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 В23К 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.
Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность обработки материалов, имеет сложную конструкцию.
Известна оптическая головка для лазерной обработки (патент RU №34427, МПК В23К 26/00, В23К 26/02, В23К 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.
Однако известное устройство не обеспечивает выполнение различных технологических операций (резки, сварки, сверления отверстий) и имеет сложную конструкцию.
Известна оптическая лазерная головка (патент RU №2578885, МПК В23К 26/14, опубликованный 27.03.2016), 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 переоснастки.
Известна лазерная оптическая головка (патент RU №2641213, МПК В23К 26/14, опубликованный 16.01.2018), ближайшая по технической сущности и принятая за прототип, где внутренний подвижный корпус с соплом установлен в неподвижном наружном корпусе с возможностью перемещения посредством зубчатой передачи, выполненной в виде зубчатой рейки, установленной на внутреннем корпусе, и вала-шестерни, установленного на кронштейне, закрепленном на наружном неподвижном корпусе и связанным с электрическим приводом, причем в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостной датчик для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью, а на выходе сопла размещена съемная насадка с сужающе-расширяющимся каналом на выходе. Для обеспечения резки, сварки или пробивки отверстий металлов от 1 мм до 20 мм съемная насадка выполнена с диаметром в узком сечении 0,2±0,02 мм и с углом расширения 30°. Для обеспечения резки металлов от 20 мм до 40 мм съемная насадка выполнена с диаметром в узком сечении 0,5±0,02 мм и с углом расширения 15°.
Однако известное устройство требует затраты по времени, так как требуется большее количество оборудования и обслуживающего персонала. Наличие электродвигателя для запуска перемещения внутреннего подвижного корпуса с внутренним соплом усложняет конструкцию лазерной головки, несколько увеличивает стоимость устройства и усложняет его эксплуатацию.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание универсальной лазерной головки, для использования ее для сварки, резки, а также для сверления отверстий при конструкции ручного штурвала, выполненной четырехгранным для простоты изготовления оборудования и удобства выставления режимов резки, сварки или сверления отверстий.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении точности обработки, надежности, в уменьшении энергозатрат, удобства установки положения резки, сварки, упрощении оборудования, уменьшении времени на замену режимов между резкой и сваркой.
Технический результат достигается тем, что лазерная оптическая головка, содержащая наружный неподвижный корпус с каналами для подвода активного или защитного газов, внутри которого концентрично и с зазором расположен внутренний подвижный корпус с внутренним соплом с возможностью перемещения посредством зубчатой передачи, выполненной в виде зубчатой рейки, установленной на внутреннем корпусе, и вала-шестерни, установленного на кронштейне, закрепленном на наружном неподвижном корпусе, фокусирующую линзу, установленную цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего сопла с возможностью перемещения вдоль оси, на боковой поверхности внутреннего сопла выполнены сквозные отверстия, расположенные над линзой, причем в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостной датчик для установки и контроля размера между срезом внутреннего сопла и обрабатываемой деталью, а на выходе внутреннего сопла размещена съемная насадка с сужающе-расширяющимся каналом на выходе, новым является то, что на конце вала установлен ручной штурвал с разделительными метками, определяющими максимум и минимум длины хода рейки, в наружном неподвижном корпусе выполнен паз и установлена вдоль него мерная линейка для замера хода внутреннего подвижного корпуса, на котором установлен мерный флажок, проходящий через паз в наружном неподвижном корпусе, ход рейки составляет до 10±0,025 мм и фиксируется до упора подвижными кронштейнами, которые упираются в ограничительные кольца.
Для обеспечения резки или сверления отверстий металлов толщиной от 1 мм до 20 мм длина хода рейки равна 5-КО мм, при этом расстояние между срезом внутреннего сопла и зоной обработки равно диаметру съемной насадки 0,2±0,02 мм.
Для обеспечения резки металлов толщиной от 20 мм до 40 мм длина хода рейки равной 1÷5 мм, при этом расстояние между срезом внутреннего сопла и зоной обработки равно диаметру съемной насадки 0,5±0,02 мм.
