лазерного излучения 4 в плоскости его фокусировки, в том числе, при перемещении пьезоэлектрическим приводом 8 малого подвижного зеркала 7 (фиг. 1, фиг. 2).The relative position of the surface of a large fixed mirror 5 with a central hole 6 and a small movable mirror 7 provides the specified conditions for the concentration of laser radiation of the beam 4 supplied to the input of the protective glass 3 of the laser optical head and passing through the free space inside and in the lower part of the fixed body 1 to form certain sizes of the focal spot 13 of the laser radiation 4 in the plane of its focusing, including when moving the piezoelectric drive 8 of the small movable mirror 7 (Fig. 1, Fig. 2).

Под действием лазерного излучения пучка 4, поданного на вход защитного стекла 3 лазерной оптической головки и проходящего внутри корпуса 1 через свободное пространство внутри и в нижней его части, за счет высокой концентрации плотности распределения лазерного излучения пучка 4, уменьшенного в процессе фокусировки в сотни и тысячи раз от исходного размера лазерного пучка 4 до фокального пятна 13 лазерного излучения пучка 4 в плоскости его фокусировки, формируется сварной шов в зоне стыкового соединения деталей 11-1 и 11-2 с образованием сварочного шва 12 (фиг. 1, фиг. 2).Under the action of laser radiation of the beam 4, fed to the input of the protective glass 3 of the laser optical head and passing inside the housing 1 through the free space inside and in its lower part, due to the high concentration of the distribution density of the laser radiation of the beam 4, reduced in the process of focusing by hundreds and thousands times from the initial size of the laser beam 4 to the focal spot 13 of laser radiation of the beam 4 in the plane of its focusing, a weld is formed in the butt joint zone of parts 11-1 and 11-2 to form a weld 12 (Fig. 1, Fig. 2).

В режиме сварки перемещение малого подвижного зеркала 7 вверх (фиг. 1, положение - б) ограничено упругой деформацией биморфных элементов опоры 9 пьезоэлектрического привода 8, защемленных между кольцом 10 и выступом внутренней стенки неподвижного корпуса 1.In the welding mode, the movement of the small movable mirror 7 upward (Fig. 1, position - b) is limited by the elastic deformation of the bimorph elements of the support 9 of the piezoelectric actuator 8, clamped between the ring 10 and the projection of the inner wall of the stationary body 1.

В режиме резки по замкнутому или незамкнутому контуру малое зеркало 7 перемещается вниз в исходное среднее положение (фиг. 1, положение - а) или, если это необходимо, для лучшей концентрации плотности распределения лазерного излучения пучка 4 в области фокусировки лазерного излучения пучка 4 на поверхности детали, то и ниже исходного (фиг. 1, положение - в).In the mode of cutting along a closed or open circuit, the small mirror 7 moves down to the initial middle position (Fig. 1, position - a) or, if necessary, for better concentration of the distribution density of the laser radiation of the beam 4 in the focusing region of the laser radiation of the beam 4 on the surface details, then and below the original (Fig. 1, position - c).

Широкий диапазон перемещения малого подвижного зеркала 7 обеспечивается физической способностью изменения формы и величины изгиба биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 малого подвижного зеркала 7 в зависимости от величины и полярности электрического сигнала управления изгибом биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8, подаваемого от стандартного внешнего источника стабилизированного напряжения (не показан) сигнала управления изгибом элементов привода перемещения 8. Амплитуда сигнала управления изгибом биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8, подаваемого от стандартного внешнего источника стабилизированного напряжения, определяет расстояние подъема или опускания малого подвижного зеркала 7.A wide range of movement of the small movable mirror 7 is provided by the physical ability to change the shape and magnitude of the bending of the bimorph elements 9 of the piezoelectric drive for the movement 8 of the small movable mirror 7, depending on the magnitude and polarity of the electric signal to control the bending of the bimorph elements 9 of the piezoelectric drive 8, supplied from a standard external source of stabilized voltage (not shown) of the bending control signal of the displacement drive elements 8. The amplitude of the bending control signal of the bimorph elements 9 of the piezoelectric displacement actuator 8, supplied from a standard external stabilized voltage source, determines the distance of raising or lowering the small movable mirror 7.

