Способ лазерной обработки поверхности материалов

 

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для обработки различных материалов (металл, дерево, кость, кожа, пластмасса) и изделий из них в промышленности, а также для модификации структуры поверхности оптических материалов. Сущность изобретения состоит в том, что площадь обрабатываемой поверхности разбивает на элементарные площадки с линейными размерами , где d - диаметр сфокусированного на поверхность обработки пучка лазерного излучения. Сфокусированный пучок лазерного излучения перемещают по этим площадкам с площадью по координатам X и Y со скоростями, которые определяют из соотношений: v_x= mp/Δq_ijb, v_y= nP/Δq_ija, где V_x, V_y - скорости перемещения сфокусированного пучка по элементарным площадкам по координатам X и Y соответственно, a, b - линейные размеры обрабатываемой поверхности по координатам X и Y соответственно, n, m - число элементарных площадок по координатам X и Y соответственно, P - мощность лазерного излучения в фокальном пятне на обрабатываемой поверхности, Δq_ij - энергия поглощенная элементарной площадкой, задаваемая распределением энергии g(x, y) по площади обрабатываемой поверхности. Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого способа, состоит в обеспечении возможности формирования на поверхности обрабатываемого материала или изделия рельефного рисунка заданной конфигурации или изображения с заданным контрастом, т. е. заданного распределения изменения свойств поверхности под действием лазерного излучения. 2 ил.

Изобретение относится к лазерной технике и может быть использовано для различных материалов (металл, дерево, кость, кожа, пластмасса) и изделий из них в промышленности, а также для модификации структуры поверхности оптических материалов.

Известен способ лазерной обработки поверхности материалов и устройство для его реализации заключающийся в синхронном перемещении по двум координатам со скоростями V₁ и V₂ совмещенных, сфокусированных и уравненных в размерах в плоскости обработки пучков технологического лазера ИК диапазона спектра и лазера видимого диапазона спектра и в сканировании зоны обработки в плоскости оптически сопряженной с плоскостью обработки относительно неподвижного отверстия размером l, причем l≅0,1d, где d размер зоны обработки, перемещением сфокусированного пучка видимого диапазона спектра со скоростью V₃, причем V₃ < V₁, V₂ [А.с. N 1635017, кл. B 23 K 26/04, БИ N 10 1990 г.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата, относятся отсутствие ограничений на скорость перемещения сфокусированного пучка лазерного излучения по обрабатываемой поверхности и, следовательно, отсутствие ограничений на длительность воздействия на конкретный участок обрабатываемой поверхности, приводящего к конкретному изменению свойств обрабатываемой поверхности в соответствии с заданным распределением изменения свойств по всей площади обрабатываемой поверхности, что не позволит сформировать на обрабатываемой поверхности рельефный рисунок заданной конфигурации или изображение с заданным контрастом.

Известен способ сверления отверстий и устройство для его реализации заключающийся в том, что площадь отверстий разбивают на ряд концентрических окружностей, размеры двух ближайших из которых отличаются на величину шага, не превышающего диаметр сфокусированного на поверхность пучка лазерного излучения, а сфокусированный пучок последовательно перемещают по концентрическим окружностям с постоянной линейной скоростью на каждой из них, начиная либо от центра, либо от внешнего радиуса отверстия [А.с. N 1750900 А1, кл. B 23 K 26/00, 30.07.92 г] Данный способ по своей технической сущности наиболее близок к заявляемому и поэтому выбран авторами за прототип.

К причинам препятствующим достижению технического результата при использовании способа-прототипа относятся, также как и способе-аналоге, отсутствия ограничений на скорость перемещения сфокусированного пучка лазерного излучения по обрабатываемой поверхности.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для формирования на поверхности обрабатываемого материала или изделия рельефного рисунка заданной конфигурации или изображения с заданным контрастом (например, с различной степенью почернения или посветления), т.е. заданного распределения изменения свойств поверхности под действием лазерного излучения необходимо создать способ, позволяющий осуществлять конкретное изменение свойств поверхности конкретным участком обрабатываемой поверхности.

Заданное распределение изменения свойств поверхности под действием лазерного излучения, т.е. определенное конкретное изменение свойств для каждого конкретного участка площади обрабатываемой поверхности при одинаковой мощности лазерного излучения в зоне воздействия, равной диаметру фокального пятна, и изотропности свойств поверхности обрабатываемого материала, может быть достигнуто изменением длительности воздействия Δτ на данный конкретный участок или, что тоже самое изменением скорости перемещения пучка лазерного излучения по участкам обрабатываемой поверхности.

