Лазерная оптическая головка

Полезная модель относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно к процессам лазерной сварки, резки, сверления отверстий.
Известна оптическая головка для лазерной резки листового металла (патент RU №151792, МПК B23K 26/38, опубликованный 20.04.2015), в которой узел для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы выполнен в виде двух связанных между собой резьбовым соединением цилиндров разного диаметра с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль оптической оси, при этом фокусирующая система установлена со стороны свободного торца цилиндра меньшего диаметра, а телескопическая система установлена со стороны свободного торца второго цилиндра большего диаметра, причем узел для одновременного перемещения вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы выполнен в виде цилиндра с резьбой на внешней поверхности, при этом на внутренней поверхности корпуса оптической головки выполнена резьба, ответная резьбе указанного цилиндра, а сам цилиндр жестко закреплен на внешней стороне цилиндра с фокусирующей системой узла для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы.
Известна оптическая головка для лазерной обработки (патент RU №34427, МПК B23K 26/00, B23K 26/02, B23K 26/03, опубликованный 10.12.2003). Оптическая головка для лазерной обработки содержит устройства вывода лазерного излучения из оптического волокна, поворотное интерференционное зеркало, телескопическую систему, состоящую из отрицательного компонента и положительного компонента, фокусирующую систему, систему визуального наблюдения, включающую видеокамеру, оптически сопряженную поворотным интерференционным зеркалом с фокусирующей системой, и монитор. Для управления излучением между устройством вывода лазерного излучения и фокусирующей системой, причем один из оптических элементов телескопической системы (например, оптический элемент) установлен с возможностью перемещения вдоль ее оптической оси. Устройство вывода излучения, поворотное интерференционное зеркало, телескопическая система, фокусирующая система, система визуального наблюдения расположены в едином корпусе.
Известна оптическая лазерная головка (патент RU №2578885, МПК B23K 26/14, опубликованный 27.03.2016), ближайшая по технической сущности и принятая за прототип, содержащая наружное и внутреннее газовые сопла с каналами для подвода активного и защитного газов, установленные концентрично и с зазором, фокусирующую линзу, размещенную во внутреннем сопле, и сквозные отверстия, выполненные на боковой поверхности внутреннего сопла. Внутреннее сопло выполнено по типу сопла Лаваля, а фокусирующая линза размещена во внутреннем сопле с обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего сопла с возможностью перемещения вдоль оси, при этом канал для подвода активного газа к внутреннему соплу расположен между фокусирующей линзой и соплом Лаваля, а сквозные отверстия во внутреннем сопле расположены над линзой. Оптическая лазерная головка снабжена фиксаторами с возможностью ограничения движения фокусирующей линзы вдоль оси, расположенными ниже сквозных отверстий и выше нижнего канала подвода технологического газа.
Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность обработки материалов за счет поршневого перемещения сопла, смены специализированных оптических головок для выполнения различных технологических операций (резки, сварки, сверления отверстий). Это приводит к потере времени, малой точности и простою оборудования на время его настройки.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, является создание лазерной головки, для использования ее для сварки, резки, а также для сверления отверстий, простой в управлении режимами работы.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемая полезная модель, заключается в упрощении механизма регулирования режимами работы, уменьшение энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что в лазерной оптической головке, содержащей наружный неподвижный корпус с наружным неподвижным соплом, внутренний подвижный корпус с внутренним соплом и фокусирующую линзу, закрепленную во внутреннем сопле, новым является то, что она снабжена разделительными кольцами, установленными на наружном неподвижном корпусе с его внутренней стороны с образованием зазора между внутренним подвижным и наружным неподвижными корпусами, мембраной, разделяющей полость наружного неподвижного сопла на верхнюю полость, сообщенную с источником активного газа, и нижнюю полость, сообщенную с источником защитного газа, ограничительным кронштейном, установленным на внутреннем подвижном корпусе, и съемной цилиндрической насадкой, установленной на выходе внутреннего сопла, при этом внутренний подвижный корпус с внутренним соплом выполнен с возможностью перемещения вверх и вниз посредством рукоятки, установленной в отверстие внутреннего подвижного корпуса через вертикальный паз, выполненный в наружном неподвижном корпусе и соответствующий ходу внутреннего подвижного корпуса.
Съемная цилиндрическая насадка выполнена с сужающимся начальным участком.
Съемная цилиндрическая насадка выполнена с сужающе-расширяющимся каналом.
