RU2146989C1

RU2146989C1 - Method of laser treatment of metals

Info

Publication number: RU2146989C1
Application number: RU98106263A
Authority: RU
Inventors: А.В. Нестеров; В.Г. Низьев
Original assignee: Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 2000-03-27

Abstract

FIELD: laser technology. SUBSTANCE: method is used for laser cutting, welding and piercing of holes. The method includes creation of laser beam with radial direction of polarization. Plane of vector variations of electric field E at any point of beam cross-section passes through beam axis. Beam is focused on metal being treated. EFFECT: higher efficiency. 1 dwg, 1 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технологии, более конкретно к лазерной резке, сварке, пробивке отверстий. The present invention relates to laser technology, and more particularly to laser cutting, welding, punching.

Известен способ [1] лазерной обработки с применением излучения с круговой поляризацией. При таком способе лазерное излучение с линейной поляризацией, выходящее из лазера, отражается от поворотного зеркала с фазосдвигающим четвертьволновым покрытием. Отраженное излучение имеет круговую поляризацию и направляется на обрабатываемый образец. A known method [1] of laser processing using radiation with circular polarization. With this method, linearly polarized laser radiation exiting the laser is reflected from a swivel mirror with a phase-shifting quarter-wave coating. The reflected radiation has circular polarization and is directed to the processed sample.

Достоинством такого способа является то, что поглощение излучения и на переднем фронте, и на боковых стенках канала реза определяется одним законом, материал равномерно разрушается по всей поверхности. The advantage of this method is that the absorption of radiation both on the leading edge and on the side walls of the cut channel is determined by one law, the material is uniformly destroyed over the entire surface.

Недостатком такого способа является то, что коэффициент поглощения при круговой поляризации и заданном угле падения K равен среднему арифметическому от коэффициентов поглощения S и P-волн K=(K_s + K_p)/2. При больших углах падения, наблюдаемых при сварке, резке, пробивке отверстий, коэффициент поглощения для P-волны значительно выше, чем для S-волны, так что K≈0,5 K_p.The disadvantage of this method is that the absorption coefficient with circular polarization and a given angle of incidence K is equal to the arithmetic mean of the absorption coefficients of S and P waves K = (K _s + K _p ) / 2. At large incidence angles observed during welding, cutting, and punching, the absorption coefficient for the P wave is much higher than for the S wave, so K≈0.5 K _p .

Таким образом, потенциальные возможности поглощения лазерного излучения, заложенные в механизме поглощения P-волны здесь, при круговой поляризации, не реализуются. Thus, the potential absorption of laser radiation inherent in the P-wave absorption mechanism here, with circular polarization, is not realized.

Известен способ [2] лазерной резки металлов, при котором на обрабатываемый образец направляется линейно-поляризованный лазерный луч с одинаковым направлением вектора колебаний электрического поля во всех точках поперечного сечения луча. A known method [2] of laser cutting of metals, in which a linearly polarized laser beam with the same direction of the electric field oscillation vector at all points of the beam cross section is directed to the sample being processed.

Главным недостатком этого способа является то, что при любом положении вектора скорости движения луча по отношению к плоскости колебаний вектора E резка неэффективна, т.к. лишь небольшая доля излучения поглощается и идет на разрушение материала. The main disadvantage of this method is that for any position of the ray velocity vector relative to the plane of oscillation of the vector E, cutting is inefficient, because only a small fraction of the radiation is absorbed and goes to the destruction of the material.

В случае когда вектор скорости движения луча перпендикулярен плоскости колебаний вектора E, коэффициент поглощения излучения на переднем фронте реза мал (соответствует поглощению S-волны). In the case where the ray velocity vector is perpendicular to the plane of oscillation of the vector E, the radiation absorption coefficient at the leading edge of the cut is small (corresponds to the absorption of the S-wave).

Когда вектор скорости движения луча параллелен плоскости колебаний вектора E, коэффициент поглощения излучения на переднем фронте реза велик (соответствует поглощению P-волны), однако поглощение на боковых стенках канала мало (соответствует поглощению S-волны), их разрушение неэффективно, что препятствует проникновению луча вглубь материала. When the beam velocity vector is parallel to the plane of oscillation of the vector E, the radiation absorption coefficient at the leading edge of the cut is large (corresponds to the absorption of the P wave), however, the absorption on the side walls of the channel is small (corresponds to the absorption of the S wave), their destruction is inefficient, which prevents the penetration of the beam deep into the material.

Кроме того, при произвольном направлении движения луча по отношению к плоскости колебаний вектора E параметры реза (глубина, ширина, форма) зависят от направления движения луча, что недопустимо для многих применений. In addition, for an arbitrary direction of the beam with respect to the plane of oscillation of the vector E, the cutting parameters (depth, width, shape) depend on the direction of the beam, which is unacceptable for many applications.

