Устройство лазерной резки материалов с рекуперацией отводимой тепловой энергии
DEVICE FOR LASER CUTTING OF MATERIALS WITH RECUPERATION OF REMOVED HEAT ENERGY

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для лазерной резки в автомобильной, авиационной промышленности и др.
3
3
Известно [1], что коэффициент полезного действия (КПД) современных лазеров не превышает 30% для газовых лазеров [2] и 5% для твердотельных. Большая часть энергии расходуется на нагрев активного элемента, системы оптической накачки, других элементов лазерного излучателя, и рассеивается в окружающее пространство в виде тепловой энергии. КПД лазерной обработки материалов стремится к 1%, т.к. необходимо питать многие вспомогательные системы, например, систему подготовки и подачи технологического газа. Например, для поршневых компрессоров среднего и высокого давления при условиях всасывания 20°С, 101,3 кПа и конечном давлении 1,6 МПа расход энергии на сжатие газа составляет 0,14…0,16 кВт⋅ч/м, при конечном давлении 15…16 МПа эта величина достигает 0,25…0,26 кВт⋅ч/м.
Таким образом, если часть тепловой энергии, рассеиваемой в окружающее пространство, передать на нагрев технологического газа, то давление в системе хранения технологического газа можно поддерживать постоянным при условии поддержания температуры газа и скорости нагрева при неизменном уровне энергопотребления лазерного технологического комплекса.
Известен ряд технических решений, суть которых сводится к тому, что на поверхность листовой заготовки подают сфокусированное лазерное излучение и струю газа, заготовку перемещают в плоскости фокуса, нормально к оси оптической системы [3]. В этом случае реализуется процесс газолазерной резки, состоящий из двух этапов: прожига первичного отверстия в материале и формирования зоны реза за счет перемещения заготовки по заданному контуру.
Известен способ лазерной резки [4], в котором обрабатываемый лист располагают на пластине-трафарете и осуществляют вырезку детали по пазам трафарета сфокусированным лазерным лучом и струей технологического газа. Вырезку контура детали в стальной пластине-трафарете и в обрабатываемом листе осуществляют лазерным лучом поочередно, но по одной и той же управляющей программе, и при одинаковой ориентации контура в системе координат стола. Вырезку контура детали в пластине-трафарете производят в струе кислорода в режиме с развитым боковым горением. Параметры резки выбирают такими, чтобы ширина реза была равна диаметру струи кислорода.
В способе [5] фокус луча направляют внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/2…5/8 толщины. В качестве модового состава излучения используют комплексную моду. Мощность излучения поддерживается в пределах 500…700 Вт. Скорость движения луча находится в пределах 0,8…2,5 см/с. Это позволяет получить высокое качество реза на верхней и нижней поверхностях материала при минимальной зоне термического влияния.
Известно устройство [6], в котором над разрезаемой поверхностью располагают сопло с зазором, позволяющим разрезать неровные и шероховатые поверхности, и создают над резом область повышенного давления, вдувая в нее вспомогательный газ. Газ вдувают в область повышенного давления с составляющей скорости, направленной вдоль реза в сторону его фронта. В качестве вспомогательного газа используют воздух. Сопло для подачи вспомогательного газа имеет выходное сечение, выполненное вытянутым вдоль направления фронта реза. Выходное сечение сопла снабжено направляющими перегородками, расположенными под углом 45…60° к направлению фронта реза для получения составляющей скорости вспомогательного газа, направленной вдоль реза в сторону его фронта. Это позволяет лазерному лучу проходить впереди сопла, что упрощает конструкцию устройства. Кроме того, выходное сечение сопла может быть выполнено с длиной вдоль реза более 0,6 толщины обрабатываемого материала, а сопло можно располагать позади лазерного луча. За счет сдвигания области с тормозящим градиентом давления в нижней части реза за пределы 40 мм по глубине реза или полного его устранения по всей толщине разрезаемого материала повышается качество резания материалов толщиной более 40 мм.
Известен способ лазерной резки [7], в котором заготовку закрепляют и растягивают, создавая растягивающие напряжения. На листовую заготовку через сопло резака подают сфокусированное лазерное излучение с заданным фокусным расстоянием и поток газа и перемещают ее под лучом по заданному контуру.
Недостатком устройств [4-7] является отсутствие мер, направленных на более полное использование энергопотребления системы газолазерной резки в целом.