Для обеспечения сварки металлов толщиной от 1 мм до 20 мм расстояние между срезом внутреннего сопла и зоной сварки равно двойному диаметру съемной насадки 0,4±0,02 мм.
На фигуре 1 представлено продольное сечение лазерной оптической головки в режиме резки и сверления отверстий.
На фиг. 2 представлено продольное сечение лазерной оптической головки в режиме сварки.
На фиг. 3 - вид Д фиг. 1.
На фиг. 4 - вид Е фиг. 1.
На фиг. 5 - вид Г фиг. 3.
На фиг. 6 - разрез В-В фиг. 1.
На фиг. 7 - вид А фиг. 6.
На фиг. 8 - разрез Б-Б фиг. 1.
На фиг. 9 - увеличенный вид 3 (фиг. 2) съемной насадки в режиме резки, сварки, сверления отверстий металлов толщиной от 1 мм до 20 мм.
На фиг. 10 представлен увеличенный вид Ж (фиг. 1) съемной насадки в режиме резки металлов толщиной от 20 мм до 40 мм.
Лазерная оптическая головка содержит наружный неподвижный корпус 1, который снабжен крышкой 2 (фиг. 1 и фиг. 2). Внутри наружного неподвижного корпуса 1 расположен внутренний подвижный корпус 3 с прикрепленным внутренним соплом 4, который перемещается в режиме резки и сверления отверстий вниз с помощью ручного штурвала 5 (фиг. 7). Верхняя и нижняя полости 6, 7 разделены упорным кольцом 8, закрепленным к наружному неподвижному корпусу болтами и со вставленными манжетами 9. Подвижный кронштейн 14 и манжеты 9 разделяют обе полости и одновременно их герметизируют. Вращение передается ручным штурвалом 5 через вал 10 на съемную направляющую 11 (фиг. 3), установленную на внутреннем подвижном корпусе 3, где съемная направляющая 11 (фиг. 3) состоит из шестерни 12 и рейки 13 (фиг. 5). Рейка 13 установлена на внутреннем подвижном корпусе 3 (фиг. 5), а шестерня 12 (фиг. 5) на валу 10 наружного неподвижного корпуса 1 (фиг. 3). Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 в режиме сварки вверх (фиг. 2) происходит по скользящим манжетам 9, закрепленным на подвижном кронштейне 14 (фиг,. 1) и рейке 13 (фиг. 5), при этом перемещение происходит до момента его касания с прокладкой 15 упорного кольца 8 (фиг. 2). Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 вниз (фиг. 1) в режимах резки и сверлении отверстий происходит аналогичным образом до момента касания подвижного кронштейна 14 с прокладкой 15, приклеенной на ограничительное кольцо 16, выполняющего роль упора. Упорное кольцо 8 (фиг. 2) служит опорой при установке универсальной лазерной оптической головки в верхнем положении (в режиме сварки). Ограничительное кольцо 16 с заклеенной прокладкой 15 (фиг. 1) служит упором в нижнем положении (в режиме резки, сверления отверстий). Манжеты 9 (фиг. 1, 2) и прокладки 15 служат для герметизации. К внутреннему соплу 4 крепится съемная насадка 17 (фиг. 1, 2), которая для режимов резки, сварки, сверлении отверстий металлов толщиной от 1 мм до 20 мм имеет диаметр в узком сечении 0,2±0,02 мм и угол расширения 30° (фиг. 9). Для режима резки металлов толщиной от 20 мм до 40 мм используется съемная насадка 17 (фиг. 1), которая имеет диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм и угол расширения 15° (фиг. 10), служащая для увеличения скорости струи. Эта особенность при резке дозвуковой скоростью позволит одновременно очищать место обработки металлов от шлаков и улучшать качество обработки, увеличивать производительность процессов. На наружном неподвижным корпусе 1 жестко закреплен емкостной датчик 18 (фиг. 1 и фиг. 2) для установки и контроля размера между срезом внутреннего сопла 4 и обрабатываемой деталью 19, который устанавливается на кронштейн датчика 20 в нижней части наружного неподвижного корпуса 1. В режимах резки, сверлении отверстий через наружное неподвижное