Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки

Получено аналитическое выражение глубины резки через постоянную преобразования пучка и угол его сходимости при допущении, что каустическая поверхность сфокусированного пучка имеет форму однополостного гиперболоида вращения. Для практического использования полученного соотношения приведены формулы по...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автор:	Гаращук, В.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2006
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Производственный раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99142
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки / В.П. Гаращук // Автоматическая сварка. — 2006. — № 11 (643). — С. 38-40. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-99142
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-991422016-04-24T03:02:17Z Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки Гаращук, В.П. Производственный раздел Получено аналитическое выражение глубины резки через постоянную преобразования пучка и угол его сходимости при допущении, что каустическая поверхность сфокусированного пучка имеет форму однополостного гиперболоида вращения. Для практического использования полученного соотношения приведены формулы постоянной преобразования пучка применяемых на практике резонаторов и лазеров. An analytical expression of cutting depth was derived through the constant of beam transformation and its angle of convergence with the assumption that the caustic surface of the focused beam has the shape of a single-cavity hyperboloid of revolution. For practical use of the derived relationship, formulas of the constant of beam conversion in resonators and lasers applied in practice are given. 2006 Article Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки / В.П. Гаращук // Автоматическая сварка. — 2006. — № 11 (643). — С. 38-40. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99142 621.791.72:621.375.826 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Производственный раздел Производственный раздел
spellingShingle	Производственный раздел Производственный раздел Гаращук, В.П. Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки Автоматическая сварка
description	Получено аналитическое выражение глубины резки через постоянную преобразования пучка и угол его сходимости при допущении, что каустическая поверхность сфокусированного пучка имеет форму однополостного гиперболоида вращения. Для практического использования полученного соотношения приведены формулы постоянной преобразования пучка применяемых на практике резонаторов и лазеров.
format	Article
author	Гаращук, В.П.
author_facet	Гаращук, В.П.
author_sort	Гаращук, В.П.
title	Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки
title_short	Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки
title_full	Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки
title_fullStr	Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки
title_full_unstemmed	Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки
title_sort	технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Производственный раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/99142
citation_txt	Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки / В.П. Гаращук // Автоматическая сварка. — 2006. — № 11 (643). — С. 38-40. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT garaŝukvp tehnologičeskieharakteristikilazernogopučkadlârezkiisvarki
first_indexed	2025-07-07T07:32:48Z
last_indexed	2025-07-07T07:32:48Z
_version_	1836972579024273408
fulltext	УДК 621.791.72:621.375.826 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА ДЛЯ РЕЗКИ И СВАРКИ В. П. ГАРАЩУК, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Получено аналитическое выражение глубины резкости через постоянную преобразования пучка и угол его сходимости при допущении, что каустическая поверхность сфокусированного пучка имеет форму однополостного гиперболоида вращения. Для практического использования полученного соотношения приведены формулы постоянной преобра- зования пучка применяемых на практике резонаторов и лазеров. К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерная сварка, лазерная резка, фо- кусировка, лазерный пучок, постоянная преобразования пуч- ка, глубина резкости В лазерных термических технологиях обработки ма- териалов технологически важными характеристика- ми лазерного излучения являются не только его мощность, но и способность фокусироваться до ма- лых размеров с помощью длиннофокусных объек- тов с большой глубиной резкости. Под последней будем понимать длину сфокусированного пучка в окрестностях его горловины, в пределах которой площадь его сечения изменяется незначительно. Глубина резкости 2lR в работе [1], где она названа длиной Рэлея, определена как расстояние между се- чениями сфокусированного пучка, площадь кото- рых в 2 раза больше площади сечения горловины. Очевидно, чем больше глубина резкости при равных мощности пучка и площади сечения горловины, тем глубже проплавление металла при сварке, если ре- жим проплавления глубокий; при резке толщина разрезаемого материала больше, а