Оптическая головка для лазерной резки
OPTICAL HEAD FOR LASER CUTTING

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно к лазерной резке и сверлению 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. Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность обработки материалов, имеет сложную конструкцию.
Известна оптическая головка для лазерной обработки (патент RU               № 34427, МПК B23K26/00, B23K26/02, B23K26/03, опубликованный 10.12.2003). содержащий устройство 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 сопряжённую поворотным интерференционным зеркалом с фокусирующей системой, и монитор. Для управления излучением между устройством вывода лазерного излучения и фокусирующей системой один из оптических элементов телескопической системы (например, оптический элемент) установлен с возможностью перемещения вдоль её оптической оси. Устройство вывода излучения, поворотное интерференционное зеркало, телескопическая система, фокусирующая система, система визуального наблюдения расположены в едином корпусе. Однако известное устройство имеет сложную конструкцию.
Известна оптическая лазерная головка (патент RU № 2578885, МПК B23K26/14, 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 счёт 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 B23K 26/14, опубликованный 16.01.2018), патентообладатель КНИТУ-КАИ, 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, установленной на кронштейне, закреплённом на наружном неподвижном корпусе и связанным с электрическим приводом, причём в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен ёмкостной датчик для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью, а на выходе сопла размещена съёмная насадка с сужающе-расширяющимся каналом на выходе. Однако лазерная оптическая головка выполняет три операции на одной головке. При этом не обеспечивает достаточную точность лазерной обработки при смене операций обработки (резки, сварки, пробивки отверстий), сложность контроля при смене операций.
Известна лазерная оптическая головка (патент RU № 2727392, МПК B23K 26/14, опубликованный 16.01.2018), патентообладатель КНИТУ-КАИ, ближайшая по технической сущности и принятая за прототип, где корпус сопла выполнен цилиндрическим, при этом по его высоте расположены две кольцевые пластины для перекрытия каналов подачи активного и защитного газов при перемещении, при этом на наружных торцевых поверхностях кольцевых пластин имеются уплотнительные манжеты с гладкой поверхностью, а между наружным неподвижным корпусом и внутренним подвижным корпусом имеются ограничительные кольца, съемная насадка выполнена сужающейся, съемная насадка выполнена сужающе-расширяющейся, манжеты выполнены уплотненной структуры с композитными подкладками, обеспечивающими оптимальное скольжение, в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостный датчик для определения расстояния между срезом цилиндрического сопла и обрабатываемой деталью. Однако лазерная оптическая головка не обеспечивает достаточную точность в пределах заданной глубины и не обеспечивает достаточную глубину лазерного реза.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание оптической головки для использования её при лазерной резке и сверлении отверстий с высокими технологическими показателями.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении чистоты и точности обработки, увеличении глубины лазерного реза за счет регулирования диаметра фокального пятна, уменьшении энергозатрат, упрощении оборудования, повышении надёжности конструкции.
,
Технический результат достигается тем, что в оптической головке для лазерной резки, содержащей наружный неподвижный корпус с каналом для подвода активного газа, внутри неподвижного корпуса концентрично и с зазором расположен внутренний подвижный корпус, фокусирующую линзу, сопло, на боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, а на его выходе размещена съёмная насадка, новым является то, что фокусирующая линза жёстко закреплена во внутреннем подвижном корпусес обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего подвижного корпуса, корпус сопла жестко закреплён к внутренней поверхности наружного неподвижного корпусамежду корпусом сопла и наружным неподвижным корпусом образована герметичная замкнутая полость, сообщённая с каналом подачи активного газа и сквозными отверстиями в сопле.
Корпус сопла выполнен цилиндрическим.
В нижней части наружного неподвижного корпуса установлен ёмкостный датчик для определения расстояния между срезом сопла и обрабатываемой деталью.
Съёмная насадка выполнена сужающе-расширяющейся.
На фигуре 1 представлено продольное сечение оптической головки для лазерной резки в режиме резки и сверления отверстий.
На фигуре 2 представлен вид А (фиг. 1).
На фигуре 3 представлен увеличенный вид позиции 15 (фиг. 1) съёмной насадки.