На фигуре 1 представлено продольное сечение лазерной оптической головки в режиме резки и сверления отверстий.
На фиг. 2 показано продольное сечение лазерной оптической головки в режиме сварки.
На фиг. 3 представлен вид снизу Б фиг. 1.
На фиг. 4 представлено увеличение в 4 раза крепление насадки В фиг. 3
На фиг. 5 представлен вид А фиг. 2.
На фиг. 6 представлен разрез Г-Г фиг. 1.
Лазерная оптическая головка содержит наружный неподвижный корпус 1, который снабжен крышкой 2 (фиг. 1 и фиг. 2) и защитным стеклом 3. Внутри наружного неподвижного корпуса 1 расположен внутренний подвижный корпус 4 с прикрепленным внутренним соплом 5, который перемещается: в режиме сварки (фиг. 2) вверх, в режиме резки и сверления отверстий вниз при помощи рукоятки 6 прикрепленной к внутреннему подвижному корпусу 3 (фиг. 3). Зазор между внутренним подвижным 3 и наружным неподвижным 1 корпусами разделен жестко закрепленным разделительным кольцом 7, закрепленным к наружному неподвижному корпусу 1 болтами. Наружное неподвижное сопло 8 разделено мембраной 9 на верхнюю полость 10 (фиг. 1), сообщенную с источником активного газа - кислорода, и нижнюю полость 11 (фиг. 2), сообщенную с источником защитного газа - азота, аргона или гелия. На мембране 9 имеются манжетные уплотнители 12 для герметизации. В режиме сварки (фиг. 2) через нижний штуцер 13 подается защитный газ в нижнюю полость 11. Вместе с лазерным излучением 14 защитный газ подается в сварочную ванну, где образуется сварочный шов 15 (фиг. 2). В режиме сварки внутренний подвижный корпус 4 с внутренним соплом 5 при перемещении вверх, мембрана 9 выпрямляется, при этом ограничительный кронштейн 16 внутреннего подвижного корпуса 4 касается ограничительного кольца 17 с приклеенной прокладкой 18 (фиг. 1). К наружному неподвижному соплу 8 крепится емкостной датчик 19, который вставляется в кронштейн 20 для контроля зазора. Во внутреннее сопло 5 крепится съемная цилиндрическая насадка 21 (фиг. 1, 2), которая для режимов резки, сварки, сверления отверстий металлов толщиной до 20 мм имеет диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм сужающимся каналом с углом сужения 60°. Для режима резки металлов толщиной до 40 мм используется съемная цилиндрическая насадка 21 (фиг. 1), которая имеет диаметр в узком сечении 0,2±0,02 мм сужающе-расширяющимся каналом с углом сужения и расширения 60° и 30° соответственно, служащая для увеличения скорости струи. Эта особенность при резке дозвуковой скоростью позволит одновременно очищать место обработки металлов от шлаков и улучшать качество обработки. В режимах резки и сверления отверстий (фиг. 1) перемещение внутреннего подвижного корпуса 4 с внутренним соплом 5 осуществляется вниз до момента касания ограничительного кронштейна 16 с разделительным кольцом 7, который одновременно служит опорой. При резке и сверлении отверстий активный газ - кислород подается через верхний штуцер 22 в верхнюю полость 10, где встроенные манжеты 23 создают герметизацию. Кислород проходит через сквозные отверстия на внутреннем сопле 5 и вместе с лазерным излучением 14 через оптическую линзу 24 подается в зону лазерного реза 25 (фиг. 1), при этом мембрана 9 сгибается вниз. На фигуре 3 представлен вид снизу Б (фиг 1), где показано крепление рукоятки 6 в отверстии внутреннего подвижного корпуса 4 посредством кронштейна. На фигуре 4 представлено увеличение в 4 раза крепление съемной цилиндрической насадки В (фиг. 3), где показано отверстие под ключ 26 для вставки съемной цилиндрической насадки 21. На фигуре 5 представлен вид А (фиг. 2), где показан паз 27 рукоятки 6, где паз равен ходу внутреннего подвижного корпуса. На фигуре 6 представлен разрез Г-Г (фиг. 1), где представлен разрез Б-Б (фиг. 1), где показано жестко закрепленное разделительное кольцо 7, которое разделяет зазор между наружным неподвижным корпусом 1 и внутренним подвижным корпусом 4.
Лазерная оптическая головка работает следующим образом.