сопло 21 подается активный газ - кислород через верхний штуцер 22. Во внутреннее сопло 4 (фиг. 2) во время сварки подается защитный газ - азот, аргон или гелий в наружное неподвижное сопло 21 через нижний штуцер 23. На фигуре 3 показан вид Д, где показана система крепления вала 10 к внутреннему подвижному корпусу 3 и съемная направляющая 11. На фигуре 4 показан вид снизу Е (фиг. 2), где указано отверстие под ключ 24 (фиг. 1). На фигуре 5 представлен вид Г (фиг. 3), где указана рейка 13 и шестерня 12. На фигуре 6 представлен разрез В-В (фиг. 1), показывающий вал 10. На фигуре 7 представлен вид А (фиг. 3). На фигуре 8 в разрезе Б-Б (фиг. 1) представлено закрепленное упорное кольцо 8. На фигуре 9 представлен увеличенный вид 3 съемной насадки 17 в режиме резки, сварки, сверления отверстий металлов толщиной от 1 мм до 20 мм. На фигуре 10 показан увеличенный вид Ж (фиг. 1) съемной насадки в режиме резки металлов толщиной от 20 мм до 40 мм. На фигуре 1 показано отверстие под ключ 24 для вставки съемной насадки 17. Наружное неподвижное сопло 21 разделено на две полости 25, 26 наружного неподвижного сопла 21 (фиг. 1, 2), которые разделяет мембрана 27, необходимая для предотвращения утечки газов. Мембрана 27 прикреплена уплотнителями 28 (фиг. 1, 2) к внутренней поверхности наружного неподвижного сопла 21 и внешней поверхности внутреннего сопла 4. При резке и сверлении отверстий активный газ - кислород подается в верхнюю полость 25 наружного неподвижного сопла 21 через верхний штуцер 22. Далее он проходит через сквозные отверстия внутреннего сопла 4 и вместе с лазерным лучом через линзу 29 поступает в зону лазерного реза 30 (фиг. 1), сварного шва 31 (фиг. 2). При сварке защитный газ - азот, аргон или гелий поступает через нижний штуцер 23 в нижнюю полость 26 наружного неподвижного сопла 21, который в процессе сварки подается одновременно с лазерным лучом и защищает сварной шов 31 от брызг и воздействия окружающей среды (фиг. 2).
Лазерная оптическая головка работает следующим образом.
Вращением ручного штурвала 5 устанавливается три оптимальных режима: резка, сварки и сверление отверстий. При опускании ручного штурвала 5 вниз подвижный кронштейн 14 внутреннего подвижного корпуса 3 упирается в ограничительное кольцо 16 и устанавливается режим резки, сверления отверстий. При поднятии вверх подвижный кронштейн 14 внутреннего подвижного корпуса 3 упирается в ограничительное кольцо 16 и устанавливается режим сварки. При этом устанавливается режим сварки или резки изменением фокусного пятна на обрабатываемой детали 19. Возможна установка мерного флажка для закрепления внутреннего подвижного корпуса 3 в промежуточном положении между нижним и верхним положениями с мерной линейкой. Мерную линейку устанавливают на наружном неподвижном корпусе 1. Мерный флажок устанавливается и крепится на подвижном корпусе 3 с выходом через паз на наружном неподвижном корпусе 1 рядом с мерной линейкой. Движение внутреннего подвижного корпуса 3 осуществляется ручным штурвалом 5. Вращение передается через вал 10 на зубчатую передачу, состоящую из шестерни 12 и рейки 13. Рейка 13 установлена на внутреннем подвижном корпусе 3 (фиг. 5), а шестерня 12 на валу 10 (фиг. 6). Ручной штурвал 5 при перемещении шестерни 12 по рейке 13 до 10±0,025 мм обеспечивает положение резки или сварки (фиг. 1 и фиг. 2). Для обеспечения процесса резки, сверления отверстий, сварки необходимо повернуть ручной штурвал 5 до касания подвижного кронштейна 14 ограничительного кольца 16. Ручной штурвал 5 выполнен четырехгранным с разделительными метками для удобства перемещения внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 до 10±0,025 мм и поворота на 45°, а также для обеспечения заданного фокусного пятна 0,2±0,02 мм, 0,5±0,02 или 0,4±0,02 мм. Длина хода рейки 13 для режимов резки и сварки составляет до 10±0,025 мм, которая получена опытным путем. Во время выполнения процесса резки или сверления отверстий материалов толщиной от 1 мм до 20 мм длина хода рейки равна 5÷10 мм, при этом расстояние между срезом внутреннего сопла 4 и зоной обработки равно диаметру съемной насадки 0,2±0,02 мм. При резке металлов толщиной от 20 мм до 40 мм длина хода рейки равной 1÷5 мм, при этом расстояние между срезом внутреннего сопла и зоной обработки равно диаметру съемной насадки 0,5±0,02 мм. При сварке металлов толщиной от 1 мм до 20 мм расстояние между срезом внутреннего сопла и зоной сварки равно двойному диаметру съемной насадки 0,4±0,02 мм. Процесс производится до упора, что позволяет производить процессы при соблюдении расстояния от среза внутреннего сопла 4 до обрабатываемой детали 19, который обеспечивается перемещением ручного штурвала 5. Фокусное пятно равно диаметру съемной насадки 17. Во время выполнения процесса сварки на обрабатываемой детали 19 необходимо получить фокусное пятно, которое в два раза больше, чем диаметр съемной насадки 17 для получения прочного сварного шва 31. Это достигается путем поворота ручного штурвала 5 и смещения шестерни 12 по рейке 13 с перемещением внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 вверх до 10 мм до упора. Впоследствии выдерживается расстояние ручным штурвалом 5 от среза внутреннего сопла 4 до обрабатываемой детали 19 для резки и сварки, который контролируется емкостным датчиком 18. Фокусное пятно равное диаметру (резка, сверление отверстий) или двойному диаметру (сварка) съемной насадки 17, который достигается поворотом ручного штурвала 5 на 45° для опускания или поднятия внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 вверх или вниз. Ручной штурвал 5 позволяет более точно передвигать внутренний подвижный корпус 3 с внутренним соплом 4 и является наиболее простым механизмом в изготовлении, установке на валу 10.
Устанавливается съемная насадка 17 при резке, сварке и сверлении отверстий металлов толщиной от 1 мм до 20 мм, которую необходимо заменять на другую съемную насадку 17 для резки металлов от 20 мм 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 лазерную оптическую головку на свободное место от обрабатываемой детали 19, оператор производит специальным инструментом смену съемной насадки 17. Съемная насадка 17 фиксируется сбоку внутреннего сопла 4.
В комплекте с лазерными технологическими комплексами, обеспечивая основные технологические показатели на уровне: шероховатость поверхности реза на алюминиевых сплавах не выше 3…7, мкм на титановых сплавах не выше 2…6 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.
Технологические характеристики "Лазерной оптической головки":
Давление технологического газа, МПа
До 2,5
Избыточное давление технологического
газа на фокусирующей оптике, МПа
Не более 0,02
Мощность лазерного излучения, кВт
0,1…30
Апертурный угол лазерного излучения, °С
2…30
Экономия расхода технологического газа, %
До 70
В режиме сварки металлов от 1 мм до 20 мм интенсивность лазерного излучения устанавливается в зависимости от выполняемого режима. При сварке в нижний штуцер 23 наружного неподвижного сопла 21 подают защитный газ - азот, аргон или гелий в нижнюю полость 26 наружного неподвижного сопла 21, откуда газ поступает в зону сварки. Одновременно через нижний штуцер 23 наружного неподвижного сопла 21 защитный газ поступает на сварочный шов 31.