На фигуре 4 представлена фотография образца дюралюминиевого сплава Д16 толщиной 3,5 мм с параметрами импульсной лазерной резки мощностью лазерного излучения P= 4000 Вт, скоростью резки Vc = 0,05 м/с, частотой импульсов n = 5000 Гц, длительностью импульса τи = 60 мс, длительностью паузы τп = 40 мс, заглублением фокального пятно в материал ∆f = -1,5 мм, расстоянием от среза сопла до поверхности металла s = 0,5 мм, давлением технологического газа – воздуха p = 1,5 МПа, где показан переход от зоны термического влияния к основному металлу после импульсной лазерной резки.
Оптическая головка для лазерной резки содержит наружный неподвижный корпус 1, который снабжён крышкой 2 (фиг.1). Внутри наружного неподвижного корпуса 1 расположен внутренний подвижный корпус 3 с возможностью перемещения (фиг. 1) с помощью механического или электрического привода 4 (фиг. 1). Фокусирующая линза 5 жёстко закреплена во внутреннем подвижном корпусе3с обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего подвижного корпуса 3. К внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса 1 жёстко закреплён корпус сопла 6, выполненный цилиндрическим. Корпус сопла 6 жёстко закреплен либо посредством сварки, либо выполнен как целое изделие. На боковой поверхности корпуса сопла 6 выполнены сквозные отверстия 8 (фиг. 1). В неподвижном корпусе 1 выполнен канал 9 для подачи активного газа -  кислорода в замкнутую полость 10. Замкнутая полость10, образованная кольцевой пластиной 7, расположенной ниже канала 9, и выступом корпуса сопла 6 сообщена с каналом 9 подачи кислорода и сквозными отверстиями 8. Замкнутая полость10 выполнена герметичной и снабжена уплотнительными манжетами 11 для плотного прилегания к внутренней стенке наружного неподвижного корпуса 1, которая защищает от попадания кислорода в зону лазерного реза 12.  В режиме резки или сверлении отверстий оси сквозных отверстий 8 перпендикулярны оси лазерного луча. На концах выступов внутреннего подвижного корпуса 3 вставлены скользящие манжеты 13 с уплотнённой структурой и с композитными уплотнёнными прокладками, обеспечивающие плотное прилегание к внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса 1 и плавное перемещение внутреннего подвижного корпуса 3.
На фигуре 1 представлено положение внутреннего подвижного корпуса 3 при минимальном фокусном расстоянии до разрезаемого металла 18, соответствующее максимальной толщине разрезаемого металла 18 до 40 мм. Уплотнительные манжеты 11 обеспечивают герметичность замкнутой полости 10, следовательно, происходит 100% подача активного газа из канала 9 в замкнутую полость 10 и в сквозные отверстия 8 соответственно.
Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 фиксируется ограничительными кольцами 14 до упора (фиг. 1).
Во время резки или сверления отверстий перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с фокусирующей линзой 5 регулирует фокусное расстояние и, соответственно, заданныйдиаметр фокального пятна (фиг. 1). В замкнутую полость 10 через канал 9 подаётся активный газ – кислород.На режимах резки и сверлении отверстий к корпусу сопла 6 крепится сужающе-расширяющаяся съёмная насадка 15 (фиг. 1), которая для резки металлов толщиной от 1 мм до 40 мм имеет диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм и угол расширения 15°(фиг. 7). На фигуре 2 показан увеличенный вид А (фиг. 1) сужающе-расширяющейся съёмной насадки 15 в режиме резки и сверления отверстий металлов толщиной от 1 мм до 40 мм. Для крепления сужающе-расширяющейся съёмной насадки 15 винтами метрической резьбой М2 мм(фиг.1) имеется отверстие под ключ 16 (фиг. 5). В зону лазерного реза 12 (фиг. 1) через фокусирующую линзу 5, корпус сопла 6 и съёмную насадку 15 поступает лазерный луч вместе с кислородом.
.
На наружном неподвижным корпусе 1 жёстко закреплён ёмкостный датчик 17 (фиг.1) для определения расстояния между срезом сопла 6 и разрезаемым металлом 18, который устанавливается на кронштейн 19 в нижней части наружного неподвижного корпуса 1, что обеспечивает работоспособность оптической головки
На фигуре 4 показана структура бездефектного перехода от зоны термического влияния импульсного лазерного реза к основному металлу. Образец показывает равномерную дендритную структуру без трещин, без межкристаллических включений, без царапин, без наплывов. Минимальная ширина зоны термического влияния указывает на оптимально подобранные параметры импульсной резки. Режим импульсной резки является оптимальным как подтверждение технического результата.