Направление движения (подъем или опускание) малого подвижного зеркала 7 определяется полярностью сигнала управления изгибом биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8, подаваемого от стандартного внешнего источника стабилизированного напряжения. Связь полярности сигнала управления изгибом биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8, подаваемого от стандартного внешнего источника стабилизированного напряжения, с направлением изгиба биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 определяется типом поляризации конкретной керамики применяемых пьезоэлектрических элементов 9 привода перемещения 8.The direction of movement (raising or lowering) of the small movable mirror 7 is determined by the polarity of the signal for controlling the bending of the bimorph elements 9 of the piezoelectric displacement drive 8, supplied from a standard external source of stabilized voltage. The relationship between the polarity of the bending control signal of the bimorph elements 9 of the piezoelectric displacement drive 8, supplied from a standard external source of stabilized voltage, with the bending direction of the bimorph elements 9 of the piezoelectric displacement drive 8 is determined by the type of polarization of a particular ceramic of the piezoelectric elements 9 of the displacement drive 8 used.

Размеры фокального пятна 13 лазерного излучения в плоскости его фокусировки при перемещении пьезоэлектрическим приводом перемещения 8 малого подвижного зеркала 7 приведены на фиг. 2 в двух его крайних положениях: от верхнего положения - 6 до нижнего положения - в малого подвижного зеркала 7, которые соответствуют режиму сварки 13-1 и режиму резки по замкнутому или незамкнутому контуру 13-2.The dimensions of the focal spot 13 of laser radiation in the plane of its focusing when moving by a piezoelectric drive of movement 8 of a small movable mirror 7 are shown in FIG. 2 in its two extreme positions: from the upper position - 6 to the lower position - in the small movable mirror 7, which correspond to the welding mode 13-1 and the cutting mode along a closed or open loop 13-2.

Возможны варианты размещения малого подвижного зеркала 7 на биморфных элементах 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 малого подвижного зеркала 7: диаметральное размещение двух биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 (Фиг. 3, а); диаметральное размещение четырех биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 (Фиг. 3, б); тригональное размещение трех биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 (Фиг. 3в). Варианты, представленные на фиг. 3 (а, б, в), поясняют схему установки малого подвижного зеркала 7 и пьезоэлектрического привода перемещения 8 малого подвижного зеркала 7 вдоль продольной оси лазерной оптической головки относительно положения большого неподвижного зеркала 5 с центральным отверстием 6, установленного внутри корпуса 1, с возможностью взаимного изменения расстояния между малым подвижным зеркалом 7 и большим неподвижным зеркалом 5 с центральным отверстием 6 относительно друг друга.Possible options for placing a small movable mirror 7 on the bimorph elements 9 of the piezoelectric drive 8 of the small movable mirror 7: diametrical placement of two bimorph elements 9 of the piezoelectric drive 8 (Fig. 3, a); diametrical arrangement of four bimorph elements 9 of a piezoelectric drive of movement 8 (Fig. 3, b); trigonal placement of three bimorph elements 9 of the piezoelectric drive 8 (Fig. 3c). The variants shown in FIG. 3 (a, b, c), explain the installation diagram of a small movable mirror 7 and a piezoelectric drive for moving the small movable mirror 7 along the longitudinal axis of the laser optical head relative to the position of the large fixed mirror 5 with a central hole 6 installed inside the housing 1, with the possibility of mutual changing the distance between the small movable mirror 7 and the large fixed mirror 5 with a central hole 6 relative to each other.

Устройство лазерной оптической головки работает следующим образом.The laser optical head device works as follows.

В режиме сварки малое подвижное зеркало 7, которое расположено внутри неподвижного корпуса 1, перемещается вверх; в режиме резки по замкнутому или незамкнутому контуру малое подвижное зеркало 7 перемещается вниз до исходного положения.In the welding mode, the small movable mirror 7, which is located inside the stationary body 1, moves upward; in the mode of cutting along a closed or open contour, the small movable mirror 7 moves down to its original position.

Перемещение малого подвижного зеркала 7 производится пьезоэлектрическим приводом перемещения 8 малого подвижного зеркала 7, закрепленного путем защемления или клеевым способом биморфных элементов 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 как опоры 9, защемленной внутри между выступом неподвижного корпуса 1 и кольцом 10, установленным внутри наружного неподвижного корпуса 1 между большим неподвижным зеркалом 5, биморфными элементами 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 и выступом неподвижного корпуса 1.The movement of the small movable mirror 7 is carried out by the piezoelectric drive of movement 8 of the small movable mirror 7, fixed by pinching or adhesive method of the bimorph elements 9 of the piezoelectric movement drive 8 as support 9, pinched inside between the protrusion of the fixed body 1 and the ring 10 installed inside the outer fixed body 1 between a large stationary mirror 5, bimorph elements 9 of a piezoelectric movement drive 8 and a protrusion of the stationary body 1.

