СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ МНОГОВОЛОКОННАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к лазерной технике и может использоваться в специализированных лазерных технологических комплексах для поверхностного упрочнения, наплавки и легирования быстроизнашивающихся поверхностей деталей из различных металлов и сплавов.
2
Любой лазерный комплекс укомплектован системой передачи излучения. (Промышленный форум. Обсуждение вопросов металлообработки. Forum 2×2.ru) Лазерное излучение в зависимости от типа лазера транспортируется в поворотную головку либо системой поворотных стационарных зеркал, (пятикоординатные установки фирмы «Трумпф», «Прима индустрия», «Мазак» и ряд других с СO-лазерами), находящихся на подвижных каретках, либо с помощью волоконного кабеля, сочлененного QBH-разъемом непосредственно с поворотной головкой для иттербиевого волоконного лазера и твердотельного (см. RU 2386523, RU 86129).
Такие лазерные технологические комплексы в основном используются для обработки металлических изделий.
В газовых и твердотельных лазерах, как правило, применяется зеркальная система передачи излучения. В виду подвижности некоторых передающих оптических элементов эта система получила название «летающая оптика». Из-за длины излучения, данная система передачи применяется и является в СO2 лазерах единственно возможной.
Известны лазерные технологические комплексы (RU, 2397055, В23К 26/08; RU, 2095431, C21D 1/09; RU, 2121417, В23К 26/08), содержащие элементы транспортировки лазерного излучения в виде поворотных зеркал
Недостатками зеркальной системы являются следующие:
- нет постоянства диаметра сфокусированного лазерного пятна. Оно будет меняться в зависимости от положения оптической головки. Чем дальше оптическая головка от излучателя, тем больше диаметр сфокусированного пятна, соответственно меньше плотность мощности. Для решения данной проблемы в технологических комплексах в оптический тракт включают дополнительные оптические элементы, которые обеспечивают постоянство пятна. Не надо пояснять, что дополнительные оптические и механические элементы снижают общую теоретическую надежность, а также являются предметом замены и обслуживания;
- попадание пыли и продуктов горения материала на передающую оптику. Для предотвращения попадания используется гофрозащита («гармошка») тракта, защитные оптические пластины, метод создания избыточного давления чистого воздуха на передающих элементах (обдув). Все эти методы, с той или иной степенью эффективности, только увеличивают ресурс работы оптики, но не решают данную проблему полностью. Данная проблема приобретает наибольшую актуальность при большой мощности передаваемого лазерного излучения.
Таким образом, оптические элементы системы передачи излучения являются элементами с ограниченным сроком службы, которые подлежат замене. Сложность замены состоит не в физической замене оптического элемента, а в правильной и точной юстировке всего оптического тракта. Юстировка необходима при замене хотя бы одного оптического элемента. Данная процедура, в зависимости от конструктивных решений производителя, бывает, как относительно несложной, так и очень непростой. В производственных условиях она может занимать от нескольких часов до нескольких дней и требует соответствующим образом подготовленного персонала;
- кроме описанного выше, нужно понимать, что стоимость оптических/зеркальных элементов высока.
Известна оптоволоконная система передачи излучения.
Оптоволоконная система передачи излучения принципиально отличается от зеркальной. В этой системе передача излучения осуществляется внутри оптического волокна. В данной системе проблемы, присущие зеркальной системе, принципиально невозможны. В такой системе отсутствуют расходные передающие элементы, а срок службы оптоволокна сопоставим со сроком службы самого лазера.
Волоконная система передачи излучения нашла свое наилучшее применение в оптоволоконных лазерах, по сути, став частью самого лазера. Здесь в полном объеме реализовались ее очевидные преимущества - отсутствие расходных материалов и исключительная надежность, что в некоторых случаях играет определяющую роль в рамках производственного процесса.
Известны технологические лазерные установки с волоконным выводом излучения серии HTF от ОКБ «БУЛАТ» (https://www.laser-bulat.ru/products/lasersystems/htf/).