В случае, если оптические (коэффициент отражения и поглощения) и иные (теплопроводность, плотность, температуропроводность, и т.д.) свойства поверхности обрабатываемого материала анизотропны (например, неоднородны по плотности) следует стремиться к уменьшению длительности воздействия, т.е. к увеличению скорости перемещения и мощности излучения, при которой неоднородность свойств на результат воздействия сказывается в меньшей степени.

Таким образом при обработке поверхности материала или изделия сфокусированным пучком лазерного излучения, который перемещают по элементарным участкам поверхности с площадью где a, b линейные размеры обрабатываемой поверхности в координатах X и Y соответственно, n, m число элементарных участков на обрабатываемой поверхности по координатам X и Y соответственно, со скоростью пропорциональной поглощаемой поверхностью этих элементарных участков энергии Δq_ij приводящей к конкретному изменению свойств поверхности на каждом конкретном участке, может быть сформировано заданное распределение изменения свойств поверхности.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемого способа достигается тем, что в способе лазерной обработки поверхности разбивают площадь обрабатываемой поверхности на элементарные площадки с линейными размерами где d диаметр сфокусированного на поверхность обработки пучка лазерного излучения по этим площадкам с площадью по координатам X и Y определяют из соотношений: где V_x, V_y скорости перемещения сфокусированного пучка лазерного излучения по элементарным площадкам по координатам X и Y соответственно; a, b линейные размеры обрабатываемой поверхности по координатам X и Y соответственно; n, m число элементарных площадок по координатам X и Y соответственно; P мощность лазерного излучения в фокальном пятне на обрабатываемой поверхности; Δq_ij энергия, поглощенная элементарной площадкой, задаваемая распределением энергии q(x, y) по площади обрабатываемой поверхности.

Для создания заданного распределения изменения свойств поверхности при лазерной обработке линейные размеры конкретного участка обрабатываемой поверхности элементарной площадки, на которые разбивают обрабатываемую поверхность при определении траектории и скорости движения сфокусированного на поверхность пучка лазерного излучения ограничиваются диаметром этого сфокусированного пучка, т.е. Скорость перемещения по элементарным площадкам с площадью при любой траектории движения (которую чаще всего выбирают из условия минимизации энергетических затрат при обработке) сфокусированного пучка определяются из условия поглощения конкретной элементарной площадкой энергии Δq_ij необходимой для конкретного изменения свойств поверхности в соответствии с заданным распределением энергии q(x, y) по площади обрабатываемой поверхности, создающим это заданное распределение изменения свойств, т.е.

где длительность воздействия сфокусированного пучка лазерного излучения на конкретную площадку при данной мощности P в фокальном пятне на обрабатываемой поверхности.

Мощность излучения в фокальном пятне на обрабатываемой поверхности определяется материалом изделия, однородностью его свойств.

Ограничением по мощности является степень разрушения материала. Ограничением по скорости перемещения сфокусированного пучка лазерного излучения является инерционность конкретных исполнительных механизмов - сканаторов и, хотя в меньшей степени, быстродействие ЭВМ, управляющей движением пучка.

Например, при обработке дерева и фанеры используется мощность 10 Вт. При обработке стекла для предотвращения возникновения термических напряжений следует использовать кратковременное воздействие, т.е. высокие скорости перемещения пучка как при относительно малых мощностях, где рельефный рисунок формируется за счет сталкивания с поверхности обработки малых частичек стекла, так и при мощностях 50-60 Вт, где рельефный рисунок формируется за счет испарения стекла. Такой режим воздействия может сопровождаться побелением или потемнением зоны воздействия за счет кристаллизации или перераспределения примесей.

Обработка металлических поверхностей также может быть осуществлена в двух режимах режиме с относительно малой мощностью (до 10 ВТ), где рисунок на поверхности образуется за счет структурных превращений без разрушения материала и в энергоемком режиме испарения при мощности до 100 Вт.

Образование рельефного рисунка на коже и пластмассе производится при относительно малых мощностях воздействия до 10 Вт. Ограничение по мощности, как и в случае с деревом, выбирается экспериментально.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен способ, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого способа, а по отношению к техническому результату выявлена совокупность отличительных существенных признаков.

Следовательно, заявляемый способ соответствует требованию новизны.

Для проведения соответствия заявляемого способа требования изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений для выявления признаков, создающих с отличительными из прототипа признаками заявляемого изобретения.

