ЛАЗЕРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПРОТЯЖЕННЫХ ОТВЕРСТИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области лазерных технологий обработки материалов и может быть использована в составе мощных лазерных технологических установок в качестве оконечного рабочего модуля (лазерного инструмента), обеспечивающего подвод в зону обработки лазерного излучения и вспомогательного газа.
Целевым назначением предлагаемой полезной модели является ее использование в составе лазерных установок для значительного увеличения длины формируемых ими отверстий в различных типах материалов.
Аналогом оконечного рабочего модуля является резак (оптическая система с силовым объективом и устройством подачи вспомогательного газа), входящий в состав лазерной машины серии МЛЗ (производитель - НПЦ "Лазеры и аппаратура ТМ", Россия). Указанная лазерная машина предназначена для резки и сложно-контурного раскроя листового металла, резки неметаллических материалов, гравировки, прошивки отверстий, сверления изделий из металлов.
Особенностью формирования отверстий с использованием указанной оптической системы является осуществление обработки материала при расположении сопла, являющегося выходным отверстием для лазерного пучка, над обрабатываемой поверхностью. В результате этого образуемые отверстия имеют существенные ограничения по длине и в зависимости от типа материала редко превосходят величину 50 мм (как правило, соотношение длины отверстия к его диаметру не превышает 50).
Задача, решаемая с использованием предлагаемой полезной модели, заключается в обеспечении лазерного формирования протяженных отверстий (длиной в несколько метров, с величиной отношения длины отверстия к его диаметру более 100) в различных материалах. Решение указанной задачи достигается путем использования следующего способа обработки материала. Лазерное излучение передается к обрабатываемой поверхности по кварцевому оптическому волокну. При этом волокно располагается в коаксиальном сопле, по которому в область обработки передается вспомогательный газ, обеспечивающий удаление из образуемого отверстия продуктов разрушения обрабатываемого материала и защиту волокна от перегрева. По мере образования канала сопло с расположенным внутри него волокном перемещаются вглубь формируемого отверстия.
Технический результат от использования полезной модели заключается в возможности формирования отверстий длиной до 10 м в различных типах материалов. Величина диаметра образуемых отверстий в основном определяется физическими характеристиками обрабатываемого материала и плотностью мощности лазерного излучения на поверхности обработки.
Конструкция лазерного инструмента представлена на Фиг.1.
Основными элементами лазерного инструмента являются:
- оптическое волокно (магистральный световод);
- система подачи вспомогательного газа.
Магистральный световод (1) служит для передачи излучения от лазера к месту обработки материала. В качестве световода может быть использовано оптическое волокно типа кварц-кварц или кварц-полимер с диаметром сердцевины от 200 мкм до 1000 мкм длиной до 100 м.
Система подачи вспомогательного газа включает в себя:
- металлическое сопло;
- гибкий шланг;
- муфту.
Металлическое сопло (2) и гибкий шланг (3) помимо соосной с лазерным излучением подачи вспомогательного газа в зону обработки обеспечивают защиту волокна от механических повреждений в процессе его перемещения по образованному отверстию и от термических воздействий продуктов обработки материала. Позиционирование волокна в сопле обеспечивается следующим образом. В четырех сечениях металлического сопла, разнесенных с шагом 5 мм, сделаны выдавки (пукли) сферической формы в направлении центральной оси детали. В каждом из сечений по линии окружности симметрично расположены три пукли, ориентированные с поворотом на 180° относительно группы таких же элементов в соседнем сечении. Общее число пуклей составляет 12. Три из них, расположенные в первом от края сопла сечении, центруют сердцевину волокна и являются упором, обеспечивающим заглубление выходного торца световода внутрь насадки на расстояние 1 мм. Остальные элементы центруют и фиксируют волокно внутри насадки, сдавливая его по защитной оболочке с небольшим натягом.
Металлическое сопло выполнено из никелевой трубки марки ДКРНТ 2×0,15 НК 0,2Э (ГОСТ 13548-77). Гибкий шланг изготовлен из полипропиленовой трубки марки 1030 ТУ 2293-010-56170091-2004. Термические свойства материала позволяют работать с инструментом при температуре до 250°С без изменения прочностных качеств.
Гибкий шланг подсоединяется к штуцеру (10), закрепленному на фланце (5).
Длина гибкого шланга определяется требуемой длиной отверстия.
Муфта предназначена для подключения источника вспомогательного газа (сжатого воздуха) к лазерному инструменту.
Муфта состоит из корпуса (4), фланца (5), гайки (6), уплотнительной прокладки (7), сальника (8) и штуцера (9).
Корпус (4) служит для соединения частей муфты. Внутри корпус имеет сквозной рабочий канал и боковой канал охлаждения. Рабочий канал снабжен конической и цилиндрической выточками для размещения уплотнительных элементов. На корпусе муфты имеется резьба для соединения с фланцем (5) и гайкой (6).
Фланец служит для крепления штуцера (10) и поджатия уплотнительной прокладки (7).
Оптическое волокно вводится в рабочий канал муфты через отверстие в гайке (6) и сальник (8). Сальник является одновременно уплотнительным и зажимным элементом. Зажим волокна после его установки в рабочее положение осуществляется поворотом гайки. При этом сальник сдавливается внутри конического отверстия корпуса и обжимает волокно.
На входе канала охлаждения запрессован штуцер (9), к которому подсоединяется шланг от источника воздуха. Через канал охлаждения воздух поступает в рабочий канал и по внутренней полости сопла транспортируется в зону обработки.
По-сравнению с используемыми в настоящее время оконечными рабочими модулями лазерных технологических установок, предлагаемая полезная модель устраняет существующие ограничения по длине образуемых отверстий. Использование указанной модели позволяет формировать отверстия длиной в несколько метров. При этом принципиальных ограничений по длине образуемых отверстий не выявлено.