Наиболее близким к заявленному изобретению является энергоэффективное устройство для лазерной резки материалов [8], в состав которого входит источник электропитания, лазерный излучатель, оптические элементы, образующие систему формирования лазерного луча, сопло для подачи газа, обрабатываемая заготовка, система охлаждения лазерного излучателя, система подачи технологического газа, система передачи тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке. В результате увеличения начальной температуры обрабатываемой заготовки для ее резки потребуются либо меньше энергии лазерного излучения при заданной скорости резки, либо может быть увеличена скорость резки без увеличения энергии лазерного излучения. Как показывают расчеты, увеличение начальной температуры заготовки на 10 градусов ведет к снижению необходимой мощности лазерного излучения на 1%.
Недостатком устройства [8] является его низкая эффективность при резке материалов с низким коэффициентом теплопроводности, т.к. в этом случае величина переданной тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке снижается.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства, позволяющего наиболее полно использовать электрическую энергию, питающую лазерный технологический комплекс, и расширяющую типы обрабатываемых материалов.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство позволяет передавать тепловую энергию от системы охлаждения лазерного излучателя к системе подготовки, хранения и подаче технологического газа. Причем температура газа и скорость нагрева газа определятся из следующих соображений. Известно, что состояние реальных газов хорошо описывается уравнением состояния идеального газа:
где Р - давление газа, V- объем газа, т - масса газа, R - универсальная газовая постоянная, Т- температура газа.
Для реализации предлагаемого способа и устройства необходимо, чтобы произведение m⋅Т в выражении (1) было постоянной величиной. Представим m⋅Т в виде функции времени:
где t - время, Т - температура газа, m - масса газа, G - расход газа, ρ - плотность газа.
Правая часть выражения (2) будет постоянной, если производная  т.е. температура T(t) и скорость нагрева  определяются из решения дифференциального уравнения:
решение которого представлено на фиг. 1.
Теоретически, поддерживать давление на заданном уровне за счет нагрева газа можно достаточно долго. На практике это время ограничено уровнем тепловыделения и степенью технического совершенства лазерного комплекса и производительностью системы охлаждения. Полностью отказаться от системы подготовки технологического газа не представляется возможным, однако рекуперация тепловой энергии системы охлаждения лазерного комплекса во внутреннюю энергию газа позволит повысить КПД процесса лазерной обработки материалов и лазерного технологического комплекса.
Принципиальная схема устройства показана на фиг. 2, где обозначено: 1 - источник электропитания; 2 - лазерный излучатель; оптические элементы, образующие систему формирования лазерного луча, 4 - сопло для подачи газа; 5 - обрабатываемая заготовка; 6 - система охлаждения лазерного излучателя; 7 - система подачи технологического газа; 8 - устройство передачи тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к системе подготовки, хранения и подаче технологического газа.
В настоящее время для охлаждения лазерного излучателя используются, в основном, жидкостной или воздушный способы охлаждения. Поэтому система передачи тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к системе хранения технологического газа может быть основано на явлении теплопроводности или конвекции.
В случае использования воздушного охлаждения (фиг. 3) лазерного излучателя система передачи тепловой энергии работает по принципу конвекции. Воздушный поток, пройдя систему охлаждения лазерного излучателя 6, с использованием устройств для подачи воздуха (например, вентиляторов 9) по гибкому воздуховоду 10 направляется к системе подготовки, хранения и подачи технологического газа 7.
В случае использования для охлаждения лазерного излучателя жидкостного теплоносителя система передачи тепловой энергии представляет собой теплообменник и конструктивно может быть выполнена, например, в виде трубчатой спирали, установленной с обеспечением теплового контакта с системой подготовки, хранения и подачи технологического газа 7. Система передачи тепловой энергии работает следующим образом (фиг. 4). Теплоноситель (или его часть) из контура 12 системы охлаждения лазерного излучателя 6 подается в теплообменник 13. При этом происходит нагрев элементов конструкции системы подготовки, хранения и подачи технологического газа 7 и, соответственно, увеличение температуры газа. Дополнительно может быть установлен теплоизолирующий экран 14.
Литература
1. Справочник по лазерам/ Под ред. A.M. Прохорова. В 2-х томах. Т. 1. - М.: Сов. радио, 1978. - с. 247.
2. Газовые лазеры/ Сб. статей. Пер. с англ. Под ред. Н.Н. Соболева. М.: Мир, 1968. - с. 6.
3. Малоотходные процессы резки лучом лазера/В.С. Коваленко, В.В. Романенко, Л.М. Олешук. - К.: Техника, 1987. - 112 с.
4. RU №2225782, 2004 г.
5. RU №2219029, 2003 г.
6. RU №2172233, 2001 г.
7. RU №2288084, 2006 г.
8. RU №2698896, 2019 г.