стенки реза имеют меньшее заокругление; при других лазерных процессах требования к точности фокусировки сни- жаются. В приближении параксиальной оптики, кото- рое при работе с лазерным излучением практи- чески выполняется, глубина резкости определя- ется комплексным параметром светового пучка Q = nuh, (1) где n — показатель преломления среды, в которой сфокусирован пучок; u — угол между крайним лучом в сходящемся сфокусированном пучке и главной оптической осью (угол сходимости); 2h — размер горловины, если же она имеет осе- вую симметрию, то ее радиус r(0) = h (рисунок). Для данного пучка значение Q постоянно при всех его преобразованиях оптическими системами. Этот параметр одни авторы называют инвариан- том Лагранжа–Гельмгольца [2], другие — инва- риантом Смита–Гельмгольца [3], хотя к его вы- воду имеют отношение и другие авторы [3]. В инос- транных литературных источниках этот параметр называют произведением параметров пучка, а мы предлагаем термин «постоянная преобразования пучка». Поскольку большинство лазерных техно- логий выполняется на воздухе, то показатель пре- ломления n = 1, соотношение (1) упрощается: Q = uh. Целью настоящей работы является получение аналитической зависимости глубины резкости сфокусированного пучка от постоянной преобра- зования. Для определения глубины резкости примем, что каустическая поверхность сфокусированного пучка, как и лазерного пучка, сформированного в устой- чивом резонаторе, имеет форму однополостного ги- перболоида вращения, у которого радиус горловины и угол наклона асимптоты равны соответственно радиусу горловины r(0) и углу сходимости u сфо- кусированного пучка. По-видимому, такой гипер- болоид должен достаточно точно описывать реаль- ную каустическую поверхность. Для решения этой задачи воспользуемся ци- линдрической системой координат. Пусть свето- вой пучок распространяется вдоль оси z, а изме- нение радиуса пучка отражает координата r. При- мем, что распределение интенсивности по радиусу пучка не зависит от азимута. Тогда каустическая поверхность сфокусированного пучка будет опи- сываться © В. П. Гаращук, 2006 Сфокусированный лазерный пучок: L — фокусирующий объектив 38 11/2006 r2(z) r2(0) = 1 + z 2 b2, где b — параметр, который необходимо опреде- лить. Воспользуемся критерием глубины резкос- ти, принятым в работе [1]. Тогда будет справед- ливо равенство 2lR = 2b. Из свойств гиперболы следует lim z → ∞ r(z) r(0) = zb, откуда r(z) z = u = r(0) b и b = r(0) u . Умножив числи- тель и знаменатель на u, получим искомое вы- ражение b = r(0) u uu ≡ Q u2, (2) из которого, используя угол сходимости сфоку- сированного пучка и постоянную преобразования пучка данного лазера, можно вычислить глубину резкости 2b. Последняя, как правило, имеется в паспортных данных лазера. Угол u легко опре- делить экспериментально как отношение радиуса термограммы пучка на фокусирующем элементе r(zф) к расстоянию от него до горловины сфоку- сированного пучка zг, которое практически равно фокусному расстоянию f фокусирующего элемен- та. Тогда уравнение (2) можно записать следую- щим образом: b = Q u2 = Q f 2 r2(zф) . (3) Из соотношений (2) и (3) следует, что глубина резкости тем больше, чем больше радиус горло- вины и постоянная преобразования, которая про- порциональна квадрату фокусного расстояния фо- кусирующего объектива и обратно пропорцио- нальна квадрату радиуса пучка в нем. Полученные соотношения позволяют предви- деть изменение геометрических параметров реза или проплавления в случае обработки длинномер- ных изделий, например, с использованием декар- тового манипулятора, в котором фокусирующий объектив перемещается относительно неподвиж- ного изделия. Как правило, при распространении лазерного пучка в пространстве его радиус уве- личивается. Следовательно, при самом близком по отношению к лазеру положении фокусирую- щего объектива глубина резкости сфокусирован- ного пучка будет больше, чем при самом дальнем, что, безусловно, скажется на параметрах обработ- ки. Будут ли такие изменения в пределах допуска зависеть от угла расходимости лазерного пучка, а именно, чем он меньше, тем меньше отличаются зоны обработки в крайних положениях фокуси- рующего объектива манипулятора. Для практического использования соотноше- ния (2) ниже приведены аналитические выраже- ния для постоянной преобразования пучка извес- тных в практике резонаторов и лазеров. В работе [1] дано выражение для постоянной преобразования лазерного пучка, сформированно- го в устойчивом резонаторе, моды ТЕМ00 Q00 = θw00 = λ ⁄ π, где θ ≡ u; w00 ≡ h; λ — длина волны излучения. В работе [4] показано, что постоянная преобра- зования лазерного пучка моды ТЕМpq для круглых зеркал равна Qpq = Q00(2p + q + 1), здесь p и q индексы моды. Для пучка, сформированного в неустойчивом резонаторе с выводом его мимо круглого зеркала (что наиболее распространено), постоянная пре- образования составляет Q ≈ 0,55λM/(M – 1), (4) где M — увеличение резонатора. Лазерный пучок, сформированный в одиноч- ном волокне волоконного лазера с диаметром све- товолокна dc < 10λ характеризуется постоянной преобразования Q ≈ 0,25λ, а для пучка, переданного по световолокну, Q ≤ 0,5 ANdc, где AN = √⎯⎯⎯⎯⎯nc 