Излучение волоконных лазеров передается к месту по гибкому волоконному кабелю нужной длины, имеющему прочную защитную оболочку.
Волоконный лазер отличает высокое качество выходных пучков, благодаря чему достигается большая плотность мощности в пятне, необходимая для скоростного высокоэффективного термоупрочнения.
Оптоволоконные кабели известны из многих источников, например, волоконно-оптический кабель для передачи энергии лазерного излучения высокой мощности на большие расстояния (RU, 2551392, G02B 6/44; RU, 2180130, G02B 6/42 и др.), которые сами по себе уже являются системой передачи лазерного излучения.
За прототип принят волоконно-оптический кабель по патенту на полезную модель RU, №2551392, содержащий оптоволокно, оболочку, покрытие и первый защитный слой.
Недостатки прототипа следующие:
- техническое обслуживание/ремонт должны проводить высококвалифицированные специалисты;
- высокий порог генерации; низкая теплопроводность.
Задачей полезной модели является создание надежной и ремонтопригодной специализированной многоволоконной системы передачи лазерного излучения.
Система транспортировки лазерного излучения предназначена для передачи излучения от лазерных модулей диодного источника в оптическую головку, установленную, например, на фланце специализированного шестикоординатного робота.
Поставленная задача решается следующим образом: многоволоконная система передачи лазерного излучения содержит n-волокон, соответствующих n - источникам излучения, при этом, каждое волокно обеспечивает минимальные потери мощности по длине волны лазера. Волокна многоволоконной системы подбираются нужной длины, что обеспечивает свободный доступ в любую точку рабочей зоны оборудования без изломов и изгибов многоволоконной системы, которые могут ее повредить. Пропускная способность каждого волокна 130-150 Вт (эквивалентна мощности 1 блока излучения).
Каждое волокно изолировано негорючей оплеткой типа «гофры» и снабжено разъемом для подключения к источнику лазерного излучения. Кроме того, весь комплект волокон заключен в общую оплетку из эластичного материала, формируя кабель, снабженный разъемом для подключения к оптической головке.
Уникальный способ передачи лазерного излучения с помощью многоволоконной системы, позволяет использовать полупроводниковые многолучевые источники излучения и не требует жестких условий рабочей среды, наличия монолитного корпуса источника излучения.
Гибкость системы позволяет применять ее в роботизированных или в многоосевых комплексах, на которых осуществляется лазерная обработка в труднодоступных, иногда, находящихся вне пределов прямой видимости местах. В этом и специализация системы.
Система транспортировки подключается к лазерным модулям посредством универсальных оптических разъемов SMA 905.
Преимущество - не нужна «летающая» оптика и ее регулярное обслуживание и замена.
Предусмотрена возможность быстрого демонтажа и замены волокон. Изоляция негорючей оплеткой.
Общая оплетка из эластичного материала обеспечивает быстрый доступ к волокнам, т.е. обеспечивает ремонтопригодность системы.
Полезная модель поясняется следующими иллюстрациями.
Фиг. 1 - общий вид волокна
Фиг. 2 - схема конструкции системы
Специализированная многоволоконная система передачи лазерного излучения состоит из n-го количества волокон (1), соответствующих количеству источников лазерного излучения, каждое из которых имеет негорючую оплетку типа «гофры» (2). Кроме того, весь комплект волокон заключен в общую оплетку из эластичного материала (3), и имеет общий разъем (4) для подключения к оптической головке.
Таким образом, специализированная многоволоконная система передачи лазерного излучения позволяет использовать полупроводниковые источники излучения и не требует стационарных оптических элементов, наличия монолитного корпуса для стабильной работы, в виду гибкой конструкции системы, что позволяет применять ее в роботизированных или в многоосевых комплексах. Каждое волокно имеет защитную от пожара и взрыва оплетку типа гофры. Конструкция системы позволяет при необходимости быстро заменить вышедшее из строя волокно, либо увеличить/уменьшить количество волокон в системе.
Реализация полезной модели решает все поставленные автором задачи.