Для обеспечения заданной технологической операции на вход лазерной оптической головки 1, через установленное на входе защитное стекло 3, внутрь головки поступает лазерное излучение пучка 4 соответствующей для данной операции мощности лазерного воздействия. Перемещением малого подвижного зеркала 7, установленного на пути распространения излучения лазерного пучка 4, осуществляется его фокусировка в требуемой точке поверхности и пространства материала, заключающаяся в операции существенного сжатия до размеров фокального пятна 13 (фиг. 2) исходного размера лазерного пучка 4, что значительно повышает уровень плотности мощности в пределах его пятна в фокальной плоскости оптической системы отражающих зеркал: большого неподвижного зеркала 5 с центральным отверстием 6 и малого подвижного зеркала 7.To ensure a given technological operation at the input of the laser optical head 1, through the protective glass 3 installed at the inlet, the laser radiation of the beam 4 of the corresponding laser power for this operation is fed into the head. By moving the small movable mirror 7 installed on the path of propagation of the radiation of the laser beam 4, it is focused at the required point of the surface and space of the material, which consists in the operation of significant compression to the size of the focal spot 13 (Fig. 2) of the initial size of the laser beam 4, which significantly increases the level of power density within its spot in the focal plane of the optical system of reflecting mirrors: a large fixed mirror 5 with a central hole 6 and a small movable mirror 7.

Степень когерентности излучения исходного лазерного пучка 4, вводимого внутрь лазерной оптической головки 1, определяет положение сечения фокального пятна 13 и наибольшую плотность концентрации мощности лазерного излучения в области его фокусировки. Даже при значительной мощности излучения лазерного пучка 4, вводимого внутрь лазерной оптической головки 1, на пути распространения лазерного пучка 4 в структуре предлагаемой головки практически отсутствуют поглощающие излучение пучка 4 оптические элементы, кроме ослабления защитным стеклом 3 и затенения малого сечения биморфными элементами 9 пьезоэлектрического привода перемещения 8 малого подвижного зеркала 7, в которых бы поглощалось излучение на их нагрев, и возникали бы термические эффекты, ведущие к значительным деформациям волнового фронта лазерного пучка 4, что сильно влияло бы на качество и положение оптимальной плоскости его фокусировки.The degree of coherence of the radiation of the initial laser beam 4, introduced into the laser optical head 1, determines the position of the section of the focal spot 13 and the highest density of the laser radiation power concentration in the area of its focusing. Even with a significant radiation power of the laser beam 4, introduced into the laser optical head 1, on the path of propagation of the laser beam 4 in the structure of the proposed head, there are practically no optical elements absorbing radiation of the beam 4, except for weakening by protective glass 3 and shading of a small section by bimorph elements 9 of the piezoelectric displacement drive 8 of a small movable mirror 7, in which radiation would be absorbed for their heating, and thermal effects would arise, leading to significant deformations of the wavefront of the laser beam 4, which would greatly affect the quality and position of the optimal focusing plane.

Таким образом, в предлагаемой оптической лазерной головке отсутствуют факторы, которые ведут к существенным смещениям плоскости оптимальной фокусировки лазерного пучка 4 при его прохождении через защитное стекло 3, газовую среду, заполняющую внутренний объем пространства корпуса 1. Под воздействием излучения лазерного пучка 4, поданного на вход защитного стекла 3 лазерной оптической головки и проходящего внутри свободного пространства корпуса 1, в зоне стыкового соединения деталей 11-1 и 11-2 образуется сварной шов 12 (фиг. 1 и фиг. 2).Thus, in the proposed optical laser head there are no factors that lead to significant displacements of the plane of optimal focusing of the laser beam 4 when it passes through the protective glass 3, the gaseous medium filling the internal volume of the housing space 1. Under the influence of the radiation of the laser beam 4 supplied to the input protective glass 3 of the laser optical head and passing inside the free space of the housing 1, in the butt joint area of the parts 11-1 and 11-2, a weld seam 12 is formed (Fig. 1 and Fig. 2).

В оптической лазерной головке изобретения сохраняются исходные настройки максимальной мощности лазерного пучка и положения плоскости оптимальной или области наибольшей плотности распределения мощности фокусного пятна 13 излучения лазерного пучка 4 для ее совмещения с заданным фрагментом поверхности планируемого лазерного воздействия излучением лазерного пучка 4, что позволяет более чем на порядок улучшить показатели применения лазерной оптической головки.In the optical laser head of the invention, the initial settings of the maximum power of the laser beam and the position of the optimal plane or the region of the highest power distribution of the focal spot 13 of the radiation of the laser beam 4 are retained for its alignment with a given fragment of the surface of the planned laser action by the radiation of the laser beam 4, which allows more than an order of magnitude improve the performance of the laser optical head.