2 – no 2 — его числовая апертура; nc и no — показатели преломления соответственно сер- цевины и оболочки. В последние годы мощность щелевых лазеров достигла значений в несколько киловатт. Этого вполне достаточно для выполнения лазерных тер- мических технологий. Лазерный пучок на выходе из резонатора имеет в поперечном сечении форму вытянутого прямоугольника. С помощью оптичес- кой системы его форма преобразуется в квадрат- ную или круглую. Такой пучок характеризуется постоянной преобразования, которую можно опи- сать соотношением (4), где M = ∞; тогда (4) будет иметь вид Q = 0,61λ. (5) Среди технологических лазеров значительную часть составляют многопучковые лазеры, в кото- рых для достижения большей мощности лазерного пучка объединяют множество пучков меньшей мощности, например CO2-лазеры [5], а также по- 11/2006 39 лупроводниковые [1] и волоконные [6]. Отдель- ные пучки могут быть когерентными или неко- герентными между собой. При фокусировке таких составных пучков тождественными фокусирую- щими системами получены различные радиусы горловины сфокусированного пучка, такой же ин- тенсивности как на его оси, а также средние по сечению горловины. При выводе формулы для определения пос- тоянной преобразования многопучкового лазера примем, что оси всех составляющих пучков строго параллельны между собой и их расходимость рав- на. В лазерах, предназначенных для непосредст- венного использования в термических техноло- гиях, составляющие пучки располагаются так, чтобы составной пучок имел минимальные по- перечные размеры. При вычислении радиуса гор- ловины сфокусированного составного пучка и его интенсивности примем, что фокусное расстояние F фокусирующего элемента будет не менее чем в 5 раз больше диаметра D составного пучка, т. е. F ≤ 5D. Выполнение этого условия минимизирует влияние сферической аберрации. Случай 1. Составляющие пучки некогерентны между собой. Пусть составляющие пучки гене- рируются лазером, работающим в волноводном режиме, а диаметр активного элемента составляет 2а. Тогда половина угла расходимости отдельного пучка α = 0,61λ/а, а радиус горловины сфокуси- рованного пучка, составленного из множества не- когерентных пучков, равен rнк(0) = αF ≡ h. (6) При этом угол u = D/2F. Следовательно, пос- тоянная преобразования составного пучка будет Q = rнкu = 0,61λD ⁄ 2a. Отношение D/2a = √⎯⎯N , где N — количество ис- точников в наборе. Окончательно Q = 0,61λ√⎯⎯N . Случай 2. Составляющие пучки когерентны между собой. Горловина сфокусированного сос- тавного пучка является результатом интерфе- ренции сфокусированных составляющих пучков. Простое соотношение типа (6) для составного пуч- ка отсутствует. Поэтому для вычисления радиуса пучка воспользуемся выражениями для средней интенсивности сфокусированного пучка в горло- вине. Как следует из работы [2], интенсивность суммарного излучения от некогерентных источ- ников света I∑ нк равна сумме интенсивностей от- дельных источников I∑ нк = NI1, где I1 — интенсив- ность, создаваемая световым пучком отдельного лазера. Для когерентных источников суммарная интенсивность I∑ к равна квадрату числа составля- ющих пучков I∑ к = N2I1 или I∑ к = NI∑ нк. Если сум- марная мощность обоих составных пучках (коге- рентных и некогерентных) одинакова, то радиус горловины для когерентных пучков можно опи- сать соотношением rк(0) = 1 √⎯⎯N rнк(0). Тогда постоянная преобразования будет Q = rк(0)u = 1 √⎯⎯N rнк(0)u = 0,61λ, т. е. совпадает с (5). Строго говоря, соотношение I∑ к = N2I1 не выполняется, поскольку при интер- ференции дифрагирующих на апертуре отдельных лазеров пучков возникнут дополнительные боко- вые лепестки, а при фокусировке боковые мак- симумы — горловины, что подтверждается в ра- боте [7]. Очевидно, их интенсивность тем меньше, чем меньше составляющих пучков и больше их диаметр 2а. Положение боковых максимумов оп- ределяется законом расположения составляющих пучков в составном пучке. 1. Einfuеruhg in die industrielle Lasermaterialbearbeitung. — Hamburg: Rofin, 2002. — 144 S. 2. Ландсберг Г. С. Оптика. — М.: Наука, 1976. — 926 с. 3. Борн М., Вольф Е. Основы оптики. — М.: Наука, 1973. — 720 с. 4. Гаращук В. П. Основи фізики лазерів. Лазери для тер- мічних технологій: Навчальний посібник. — К.: ІЕЗ ім. Є. О. Патона, 2005. — 244 с. 5. Технологические лазеры: Справ. в 2 т. / Под ред. Г. А. Абильсиитова. — М.: Машиностроение, 1991. — Т. 1. — 432 с. 6. Накатани Х. Разработка мощных волоконных лазеров и их применение // Свароч. техника. — 2004. — № 3. — С. 108–114. 7. Hergenhan G., Schull M., Brauch U. Kohaеrente Vertikale- mitter — Arrays // Laser Opto. — 2001. — 33, № 3. — S. 68–75. An analytical expression of cutting depth was derived through the constant of beam transformation and its angle of convergence with the assumption that the caustic surface of the focused beam has the shape of a single-cavity hyperboloid of revolution. For practical use of the derived relationship, formulas of the constant of beam conversion in resonators and lasers applied in practice are given. Поступила в редакцию 20.02.2006 40 11/2006

Технологические характеристики лазерного пучка для резки и сварки

Репозитарії

Схожі ресурси