Технологическая лазерная установка

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з В 23 К 26/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В (21) 4777652/08 (22) 04,01.90 (46) 23.04,93. Бюл. М l5 (71) Самолетостроительный завод Ульяновского авиационного промышленного комплекса (72) А.Р. Гарипов, Б,П. Ладейщиков и Б.Г.

Ревашин .(56) Импульсная приставка к лазерам серии ,ЛТН-100. О.А. Герасев, С.А. Герасев, А.M.

НикИтин и др. — В кн. Лазерные технологические установки и перспективы их применения в промышленности. — тезисы докладов — M., НИАТ, 1988, с, 60-61. (54) ТЕХНОЛОГ.ИЧЕСКАЯ ЛАЗЕРНАЯ УСТАНОВ КА (57) Изобретение относится k области машиностроения и предназначено для обработки материалов в импульсном режиме твердотельными лазерами. Целью изобретения является расширение технологических возможностей, увеличение номенклатуры

Изобретение относится к устройствам для обработки металлов лазерным лучом в импульсном режиме, а именно к,резке, сварке, прошивке отверстий и упрочнению изделий из черных металлов, дюралевых сплавов, углепластиков и других композиционных материалов.

Целью изобретения является расширение технологических возможностей установки за счет увеличения номенклатуры обрабатываемых резкой материалов, повышения качества и производительности рез. ки, „„5U„„1810262 А1 обрабатываемых резкой материалов, повышение качества и производительности. Установка содержит последовательно соединенные регулируемый стабилизатор постоянного тока, импульсный коммутатор, снабженный формирователем импульсов управления и твердотелвный излучатель, Имеется и система 5 транспортировки и фокусировки лазерного излучения, Импульсный коммутатор позволяет создавать импульсы с частотой 5-600 Гц и длительностью импульсов 0,3 — 14 мсек. Импульсный коммутатор построен по трехступенчатой схеме закрывания силового тиристора, Для этого с заданным временным сдвигом нэ нем создается обратное напряжение от

Трех предварительно заряженных емкостей при последовательном включении трех коммутирующих тиристоров. Изобретение по° зволяет повысить качество резки и производительность процесса путем увеличения импульсной мощности лазерного излучения. 2 з.п. ф-лы,1ил, . С)

На фиг. 1 представлена структурная 0 схема установки; на фиг. 2 - электрическая принципиальная схема тиристорного коммутатора; на фиг. 3 — структурная схема устройства управления тиристорным,ф коммутатором; на фиг. 4 — временные диаг- а раммы работы установки (на диаграммах;

I,tt,ttt,È вЂ” форма импульса на управляющем электроде тиристора соответственно Т1, Т2, ТЗ, Т4 (фиг. 2); на диаграммах Ч, Vt, Vtt— форма импульса напряжения соответственно в т.т. "а", "в", "с" {фиг. 2).

1810262

Установка содержит блок питания 1 (фиг. 1) БП10 — 40 в виде регулируемого стабилизатора постоянного тока, излучатель 2 марки ЛТН вЂ” 103 (твердотельный на АИГ: Nd с частотой излучения А =-1,06 мкм), блокприставку в виде тиристорного коммутатора

3, силовым входом подсоединенного к выходу блока питания 1, а входом — к твердотельному излучателю 2 при помощи стандартных разьемов, и устройства 4 управления коммутатором 3, представляющее собой формирователь управляющих импульсов, Установка содержит систему 5 транспортировки и фокусировки излучейия (в виде коллиматора, поворотного зеркала и фокусирующей линзы в газолазерной головке — на фиг. не показаны). Силовая часть 3 (тиристорный коммутатор) блока-приставки и формирователь 4 управляющих импульсов смонтированы в прямоугольном корпусе размерами 729 мм х 510 мм х 170 мм, устанавливаемом на крышке блока 1 питания

БП10 — 40, Коммутатор 3 состоит из четырех силовых тиристоров Т1, Т2, ТЗ, Т4 (фиг, 2), катоды . которых подключены к минусу источника питания 1. Между анодами тиристоров Т1, Т2, ТЗ, Т4 включены последовательно сое. диненные конденсаторы С1, С2, СЗ. Нагрузкой тиристора Т1 являются последовательно подсоединенные нагрузочные лампы накачки излучателя 2 (фиг. 1)

