ES2677904T3 - Procedimiento y dispositivo para el mecanizado de materiales con un rayo láser pulsado generado por un láser de fibra - Google Patents

Procedimiento y dispositivo para el mecanizado de materiales con un rayo láser pulsado generado por un láser de fibra Download PDF

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Abstract

Procedimiento para el mecanizado de materiales con un rayo láser (L) pulsado generado por una fibra láser (4), caracterizado por un elemento de conmutación óptico (16) montado a continuación de la fibra láser (4) de forma externa, en el que el elemento de conmutación óptico (16) dispuesto en la trayectoria de rayo del rayo láser (L) se cierra y se hace pasar a un estado en el que se transmite el rayo láser como pronto cuando la potencia de salida (P) del rayo láser (L) quede por debajo de un valor predeterminado.

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento y dispositivo para el mecanizado de materiales con un rayo laser pulsado generado por un laser de fibra
La invencion se refiere a un procedimiento para el mecanizado de materiales con un rayo laser pulsado generado por un laser de fibra. La invencion se refiere ademas a un dispositivo adecuado para la realizacion del procedimiento.
En el mecanizado de materiales con un rayo laser se usan cada vez mas laseres de fibra, gracias a su construccion compacta, su alto rendimiento y la gran calidad de rayo del rayo laser generado por ellos. En particular en aplicaciones en las que el material se funde con un rayo laser pulsado han surgido, no obstante, una serie de problemas relacionados con la tecnica de fabricacion. En la fusion o el inicio de fusion de polvos inorganicos, por ejemplo, metalicos o ceramicos, o polvos organicos se han mostrado en muchos casos defectos en forma de una realizacion de rechupes o puntos con una menor densidad. Tambien en aplicaciones de soldadura se observaron cordones de soldadura irregulares o soldaduras de una calidad deficiente en soldaduras por puntos.
Los efectos negativos observados se deben sustancialmente a un impulso o pico de relajacion primario que se produce en el arranque de la emision laser, en particular en el caso de laseres de fibra cw o de laseres de fibra gain- switch de modulacion rapida, cuya potencia puede ser un multiplo de la potencia cw nominal. En el diagrama de la Figura 1, la curva a muestra el desarrollo tfpico en el tiempo de la potencia de salida P del rayo laser generado por un laser de fibra, cuando su laser de diodo usado como fuente de luz bombeada se manda con un impulso de corriente I representado en la curva b. En este diagrama puede verse que el arranque de la emision de laser queda retardado un tiempo td respecto al arranque del impulso de corriente I. La potencia de salida P aumenta en este caso rapidamente hasta un valor maximo Ppico, para pasar a continuacion de este aumento breve por oscilacion transitoria a la potencia cw Pcw, que en el ejemplo solo es del 20 % de la potencia maxima Ppico en el impulso de relajacion. El tiempo de retardo td, el valor maximo Ppico y la duracion tw del impulso de relajacion dependen aqu entre otras cosas de la frecuencia de impulsos, de la duracion del impulso y de la potencia cw Pcw pretendida.
En el documento EP 2 136 439 A2 se propone por lo tanto suprimir el impulso de relajacion mediante control del impulso de corriente alimentado al laser de diodo usado como fuente de luz bombeada, controlandose el mismo en un primer intervalo de tiempo a un valor inicial bajo, en el que la potencia de salida del laser alcanza en todo caso un valor que es tan bajo que se impide la aparicion de un impulso de relajacion. En un segundo intervalo de tiempo, el impulso de corriente se controla a continuacion a un valor final. En funcion del valor final pretendido de la potencia de salida de laser puede evitarse mediante una eleccion adecuada de la potencia de salida de laser en el primer intervalo de tiempo y su duracion la aparicion de un impulso de relajacion.
La invencion tiene el objetivo de indicar un procedimiento para el mecanizado de materiales con un rayo laser pulsado generado por un laser de fibra, con el que se eviten en gran medida los efectos poco favorables anteriormente indicados. Ademas, la invencion tiene el objetivo de indicar un dispositivo para la realizacion del procedimiento.
Respecto al procedimiento, el objetivo indicado de acuerdo con la invencion se consigue con un procedimiento con las caractensticas de la reivindicacion, de acuerdo con las que un elemento de conmutacion optico dispuesto en la trayectoria de rayo del rayo laser se cierra como pronto cuando la potencia de salida del rayo laser quede por debajo de un valor predeterminado.
Mediante una eleccion adecuada del valor predeterminado, el mecanizado de materiales comienza como pronto cuando en caso de una aparicion de un pico de relajacion la potencia del mismo haya bajado a un valor con el que ya no se producen los inconvenientes anteriormente indicados. Por consiguiente, quedan claramente mejorados los resultados del mecanizado en el mecanizado de materiales en el que la fusion o el inicio de fusion del material son partes sustanciales del proceso de mecanizado.
Por cierre de un elemento de conmutacion optico se entendera en lo sucesivo un proceso en el que el elemento de conmutacion se hace pasar a un estado en el que se transmite el rayo laser.
Cuando el valor predeterminado asciende a dos veces la potencia de salida cw que resulta en la duracion de impulso al alcanzarse el regimen cw, los inconvenientes anteriormente indicados pueden evitarse de forma fiable.
Puesto que los resultados de mecanizado son tanto mejores cuanto menor es la diferencia entre la potencia maxima que se produce al inicio del impulso y la potencia cw que se ajusta posteriormente, en configuraciones preferibles de la invencion esta previsto que la potencia de salida del rayo laser al cerrarse el elemento de conmutacion optico rebase la potencia de salida cw como maximo un 50 %, preferentemente como maximo un 10 %.
Cuando se detecta una magnitud de medicion correlacionada con la potencia del rayo laser y se usa para el control del elemento de conmutacion, es posible prescindir de mediciones de calibrado complejas, que caracterizan el
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comportamiento de conexion del laser de fibra y el comportamiento de conmutacion del elemento de conmutacion optico y mediciones de control que han de realizarse dado el caso en intervalos regulares para definir el momento de conmutacion.
Respecto al dispositivo, el objetivo de acuerdo con la invencion se consigue con las caractensticas de la reivindicacion 6, que corresponden de forma analoga a las caractensticas indicadas en la reivindicacion 1.
Para mas explicaciones de la invencion, se remite a los ejemplos de realizacion representados en las Figuras. Muestran:
La Figura 1 un diagrama en el que el impulso de corriente I se indica en unidades arbitrarias (U.A.) para el mando de un laser de diodo usado para el bombeo optico, asf como la potencia de salida P de un laser de fibra opticamente bombeado de este modo segun el estado de la tecnica respecto al tiempo t.
La Figura 2 una instalacion de laser adecuada para la realizacion del procedimiento de acuerdo con la invencion en una representacion esquematica.
La Figura 3 un diagrama en el que tambien se indica la potencia de salida P del laser de fibra y el impulso de corriente I respecto al tiempo t y en el que se bloquea el pico de relajacion primario con ayuda del elemento de conmutacion optico.
La Figura 4 una configuracion ventajosa de una instalacion de laser adecuada para la realizacion del procedimiento de acuerdo con la invencion con un detector de radiacion dispuesto en la trayectoria de rayo del rayo laser para detectar una magnitud de medicion correlacionada con la potencia de salida.
Segun la Figura 2, una instalacion de laser comprende un laser de fibra 2, cuya fibra laser 4 es bombeada opticamente por un laser de diodo 6. La luz bombeada (impulso de laser bombeado) emitida por el laser de diodo 6, por regla general, una disposicion de varios emisores individuales, se acopla a fibras de bombeo dispuestas a lo largo de la fibra laser 4 o a un aislamiento de la fibra laser 4 y llega desde allf al nucleo de fibra activable por laser. El rayo laser L generado por la fibra laser 4 se enfoca con un dispositivo de representacion y guiado de rayo 8 mostrado de forma simbolica sobre un material 10 a mecanizar. Una fuente de corriente 12 controlable alimenta un impulso de corriente I al laser de diodo 6. La fuente de corriente 12 se controla con senales de control S1 desde una unidad de control 14 central, pudiendo controlarse de forma variable ademas de la intensidad y la duracion del impulso de corriente I tambien su forma de impulso. Esta unidad de control 14 controla mediante otras senales de control S2, S3 el movimiento relativo entre el material 10 y el rayo laser L, asf como otros parametros del proceso para el proceso de mecanizado.
A continuacion de la fibra laser 4 esta montado de forma externa un elemento de conmutacion optico 16 controlado por la unidad de control, por ejemplo, un interruptor optico, un absorbedor conmutable o un reflector conmutable, que tras un tiempo de retardo Td no se cierra y no transmite el rayo laser L en direccion al material 10 hasta que haya decrecido el impulso de relajacion primario y la potencia de salida del rayo laser haya quedado por debajo de un valor predeterminado. Este valor depende del tipo de mecanizado de materiales, del material y de la potencia pretendida para el mecanizado y debe determinarse mediante experimentos segun el caso de aplicacion. Por consiguiente, el laser de diodo 6 puede mandarse con un impulso de corriente I rectangular, en el que es inevitable la aparicion de un impulso de relajacion, puesto que este se bloquea opticamente al menos en parte, es decir, no se conduce al material.
Esto esta representado en el diagrama de la Figura 3, en el que el tiempo de retardo Td es tan largo que la fibra laser ya ha pasado a un regimen cw con una potencia de salida P al menos aproximadamente constante, no mostrando por consiguiente el impulso de laser representado en la curva a, usado para el mecanizado de materiales, ningun aumento. La duracion del impulso Tc del impulso de corriente I rectangular representado en la curva b es mas larga lo que corresponde al tiempo de retardo Td, para conseguir una duracion de impulso Tp del impulso de laser pretendida o necesaria para el proceso de mecanizado.
Los parametros de mando del laser de fibra, que se muestra en la solicitud a tttulo de ejemplo con el impulso de corriente usado para el mando del laser de diodo, o el comportamiento de conmutacion del elemento de conmutacion optico 16 dependen aqrn del comportamiento de conexion del laser de fibra respectivamente usado y deben determinarse previamente al menos para cada tipo de laser de fibra mediante medicion y deben depositarse en la unidad de control 14.
Es posible prescindir de un calibrado previo de este tipo o de una medicion de control periodica y nueva fijacion de los parametros de mando de la fuente de corriente o del momento de conmutacion del elemento de conmutacion optico, si en la forma de realizacion de la instalacion de laser segun la Figura 4 se detecta una magnitud de medicion correlacionada con la potencia de salida del laser de fibra. Para ello se desacopla por ejemplo una pequena parte del rayo laser mediante reflexion y se detecta la potencia del rayo laser desacoplado en un detector de radiacion 18. La senal de medicion M generada por el detector de radiacion 18 se transmite a la unidad de control 14 central. De
la senal de medicion M se deriva una senal de control S1 para el control del elemento de conmutacion optico 16, cerrandose el elemento de conmutacion optico 16 cuando se detecta por ejemplo en la unidad de control 14 un decrecimiento de la potencia del impulso de relajacion a un valor predeterminado, por ejemplo, un porcentaje de su maximo. Pueden conseguirse resultados de mecanizado especialmente bien reproducibles, si el valor 5 predeterminado corresponde al menos a dos veces, preferentemente al menos a 1,5 veces, en particular al menos a 1,1 veces la potencia cw pretendida o si se detecta que se ha alcanzado una cuspide cw.
Un tiempo de retardo mmimo Td,min preferible de acuerdo con la invencion esta representado en el diagrama de la Figura 3, en el que el elemento de conmutacion optico 16 se cierra ya cuando la potencia de salida P del impulso de
10 relajacion ha decrecido alcanzando aproximadamente dos veces la potencia cw que en el ejemplo representado es de aproximadamente 200 W, habiendo alcanzado en este ejemplo un valor de aproximadamente 400 W. En la practica se ha mostrado que tambien puede bastar que el aumento inicial que se produce por un pico de relajacion, es decir, la potencia de salida P que se presenta en caso de un disparo (cierre) del elemento de conmutacion temprano en el momento del disparo aun en el flanco decreciente no rebasa dos veces la potencia de salida cw Pcw.
15
En los diagramas representados a tftulo de ejemplo estan representados impulsos de laser rectangulares, en los que la potencia de salida es constante en el regimen cw. No obstante, en principio tambien son posibles formas de impulsos en las que la potencia de salida en el regimen cw no es constante sino por ejemplo modulada.
20 En los ejemplos de realizacion representados, el elemento de conmutacion optico 16 esta dispuesto en el exterior de la fibra laser 4. No obstante, en principio tambien es posible integrar el elemento de conmutacion 16 en la fibra laser 4.