Так, например, если классическое применение лазерной оптической головки позволяет вести прецизионную сварку и пробивку отверстий до 20 мм и до 40 мм с высокой производительностью, обеспечиваемой за счет изменения режимов в процессе обработки, то применение лазерной оптической головки с безлинзовой оптической зеркально отражающей системой фокусировки лазерного пучка с сохранением исходных настроек положения плоскости оптимальной фокусировки, позволяет не только повысить верхний уровень мощности лазерного излучения, применяемый в головке, но и снизить нижний размер толщин рабочих деталей до значений порядка 100 мкм=0,1 мм, т.е. в 20/0,1=200 раз.So, for example, if the classical application of a laser optical head allows precision welding and punching of holes up to 20 mm and up to 40 mm with high productivity provided by changing modes during processing, then the use of a laser optical head with a lensless optical mirror-reflecting laser focusing system beam with preservation of the initial settings of the position of the plane of optimal focusing, allows not only to increase the upper level of laser radiation power used in the head, but also to reduce the lower size of the thicknesses of the working parts to values of the order of 100 μm = 0.1 mm, i.e. 20 / 0.1 = 200 times.

Таким образом, предлагаемая лазерная оптическая головка обеспечивает простое и надежное управление режимами сварки и резки за счет использования безлинзовой оптической зеркально отражающей системы фокусировки лазерного пучка с сохранением исходных настроек положения плоскости оптимальной фокусировки путем точного перемещения малого подвижного зеркала, что позволяет выполнять все режимы на одной лазерной головке: сварку, резку по замкнутому или незамкнутому контуру, нагрев поверхности и тому подобное.Thus, the proposed laser optical head provides a simple and reliable control of welding and cutting modes due to the use of a lensless optical mirror-reflecting system for focusing the laser beam while maintaining the initial settings of the optimal focusing plane position by precisely moving a small movable mirror, which makes it possible to perform all modes on one laser head: welding, cutting in a closed or open loop, surface heating and the like.

Claims (1)

Лазерная оптическая головка, содержащая неподвижный корпус с защитным стеклом, закрепленным на входе лазерного пучка, и безлинзовую оптическую зеркально отражающую систему фокусировки лазерного пучка, состоящую из большого неподвижного зеркала с криволинейной поверхностью и с центральным отверстием, закрепленного внутри неподвижного корпуса посредством кольца, опирающегося на выступ внутри неподвижного корпуса, и малого подвижного зеркала с криволинейной поверхностью, расположенного на пьезоэлектрическом приводе перемещения биморфного типа, элементы которого одним концом жестко закреплены между кольцом и выступом внутри неподвижного корпуса, а другим концом шарнирно соединены с оправкой малого подвижного зеркала, с возможностью перемещения малого подвижного зеркала относительно большого неподвижного зеркала, при этом криволинейные поверхности обоих зеркал выполнены согласованными.Laser optical head containing a fixed body with a protective glass fixed at the entrance of the laser beam, and a lensless optical specularly reflecting system for focusing the laser beam, consisting of a large fixed mirror with a curved surface and a central hole, fixed inside the fixed body by means of a ring resting on the protrusion inside a stationary body, and a small movable mirror with a curved surface, located on a piezoelectric drive of bimorph-type movement, the elements of which are rigidly fixed at one end between the ring and the protrusion inside the stationary body, and at the other end are pivotally connected to the holder of a small movable mirror, with the possibility of moving mirrors of a relatively large stationary mirror, while the curved surfaces of both mirrors are made consistent.
RU2020114544A 2020-07-21 2020-07-21 Laser optical head RU2741035C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020114544A RU2741035C1 (en) 2020-07-21 2020-07-21 Laser optical head

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020114544A RU2741035C1 (en) 2020-07-21 2020-07-21 Laser optical head

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2741035C1 true RU2741035C1 (en) 2021-01-22

Family

ID=74213302

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020114544A RU2741035C1 (en) 2020-07-21 2020-07-21 Laser optical head