JlTH-103, а тиристоров Т2, ТЗ, Т4 — соответственно резисторы R1, R2, RÇ; тиристор Т1 подключен к лампам накачки ЛТН-103 через развязывающий диод 01, Лампы накачки другим полюсом подключены к плюсу блока

1 питания, как и резисторы R1, R2, RÇ. Тиристорный коммутатор 3 содержит также источник "дежуркой" дуги, включающий понижающий трансформатор Тр1, выпрямительные диоды 02, 03, 04, 05, фильтрующую емкость С4 и развязывающий: диод

06 (фиг, 2), На входе трансформатора Тр1 параллельно его первичной обмотке подключены магнитные пускатели К1 и К2 через двухпозиционный (А и В) переключатель, осуществляющий переключение режимов

"непрерывный" — "импульсный". Магнитные пуска ели имеют контакты К1,1 для шунтирования и контакты К2.1 и К2.2 для отключения тиристоров коммутатора .в непрерывном режиме работы коммутатора

3. Контакт первого магнитного пускателя

К1-К1.1 включен параллельно первому тиристору Т1. катод которого является входом, а анод — выходом тиристорного коммутатора 3. Катод первого тиристора Т1 через первый контакт второго магнитного пускателя

К2-К2.т соединен с катодами аторото Т2, третьего Т3 и четвертого Т4 тиристоров, аноды которых подключены, соответственно, через первый R1, второй R2 и третий RÇ резисторы к общей шине (и+" на фиг; 2) тиристорного коммутатора 3, анод первого тиристора Т1 подключен через второй контакт второго магнитного пускателя К2-К2т2 к первому конденсатору С1. Вторые обкладки с первого по третий конденсаторов С1, "0 С2, СЗ соединены соответственно с первого по третий резисторами R1, R2, RÇ. Формирователь 4 управляющих импульсов коммутатора 3 содержит последовательно соединенные задающий генератор 6, одно"5 вибратор 7, RS-триггер 8, формирователь стробирующего импульса 9, регистр сдвига l0. Генератор 6 подключен вторым выходом к входу первого транзисторного формирователя импульсов, выход которого подклю20 чен к управляющему электроду первого тиристора Т1 коммутатора 3. Одновибратор

7 соединен с первым S входом RS-триггера, а выход триггера 8 соединен со входом ждущего мультивибратора 12, частота следова25 ния импульсов которого зависит от минимальной длительности импульса тока лампы накачки, выход же мультивибратора

12 подсоединен ко второму входу регистра сдвига 10; три выхода которого (первый, 30 второй и третий) соединены с входами трех формирователей управляющих импульсов

13, 14, 15, подключенных к управляющим электродам тиристоров соответственно Т2, ТЗ, Т4. Четвертый выход регистра сдвига

35 подключен ко второму входу "R" RS-триггера 8. Устройство формирователя 4 выполне- . но на печатной плате из фольгированного, стеклотекстолита размером 210х80 мм.

Тиристорный коммутатор работает сле40 дующим образом. В момент времени t> (диаграмма 1, фиг. 4), соответствующий началу импульса тока в нагрузке, на управляющий электрод тиристора Т1 (фиг. 2) с формирователя 4 управляющих импульсов приходит

45 открывающий импульс; открываясь, тиристор Т1 передает напряжение 340 в с блока питания 1 БП10- 40 в точку иа". При этом конденсатор С1 заряжается до напряжения

340 В через тиристор R1. В момент времени

50 tz (диаграмма 11, фиг. 4) на управляющий электрод тиристора Т2 приходит открывающий импульс. Открытый тиристор Т2 прикладывает напряжение конденсатора О в обратной полярности к тиристору Т1, кото55 рый при этом закрывается, прекращая под. ачу напряжения от блока питания БП10-40 в точку иа" схемы, прекращая импульс (диаграмма V). Через открытый тиристор Т2 заряжается до напряжения 340 В конденсатор

С2, В момент времени тз (диаграмма 111) 1810262 на управляющий электрод тиристора Т3 проходит открывающий импульс, при этом открытый тиристор ТЗ прилагает напряжение конденсатора С2 в обратной полярности к тиристору Т2, закрывая его, Одновременно заряжается конденсатор СЗ до 340 В. В момент времени t4 (диаграмма

IV) на управляющий электрод тиристора Т4 приходит открывающий импульс, при этом открытый тиристор Т4 прилагает напряжение конденсатора СЗ в обратной полярности к тиристору ТЗ, закрывая его. Затем.в момент времени t5 приходит открывающий импульс на тиристор Т1, последовательность повторяется. Форма импульса напряжения в точке "а" показана на диаграмме V.