Claims (8)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para el mecanizado de materiales con un rayo laser (L) pulsado generado por una fibra laser (4), caracterizado por un elemento de conmutacion optico (16) montado a continuacion de la fibra laser (4) de forma externa, en el que el elemento de conmutacion optico (16) dispuesto en la trayectoria de rayo del rayo laser (L) se cierra y se hace pasar a un estado en el que se transmite el rayo laser como pronto cuando la potencia de salida (P) del rayo laser (L) quede por debajo de un valor predeterminado.
  2. 2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el elemento de conmutacion optico (16) se cierra como pronto cuando la potencia de salida (P) del rayo laser (L) quede por debajo de dos veces la potencia de salida cw (Pcw) que resulta en la duracion de impulso al alcanzarse un regimen cw.
  3. 3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la potencia de salida del rayo laser (L) al cerrar el elemento de conmutacion optico (16) rebasa la potencia de salida cw (Pcw) como maximo un 50 %.
  4. 4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la potencia de salida del rayo laser (L) al cerrar el elemento de conmutacion optico (16) rebasa la potencia de salida cw (Pcw) como maximo un 10 % al cerrar el elemento de conmutacion optico (16).
  5. 5. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que se detecta una magnitud de medicion (M) correlacionada con la potencia de salida (P) del rayo laser (L) y se usa para el control del elemento de conmutacion (16).
  6. 6. Dispositivo para el mecanizado de materiales con un rayo laser (L) pulsado generado por un laser de fibra (2) con un laser de diodo (6) para bombear la fibra laser (4) del laser de fibra (2), una fuente de corriente (12) controlable para alimentar un impulso de corriente (I) al laser de diodo (6), caracterizado por un elemento de conmutacion optico (16) dispuesto en la trayectoria de rayo del rayo laser (L), montado a continuacion de la fibra laser (4) de forma externa, asf como una unidad de control (14) para la realizacion de un procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4.
  7. 7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 6, con un detector de radiacion (18) para la medicion de una magnitud de medicion (M) correlacionada con la potencia de salida (P) del rayo laser (L), en el que la unidad de control (14) esta concebida para la realizacion del procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 5.
  8. 8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicacion 6 o 7, en el que el elemento de conmutacion optico (16) esta integrado en la fibra laser (4).
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