Устанавливается съемная цилиндрическая насадка 21 при резке, сварке и сверлении отверстий металлов до 20 мм, которую необходимо заменять на другую съемную насадку для резки металлов до 40 мм для увеличения скорости струи при резке с дозвуковой скоростью, что позволит одновременно очищать место обработки материалов от шлаков и улучшать качество обработки. Отведя головку на свободное место от обрабатываемого металла, оператор производит специальным инструментом смену съемной насадки. Съемная цилиндрическая насадка 21 фиксируется с боку внутреннего сопла 5.
В комплекте с лазерными технологическими комплексами, обеспечивая основные технологические показатели на уровне: шероховатость поверхности реза на титановых сплавах не выше 12…16 мкм, на нержавеющих и высоколегированных сталях не выше 10…15 мкм при ширине реза 0,1…0,25 мм, глубину зоны термического влияния не более 0,2 мм.
В режиме сварки металлов до 20 мм в верхний штуцер 22 наружного неподвижного сопла 8 подают защитный газ - азот, аргон или гелий в нижнюю полость 11 наружного неподвижного сопла 8, откуда газ поступает в зону сварки. Одновременно через верхний штуцер 22 наружного неподвижного сопла 8 защитный газ поступает на сварочный шов 15.
В режиме лазерной резки металлов до 20 мм, затем при резке через верхний штуцер 22 подают активный газ (кислород) в наружное неподвижное сопло 8. Кислород поступает коаксиально лазерному лучу 14 в зону резки металла 25. Одновременно под действием избыточного давления в верхней полости 10 наружного неподвижного сопла 8, мембрана 9, прикрепленная уплотнителями 12 (фиг. 1, 2) к внутренней поверхности неподвижного наружного сопла 8 и внешней поверхности внутреннего сопла 5, начинает изгибаться вниз, побуждая к перемещению вниз (заглублению) внутреннее сопло 5 с закрепленной в нем фокусирующей линзой 24 за счет растяжения мембраны 9. Перемещение внутреннего подвижного корпуса 4 с соплом 5 вниз происходит до тех пор, пока ограничительный кронштейн 16 не коснется разделительного кольца 7, выполняющего роль упора.
В режиме лазерной резки металлов толщиной до 40 мм производится переустановка съемной цилиндрической насадки 21, имеющей диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм сужающимся каналом с углом сужения 60°, на съемную насадку, конструктивно выполненную сужающе-расширяющимся к низу профилем канала реза, но которая имеет диаметр в узком сечении 0,2±0,02 мм с углом сужения и расширения 60° и 30° соответственно, служащая для увеличения скорости, что позволит получить сверхзвуковые скорости на выходе. Вдув сверхзвуковых струй в зону реза позволит производить с высокой эффективностью удаление образующегося расплава металла из узкого лазерного реза (b=0,3-0,6 мм), что позволит осуществлять режим резки металлов больших толщин до 40 мм с высокой скоростью резки, что приведет в целом к повышению производительности режима лазерной резки.
В режиме сверлении отверстий металлов до 20 мм процесс происходит аналогично режиму резки металлов до 20 мм, но при этом дополнительно необходима большая мощность лазерного излучения.
Лазерная оптическая головка в комплекте с лазерными технологическими комплексами позволит обеспечить основные технологические показатели для резки и сверления отверстий на оптимальном уровне: шероховатость поверхности реза на титановых сплавах не выше 12…15 мкм, на нержавеющих и высоколегированных сталях не выше 10…13 мкм при ширине реза 0,1…0,2 мм, глубину зоны термического влияния не более 0,15 мм.
Для сварки универсальная лазерная оптическая головка позволит обеспечить основные технологические показатели на оптимальном уровне: ширину сварочного шва получат от 0,3 мм до 5 мм на металлах толщиной от 1 мм до 20 мм, зону термического влияния - от 0,015 мм до 0,3 мм.
Лазерная оптическая головка позволит вести прецизионную сварку, резку и сверление отверстий до 20 мм и до 40 мм с высокой производительностью, обеспечиваемой за счет изменения режимов в процессе обработки. Технологические газы (активный или защитные) в зону реза, сварки, сверления отверстий подают поочередно, в зависимости от требуемой операции. Данная установка позволит вести следующие режимы: резку, сварку и сверление отверстий.
Таким образом, предлагаемая лазерная оптическая головка обеспечивает простое и надежное управление режимами сварки и резки за счет использования ручного управления для перемещения внутреннего подвижного корпуса 4 с внутренним соплом 5, что позволяет осуществить выполнение трех режимов на одной лазерной головке.