Трехступенчатая схема закрывания тири. стора Т1 позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую резисторами R1...R3. Трансформатор Тр1, диодный мост Д2...Д5, конденсатор фильтра . С4 образуют по известной схеме источник постоянного напряжения величиной 170 В дежурной дуги (диаграмма И, фиг. 4). Диодный вентиль D6 не пропускает более высокое напряжение импульса 340 В в точке "в" выхода выпрямителя дежурной дуги. Вентиль 01 не пропускает напряжение дежурной дуги в точку "а" в промежуток времени t4 t5 между импульсами, Таким образом вентили 01 и D6 устраняют взаимное влияние импульсной схемы и источника дежурной дуги, осуществляя, суммирование их напряжений в точке

"с" (диаграмма Vll, фиг. 4).

В .импульсном режиме переключатель режимов работы находится в положении

"в", при этом работает магнитный пускатель

К2, замыкая контакты К2.1; К2.2; К2.3, подключая к нагрузке импульсную схему и источник дежурной дуги, В непрерывном режиме переключатель режимов находится в положении "А", магнитный пускатель К2 отключен, контакты К2.1; К2.2; К2.3 разомкнуты, от нагрузки отключаются импульсная схема и источник дежурной дуги.

Магнитный пускатель К1 включен, замкнут контакт К1.1; шунтирующий тиристор Т1, при этом в нагрузку(лампы накачки) беспрепятственно передается напряжение 340 В с блока питания БП10-40, Формирователь импульсов управления тиристорным коммутатором работает следующим образом; задающий генератор 6 управляет формирователем импульсов 11 управления тиристором Т1 и запускает одновибратор 7, формирующий временной интервал (t2- 1), по истечении которого устанавливается RS-триггер 8; при этом формирователь стробирующего импульса 9 производит параллельную загрузку в ре20

25 по контуру, задаваемому программным ус гройством относительно неподвижного излу30 тота и длительность импульсов), На пульте имеется .переключатель режимов "непре35 рывный" — "импульсный", позволяющий выбирать нужный технологический режим.

При работе в импульсном режиме по сравнению с аналогичными условиями непрерывного режима улучшается качество резки

40 конструкционных и нержавеющих сталей (отсутствует капельный град в месте реза на частоте 100 — 150 Гц) и средняя скорость реза возрастает в 1,5-2,5 раза (в зависимости от толщины проката), что увеличивает

45 существенно производительность резки. В

- 1,5-2 раза уменьшается ширина реза и устраняется обугливание краев при резке композиционных материалов, появляется возможность резать углепластик и дюра50

5

15 гистр 10, а мультивибратор 12 осуществляет последовательный сдвиг информации регистра. 1-й, 2-й и 3-й выходы регистра 10 подключены к формирователям 13, 14 и 15 управления тиристорами соответственно

Т2, Т3 и Т4, 4-й выход регистра сбрасывает

RS-триггер 8, подготавливая устройство к новому циклу.

Установка работает в итог следующим образом: включение установки происходит от блока питания БП10 — 40, к ЛТН-103, при этом тиристорный коммутатор находится в режиме "непрерывный", устанавливаетСя необходимый технологический режим (длительность импульса тока, частота повторения импульсов), переключатель режимов устанавливается в режим "импульсный"

Импульсный лазерный луч, сфокусированный системой 5 (фиг. 1), направляется на обрабатываемый дюралевый листовой ма териал, расположенный на станке с числовым программным управлением, например, М А-655, который осуществляет последовательное движение обрабатываемой детали, чателя 2 и фокусирующей системы 5.