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2741035C1 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07124778A (en) * 1993-10-29 1995-05-16 Japan Energy Corp Laser beam machine
RU2068191C1 (en) * 1996-02-12 1996-10-20 Йелстаун Корпорейшн Н.В. Multilayer piezoelectric deformed bimorphous mirror
JPH1028880A (en) * 1996-07-19 1998-02-03 Kdk Corp Pipetting apparatus and sample inspection apparatus equipped therewith
RU2140836C1 (en) * 1998-05-13 1999-11-10 Военный автомобильный институт Apparatus for focusing laser beam
CN101674913A (en) * 2007-05-03 2010-03-17 Esi电子科技工业公司 Laser micro-machining system with post-scan lens deflection
RU109686U1 (en) * 2011-05-11 2011-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ им. А.Н. Туполева) INSTALLATION FOR GAS-LASER CUTTING
RU2552029C1 (en) * 2013-12-10 2015-06-10 Марк Андреевич Полтавец Optical focusing system with toroidal mirrors
RU2641213C2 (en) * 2016-06-09 2018-01-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Laser optic head
RU2655402C2 (en) * 2016-08-15 2018-05-28 Открытое акционерное общество "558 Авиационный ремонтный завод" Installation for laser treatment of product inner surface

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07124778A (en) * 1993-10-29 1995-05-16 Japan Energy Corp Laser beam machine
RU2068191C1 (en) * 1996-02-12 1996-10-20 Йелстаун Корпорейшн Н.В. Multilayer piezoelectric deformed bimorphous mirror
JPH1028880A (en) * 1996-07-19 1998-02-03 Kdk Corp Pipetting apparatus and sample inspection apparatus equipped therewith
RU2140836C1 (en) * 1998-05-13 1999-11-10 Военный автомобильный институт Apparatus for focusing laser beam
CN101674913A (en) * 2007-05-03 2010-03-17 Esi电子科技工业公司 Laser micro-machining system with post-scan lens deflection
RU109686U1 (en) * 2011-05-11 2011-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ им. А.Н. Туполева) INSTALLATION FOR GAS-LASER CUTTING
RU2552029C1 (en) * 2013-12-10 2015-06-10 Марк Андреевич Полтавец Optical focusing system with toroidal mirrors
RU2641213C2 (en) * 2016-06-09 2018-01-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Laser optic head
RU2655402C2 (en) * 2016-08-15 2018-05-28 Открытое акционерное общество "558 Авиационный ремонтный завод" Installation for laser treatment of product inner surface

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2750313C2 (en) Method for laser processing of metal material with a high level of dynamic control of the axes of movement of the laser beam along a pre-selected processing path, as well as a machine and a computer program for implementing this method
RU2017144105A (en) LASER CUTTER HEAD WITH ADJUSTABLE COLLIMATOR SUPPLIED WITH MOBILE LENSES FOR ADJUSTING THE BEAM DIAMETER AND / OR FOCAL POINT LOCATION
JPH0839281A (en) Laser cutter with focal position adjusting device
EP3272453B1 (en) A method of laser processing of a metallic material with optical axis position control of the laser relative to an assist gas flow, and a machine and computer program for the implementation of said method
US7248940B2 (en) Method and device for the robot-controlled cutting of workpieces to be assembled by means of laser radiation
KR101043370B1 (en) Work piece positioning method and apparatus for laser micro-machining and the substrate produced by the method and apparatus
JP2012503556A (en) Laser beam post-lens steering for micromachining applications
US20220379402A1 (en) Machining apparatus for laser machining a workpiece, method for laser machining a workpiece
JPH02307692A (en) Beam-guiding device in laser processing equipment
KR20180021096A (en) Laser processing head and laser processing machine including the same
ITMI931115A1 (en) PROCEDURE AND DEVICE FOR THE PROCESSING OF MATERIALS BY MEANS OF A HIGH ENERGY LASER BEAM, AS WELL AS APPLICATIONS OF THIS DEVICE
KR20230031955A (en) Laser processing of workpieces with curved surfaces
RU2641213C2 (en) Laser optic head
RU2741035C1 (en) Laser optical head
US20220266383A1 (en) Machining Apparatus for Laser Machining a Workpiece and Method for Laser Machining a Workpiece
GB2202647A (en) Laser beam focussing
JPS6250094A (en) Cutter by laser beam
RU2646515C1 (en) Universal laser optic head
JP2000084689A (en) Laser beam machining device
US20140346156A1 (en) Adaptive Mirror for a Laser Processing Device
KR100543166B1 (en) Apparatus and method for femto-second laser machining
DE4108419C2 (en) Device for influencing the divergence of a laser beam
JPH02161411A (en) Laser beam machining head
RU2218255C1 (en) Installation for laser working
Hoffmann et al. Process-optimizing adaptive optics for the beam delivery of high-power CO2 lasers