Оптическая головка для лазерной резки работает следующим образом.
При резке металлов толщиной от 1 мм до 40 мм устанавливают фокусное расстояние и диаметр фокального пятна в зависимости от толщины разрезаемого металла 18 и от типа металла перемещением внутреннего подвижного корпуса 3 с фокусирующей линзой 5. Для толщин деталей от 5мм до 40 мм соответствует минимальное фокусное расстояние, которое определяется экспериментальным методом (фиг. 1).Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 регулирует фокусное расстояние и диаметр фокального пятна соответственно. Сужающе-расширяющаяся съёмная насадка 15 устанавливается на выходе сопла 6. Для достижения наименьшего диаметра фокального пятна при выполнении резки больших толщин или сверления отверстий внутренний подвижный корпус 3 перемещают вниз механическим или электрическим приводом 4 до упора ограничительными кольцами 14. Затем подаётся лазерный луч с определёнными режимами в оптическую головку. Лазерный луч проходит через фокусирующую линзу 5. Оси сквозных отверстий 8 перпендикулярны оси лазерного луча. В замкнутую полость 10 через канал 9 подаётся активный газ – кислород, который проходит через сквозные отверстия 8 сопла 6 и вместе с лазерным лучом через фокусирующую линзу 5 поступает коаксиально лазерному лучу в зону лазерного реза 12 (фиг. 1). Лазерный луч и кислород проходят через сужающе-расширяющуюся съёмную насадку 15, в которой скорость течения струи газов сверхзвуковая, что позволит одновременно очищать место обработки материалов от шлаков и улучшать качество обработки.  Сверхзвуковая струя, вдуваемая в зону лазерного реза 12 через сужающе-расширяющуюся насадку 15, удаляет образующийся расплав металла из узкого лазерного реза 12 (минимальная ширина реза b=0,1-0,3 мм минимальная шероховатость поверхности Rz=1,075 мкм)) с высокой эффективностью, что позволяет осуществлять режим резки металлов больших толщин до 40 мм с высокой скоростью резки, что приведёт в целом к повышению качества лазерной резки и увеличению глубины лазерного реза 12 обрабатываемых деталей 18.
Для достижения наибольшего диаметра фокального пятна при выполнении резки малых толщин или сверления отверстий в деталях малых толщин внутренний подвижный корпус 3 перемещают вверх механическим или электрическим приводом 4 до упора ограничительными кольцами 14. Для толщин от 1 мм до 5 мм – соответствует максимальное фокусное расстояние, которое определяется аналогичным методом (фиг. 1). Последующие действия осуществляются аналогично предыдущим для больших толщин.
В режиме сверлении отверстий в металлах процесс происходит аналогично режиму лазерной резки металлов, но при этом дополнительно необходима большая мощность лазерного излучения.
В результате экспериментов, проведённых в ПАО «КАИ-Лазер» были получены следующие показатели: шероховатость поверхности реза на титановых сплавах для толщин от 1 мм до 40 мм не выше 2…4 мкм, на нержавеющих и высоколегированных сталях не выше 10…28 мкм при ширине реза 0,1...0,35 мм, глубина зоны термического влияния не более 0,2 мм. Настраиваемые режимы - мощность, скорость, длительность и частота импульсов влияют на качество резки: ширину реза b, шероховатость поверхности Rz и на ширину зоны термического влияния.
Технологические характеристики «Оптической головки для лазерной резки»:
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, °C
2…30
По результатам экспериментальных данных экономия расхода технологического газа составляет 60%.
Оптическая головка для лазерной резки позволит осуществлять резку и сверление отверстий металлов толщиной от 1 мм до 40 мм с высокой чистотой обработки и высокой точностью.  Глубина лазерного реза определяется фокусным расстоянием и диаметром фокального пятна, соответственно, который задается перемещением внутреннего подвижного корпуса 3 с фокусирующей линзой 5. Кроме того, предлагаемая конструкция позволит уменьшить энергозатраты, упростить оборудование, повысить надёжность конструкции и обеспечить высокую производительность за счёт оптимальных режимов резки.