Формирователь 4 импульсов управления (фиг. 1) осуществляет синхронное управление силовыми тиристорами коммутатора 3 в соответствии с задаваемый на его пульте управления технологическим режимом (часлюминиевый прокат, слоистые дюралюминиевые материалы.

Введение импульсного режима резки при частоте созданных импульсов 5-600 Гц, длительности импульсов тока до 0,3 — 14 мсек и величине импульсов тока 60 А позволяет значительно расширить номенклатуру обрабатываемых материалов (как обладающих высокой теплопроводностью медные и дюралюминиевые сплавы-, так и некоторых композиционных материалов) и заметно повысить качество и

1810262 производительность резки материалов, обрабатываемых ранее при непрерывном режиме, так как при импульсном лазерном излучении не происходит образования оплавленного металлического града и обугли- 5 вания углепластиков, характерного для импульсно-непрерывного режима, ввиду перераспределения градиента температуры; ширина реза при этом уменьшена, что также повышает качество резки и снижает 10 удельный расход затрачиваемой энергии.

Данная технологическая лазерная установка с расширенными технологическими воэможностями может быть использована в

" составе робототехнических комплексов в 15 связи с ее относительно небольшими габаритами, широкими технологическими возможностями и простотой обращения из-за минимального количества параметров, устанавливаемых вручную (длительность и ча- 20 стота следования импульсов, тск в импульсе), что обеспечено схемой управления; При незначительных доработках данные параметры могут устанавливаться от программы. 25

Следовательно, по сравнению с прототипом расширяются технологические возможности установки, так как — увеличивается номенклатура обрабатываемых резкой материалов (установка 30 разрезает ранее. не разрезаемые дюралевые сплавы, углепластики, слоистые дюралевые материалы и т.п.); — увеличивается в 1,5-2 раза скорость резки, что повышает ее производитель- 35 ность, — улучшается качество резки за счет устранения обугливания краев углепластиков, возникновения металлического капельного града на поверхности конструк- 40 ционных и нержавеющих сталей, уменьшения в 1,5-2 раза ширины реза.

Формула изобретения

1. Технологическая лазерная установка, содержащая регулируемый стабилизатор постоянного тока, тиристорный коммутатор, входом соединенный с выходом формирователя управляющих импульсов, 50 твердотельный излучатель, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет увеличенйя номенклатуры обрабатываемых резкой материалов, повышения качества и производительности резки, она снабжена двумя раэвязывающими диодами и блоком дежурной дуги, соединенным с твердотельным излучателем, системой фокусировки излучения и средством транспортировки излучателя, причем силовой вход тиристорного коммутатора подключен к выходу регулируемого стабилизатора тока, а выход — к твердотельному излучателю и выходу блока дежурной дуги через развязывающие диоды, 2. Установка по п, 1, отличающаяся тем, что тиристорный коммутатор содержит четыре тиристора, три последовательно соединенных конденсатора, три резистора и два магнитных пускателя, причем контакт первого магнитного пускателя включен параллельно первому тиристору, катод которого является входом, а анод — выходом импульсного коммутатора, катод первого тиристора через первый контакт второго магнитного пускателя соединен с катодами второго, третьего и четвертого тиристоров, аноды которых подключены соответственно через первый, второй и третий резисторы к общей шине тиристорного коммутатора, анод первого тиристора подключен через второй контакт второго магнитного пускателя к первому конденсатору, а вторые обкладки с первого по третий конденсаторов соединены соответственно с первого по третий резисторами, 3,Установка поп,2,отл ичающаяся тем, что формирователь управляющих импульсов содержит последовательно соединенные задающий генератор, одновибратор, RS-триггер, формирователь стробирующего импульса, регистр сдвига, а также ждущий мультивибратор и четыре формирователя импульсов, подключенные к управляющим электродам соответствующих тиристоров импульсного коммутатора; причем второй вход RS-триггера соединен с первым выходом регистра сдвига, второй, третий и четвертые выходы которого соединены соответственно с входами второго, третьего и четвертого формирователей импульсов, второй вход регистра сдвига через ждущий мультивибратор соединен с выходом RS-триггера, а второй выход задающего генератора связан с входом первого формирователя импульсов.

1810262

1810262

К 72 К g 2 аЬг4

Составитель Б.Ревашин

Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор

Заказ 1415 Тираж " Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101