Техническая задача изобретения - повышение эффективности и предельных параметров лазерной обработки. The technical task of the invention is to increase the efficiency and limit parameters of laser processing.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе обработки металлов лазерным излучением, при котором на обрабатываемый металл направляют линейно- поляризованный сфокусированный луч, создают лазерный луч с радиальным направлением поляризации, при котором плоскость колебаний вектора электрического поля E в любой точке поперечного сечения луча проходит через ось луча. This problem is achieved by the fact that in the known method of metal processing by laser radiation, in which a linearly polarized focused beam is directed to the metal being processed, a laser beam with a radial direction of polarization is created, in which the plane of oscillation of the electric field vector E at any point of the beam cross section passes through axis of the beam.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1, 2. The invention is illustrated in FIG. 12.

Лазерный луч 1 (фиг. 1) с радиальным направлением поляризации фокусируется линзой 2 и направляется на обрабатываемый металл 3. Стрелкой показано направление движения луча, V - скорость движения луча. На фиг. 2a показано направление вектора электрического поля E в поперечном сечении луча при линейной поляризации (прототип). На фиг. 2б показано радиальное направление поляризации, при котором плоскость колебаний вектора электрического поля E в любой точке поперечного сечения луча проходит через ось луча (предлагаемый способ). The laser beam 1 (Fig. 1) with a radial direction of polarization is focused by the lens 2 and is directed to the metal being processed 3. The arrow shows the direction of the beam, V is the speed of the beam. In FIG. 2a shows the direction of the electric field vector E in the cross section of the beam with linear polarization (prototype). In FIG. 2b shows the radial direction of polarization, in which the plane of oscillation of the electric field vector E at any point in the cross section of the beam passes through the axis of the beam (the proposed method).

При лазерной обработке металлов (резке, сварке, пробивке отверстий) таким излучением поглощение на всех стенках происходит по одному и тому же закону, причем коэффициент поглощения имеет максимально возможную величину, соответствующую поглощению P-волны. Происходит более интенсивное разрушение материала, дальнейшее проникновение луча вглубь материала, предельные параметры обработки увеличиваются за счет повышения эффективности использования лазерного излучения. When laser processing of metals (cutting, welding, punching holes) by such radiation, absorption on all walls occurs according to the same law, and the absorption coefficient has the maximum possible value corresponding to the absorption of the P-wave. There is more intense destruction of the material, further penetration of the beam deep into the material, the limiting processing parameters are increased by increasing the efficiency of the use of laser radiation.

Оценка эффективности предложенного решения проводилась по трехмерной теории лазерной резки металлов [3]. Теория лазерной резки металлов адекватно описывает предельные толщины резов, наблюдаемые экспериментально при известных поляризационных характеристиках лазерного излучения: линейной и циркулярной поляризациях. При радиальной поляризации она прогнозирует увеличение предельной толщины разрезаемого металла в два раза по сравнению с циркулярной поляризацией. Физическая причина этого состоит в увеличении коэффициента поглощения излучения на стенках канала. Evaluation of the effectiveness of the proposed solution was carried out according to the three-dimensional theory of laser cutting of metals [3]. The theory of laser cutting of metals adequately describes the limiting thickness of cuts observed experimentally with the known polarization characteristics of laser radiation: linear and circular polarizations. With radial polarization, it predicts a twofold increase in the limiting thickness of the metal being cut compared to circular polarization. The physical reason for this is to increase the absorption coefficient of radiation on the channel walls.

В таблице приведены сравнительные качественные показатели резки металлов лазерным излучением с известными типами поляризации и с применением предлагаемого способа лазерной обработки. The table shows comparative qualitative indicators of metal cutting by laser radiation with known types of polarization and using the proposed laser processing method.

Таким образом, предложенный способ лазерной обработки металлов позволяет увеличить предельные параметры лазерной обработки в несколько раз по сравнению с прототипом. Thus, the proposed method of laser processing of metals allows to increase the limiting parameters of laser processing several times in comparison with the prototype.

Источники информации:
1. А. Г. Григорьянц, А.А. Соколов "Лазерная резка металлов" Книга 7 из серии "Лазерная техника и технология" под редакцией А.Г. Григорьянца Москва, "Высшая школа", 1988 г., стр. 56-61.Sources of information:
1. A. G. Grigoryants, A. A. Sokolov "Laser cutting of metals" Book 7 from the series "Laser Technology and Technology" edited by A.G. Grigoryantsa Moscow, Higher School, 1988, pp. 56-61.

2. "Технологические лазеры" Справочник в двух томах под редакцией Г.А. Абильсиитова Москва, "Машиностроение", 1991 г., том. 1, стр. 171 (прототип). 2. "Technological lasers" Handbook in two volumes edited by G.A. Abilsiitova Moscow, "Mechanical Engineering", 1991, vol. 1, p. 171 (prototype).

3. Низьев В.Г., Нестеров А.В. Форма и глубина реза поляризованным лазерным лучом. Физика и химия обработки материалов. 1998, N 1, стр. 22-28. 3. Nizyev V.G., Nesterov A.V. The shape and depth of cut of a polarized laser beam. Physics and chemistry of materials processing. 1998, N 1, p. 22-28.

Claims

A laser metal processing method in which a linearly polarized focused laser beam is directed to the metal being processed, characterized in that the laser beam is created with a radial direction of polarization, in which the plane of oscillation of the electric field vector E at any point of the beam cross section passes through the axis of the beam.