Результат этого поиска показывает, что заявляемый способ не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

На чертеже представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа (фиг. 1). Это устройство должно содержать следующие основные элементы:
I. источник излучения (1) с блоком питания (2) технологический лазер непрерывного действия, предназначенный для теплового воздействия на обрабатываемый материал в плоскости обработки (12). CO₂ лазер ( λ10,6 мкм) или ИАГ лазер ( l1,06 мкм);
II. формирующую оптическую систему, содержащую затвор (3), сканаторы (4) с блоком питания и усиления (8) и фокусирующую систему (5);
III. управляющую систему ЭВМ типа IBM-PC/XI (9) для управления сканаторами (4) и затвором (3);
IV. систему визуализации излучения технологического лазера, состоящую из лазера видимого диапазона спектра, например, He-Ne лазер с l0,63 мкм (6), оптическую систему (7), поворотные зеркала (10) и (11) и формирующую линзу (5).

Работает устройство следующим образом. Излучение технологического лазера (1) проходит через открытый электромеханический затвор (3), отражается от зеркал сканатора (4) и фокусируется объективом (5) в плоскости обработки (12). Сканирование сфокусированного лазерного пучка по заданной траектории с заданной скоростью в плоскости обработки осуществляется зеркалами сканатора (4), управляемыми управляющей системой (9).

Для визуализации размеров зоны воздействия и определения ее пространственного расположения в плоскости обработки используется излучение He-Ne лазера (6), которое при помощи поворотных зеркал (10) и (11) совмещается с излучением технологического лазера. Оптическая система (7) совместно с фокусирующей системой (5) служит для изменения размеров сечения пучка видимого диапазона спектра в плоскости обработки.

В качестве примера, иллюстрирующего работу устройства и поясняющего суть способа, рассмотрим пример формирования рельефного рисунка сложной формы площадью 25 см² на пластине из кварцевого стекла.

Разбиваем площадь поверхности рисунка на ряд элементарных площадок с линейными размерами где d диаметр сфокусированного в плоскость обработки пучка лазерного излучения, для данного конкретного устройства d приблизительно 100 мкм. Для каждой элементарной площадки ΔS_ij задаем глубину рельефа H_ij, отсчитывая ее от поверхности пластины, т.е. H_min=0 уровень поверхности.

Диапазон глубины H_min-H_max рельефа рисунка для кварцевого стекла составляющей приблизительно 2 мм, можно достичь при определенных фиксированных значениях мощности излучения в фокальном пятне на обрабатываемой поверхности, например, P₁, P₂, P₃, P₄, P₅ < 10 Вт.

По зависимостям Η = f(Δτ) где Δτ длительность воздействия, построенным на основе экспериментальных данных для фиксированных значений мощности излучения P, определяются зависимости H=f(v) (фиг. 2).

При выборе мощности излучения P из ряда возможных значений предпочтение отдается варианту, обеспечивающему максимальную производительность обработки (использование высоких скоростей) и максимальное использование всего диапазона допустимых скоростей для данного сканатора. Для зависимостей, приведенных на фиг. 2 этим требованиям отвечает вариант с мощностью P₃, описываемый кривой 3.

Управление сканатором, обеспечивающим для каждой элементарной площадки DS_ij скорость V_ij, т.е. глубину рельефа H_ij, осуществляется управляющей системой.

Таким образом, вышеизложенные сведения подтверждают возможность осуществления способа в той совокупности, которая изложена в независимом пункте формулы.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию промышленная применимость.

Формула изобретения

Способ лазерной обработки поверхности материалов, заключающийся в том, что обрабатываемую поверхность разбивают по одной координате на элементарные площадки, линейный размер которых в направлении разбиения равен диаметру сфокусированного на поверхность обработки пучка лазерного излучения и перемещают этот пучок по полученным площадкам, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют разбиение на элементарные площадки по второй координате с линейным размером разбиения, равным линейному размеру разбиения по первой координате, а скорости перемещения сфокусированного пучка лазерного излучения по элементарным площадкам с площадью по координатам X и Y определяют из соотношений


где v_x, v_y скорости перемещения сфокусированного пучка лазерного излучения по координатам X и Y соответственно;
a, b линейные размеры обрабатываемой поверхности по координатам X и Y соответственно;
m, n число элементарных площадок по координатам X и Y соответственно;
P мощность лазерного излучения в фокальном пятне на обрабатываемой поверхности,
Δq_ij - энергия, поглощенная элементарной площадкой ΔS_ij, задаваемая распределением энергии q(X,Y) по площади обрабатываемой поверхности.

РИСУНКИ

Рисунок 1