В режиме лазерной резки металлов от 1 мм до 20 мм через верхний штуцер 22 подают активный газ (кислород) в наружное неподвижное сопло 21. Кислород поступает коаксиально лазерному лучу в зону реза 30. Одновременно под действием избыточного давления в верхней полости 25 наружного неподвижного сопла 21, мембрана 27, прикрепленная уплотнителями 28 (фиг. 1) к внутренней поверхности неподвижного наружного сопла 21 и внешней поверхности внутреннего сопла 4, начинает изгибаться вниз (фиг. 1), побуждая к перемещению вниз (заглублению) внутреннее сопло 4 с закрепленной в нем фокусирующей линзой 29 за счет растяжения мембраны 27. Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 вниз происходит до тех пор, пока подвижный кронштейн 14 не коснется ограничительного кольца 16, выполняющего роль упора.
В режиме лазерной резки металлов толщиной от 20 мм до 40 мм производится переустановка съемной насадки 17 (фиг. 1, 2), имеющей диаметр в узком сечении 0,2±0,02 мм и угол расширения 30 на съемную насадку, конструктивно выполненную также сужающе-расширяющимся к низу профилем канала реза, но которая имеет диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм и угол расширения 15°, служащая для увеличения скорости, что позволит получить сверхзвуковые скорости на выходе, а также имея длину хода рейки до 10±0,025 мм в зависимости от толщины обрабатываемой детали 19, который выставляется до упора в ограничительное кольцо 16, расположенное внутри. Расстояние от среза внутреннего сопла 4 до обрабатываемой детали 19 и диаметр фокусного пятна контролируется поворотом ручного штурвала 5. Вдув сверхзвуковых струй в зону реза позволит производить с высокой эффективностью удаление образующегося расплава металла из узкого лазерного реза (b=0,1-0,4 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 от 1 мм до 20 мм процесс происходит аналогично режиму резки металлов от 1 мм до 20 мм, но при этом дополнительно необходима высокая мощность лазерного излучения.
Для сварки лазерная оптическая головка позволит обеспечить основные технологические показатели на оптимальном уровне для алюминиевых сплавов при длине хода рейки до 10±0,025 мм: ширину сварного шва от 0,1 мм до 2,5 мм на металлах толщиной от 1 мм до 20 мм, зону термического влияния - от 0,015 мм до 0,2 мм; для титановых сплавов длина хода рейки составляет до 5±0,05 мм на металлах толщиной от 1 мм до 20 мм, ширину сварного шва от 1 мм до 2,5 мм, зону термического влияния - от 0,02 мм до 0,4 мм; для нержавеющих сталей и сталей обыкновенного качества длина хода рейки составляет от 1±0,025 мм до 10±0,025 мм на металлах толщиной от 1 мм до 20 мм, ширину сварного шва от 0,15 мм до 3 мм зону термического влияния - от 0,025 мм до 0,3 мм.
Лазерная оптическая головка позволит вести прецизионную сварку, резку и сверление отверстий толщиной от 1 мм до 20 мм и толщиной от 20 мм до 40 мм с высокой производительностью, обеспечиваемой за счет изменения режимов в процессе обработки и смещением внутреннего подвижного корпуса с внутренним соплом вверх или вниз на 10±0,025 мм до упора при выдерживании расстояния от среза внутреннего сопла до обрабатываемой детали с получением оптимального фокусного пятна. 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.
Лазерная оптическая головка позволит обеспечить экономичность, надежность, прочность за счет использования ручного штурвала для перемещения внутреннего подвижного корпуса с внутренним подвижным соплом, выдерживать заданный размер от среза внутреннего сопла до обрабатываемой детали до 10±0,025 мм в зависимости от толщины обрабатываемого материала, который выставляется до упора в ограничительные кольца, расположенные внутри, точность лазерной резки, сварки, сверления отверстий, расширить функциональные возможности за счет установки ручного штурвала в промежуточном положении при необходимости.