Устройство для лазерной обработки

 

Изобретение относится к сварке, в частности к устройству для лазерной обработки, в частности резки материалов, в соосной лазерному лучу струе технологического газа. Сущность изобретения: в процессе резки листовых материалов возникает необходимость стабилизации положения перетяжки сфокусированного лазерного луча относительно поверхности материала. Для этого подвижная часть устройства, состоящая из корпуса с закрепленной в нем линзой, штуцера для подачи газа и сопла с развитой поверхностью среза, снабжена элементом для компенсации веса подвижной части, например пружинами. Требуемая точность компенсации веса подвижной части определяется геометрией сопла. Стабилизация рабочего зазора происходит за счет баланса силы избыточного давления струи газа на материал, силы притяжения развитого среза сопла к поверхности материала и нескомпенсированной силы тяжести. 1 ил.

Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки, в частности резки листовых материалов, сфокусированным лучом лазера в соосной ему струе технологического газа.

При лазерной обработке материала возникает необходимость стабилизации положения перетяжки сфокусированного лазерного луча относительно поверхности материала.

Известно устройство фокусировки и слежения лазерной обрабатывающей установки (заявка Японии N62-29150, кл. В 23 К 26/02, 24.06.87). Устройство состоит из сопла с установленным в нем фокусирующим элементом и снабжено контактным датчиком смещения поверхности материала, который управляет механизмом вертикального перемещения сопла.

Известно также устройство для автоматической фокусировки лазерной установки (заявка Японии N62-45034, кл. В23 К 26/02, 24.09.87 прототип), состоящее из лазера, сопла, фокусирующего элемента, установленного в полости сопла и штуцера для подачи технологического газа, причем сопло установлено с возможностью перемещения в направлении оптической оси. В процессе обработки срез сопла скользит по поверхности материала, обеспечивая заданное положение перетяжки лазерного луча относительно поверхности материала.

Существенным недостатком устройства-прототипа является трение между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала, которое приводит к износу сопла и деформации или смещению разрезаемого материала в направлении резки, что, в свою очередь, ограничивает качество и производительность лазерной обработки.

Целью настоящего изобретения является повышение качества и производительности лазерной обработки путем стабилизации рабочего зазора в заданном рабочем диапазоне перемещения подвижной части.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем лазер, неподвижный корпус, подвижную часть в виде сопла, установленного с возможностью перемещения в направлении оптической оси, фокусирующего элемента, расположенного в полости сопла, и штуцера для подачи технологического газа в полость сопла, подвижная часть дополнительно снабжена механизмом компенсации веса подвижной части устройства. Механизм компенсации веса может быть выполнен в виде противовеса, связанного c cоплом, или в виде упругого элемента, одним концом закрепленного на сопле, а другим на корпусе.

Сущность изобретения заключается в следующем. Часть газа, истекающего через сопло, течет в зазоре между поверхностью среза сопла и поверхностью материала, где имеет место эффект Бернулли статическое давление газа в зазоре меньше атмосферного давления.

Поскольку сопло имеет возможность перемещаться относительно поверхности материала и вес его скомпенсирован, между поверхностью среза сопла и поверхностью материала устанавливается величина зазора, при которой сила избыточного давления истекающей из сопла струи на материал уравновешивается силой притяжения среза сопла к материалу вследствие эффекта Бернулли. Подвижная часть устройства находится в состоянии устойчивого равновеcия, то есть при изменении равновесного зазора возникает возвращающая сила.

Таким образом, подвижная часть устройства, перемещаясь в осевом направлении, отслеживает кривизну материала, перемещаемого в направлении обработки, и сохраняет неизменным рабочий зазор между срезом сопла и поверхностью материала. Достигаемая стабильность положения перетяжки лазерного луча относительно поверхности материала при отсутствии механического контакта устраняет ограничение скорости, обусловленное в устройстве-прототипе необходимостью обеспечить размерную точность обработки при наличии деформации или сдвига материала, и таким образом повышает производительность заявляемого устройства.

Отсутствие, в сравнении с прототипом, механического износа среза сопла, приводящего к заглублению перетяжки относительно ее оптимального положения и изменению сечения выходного отверстия сопла, обеспечивает долговременную стабильность технологических параметров лазерной обработки и, следовательно, повышает качество обработки материала.

Дополнительным преимуществом заявленного устройства является значительное упрощение конструкции по сравнению с прототипом, а именно отсутствие механизма вертикального перемещения.

На фигуре изображен разрез заявляемого устройства (приведены ссылки на фигуру, представленную в первоначальном тексте описания. Позиция 3 (штуцер) переобозначена в поз.4, а поз.4 (сопловая насадка) в поз.3.

Устройство содержит лазер (на фиг. не показан), неподвижный корпус 1 и сопло, состоящее из сопловой камеры 2 и сопловой насадки 3. Сопловая камера 2 установлена на посадочном месте корпуса 1 с возможностью перемещения в направлении оси лазерного луча и снабжена штуцером 4 для подачи технологического газа. Сопловая насадка 3 закреплена в нижней части сопловой камеры 2. Выходное отверстие сопла имеет площадь сечения S₀, а общая площадь среза сопла S. Фокусирующая линза 5 установлена внутри сопловой камеры 2 соосно выходному отверстию сопла. Подвижная часть устройства подвешена на пружинах 6 к корпусу 1. Нагрузочная характеристика пружин 6 выбирается таким образом, что их удлинение под действием веса подвижной части много больше заданного рабочего диапазона перемещения подвижной части (далее РДП) при обработке материала 7.

Рассматривается вариант исполнения заявляемого устройства, в котором в качестве механизма компенсации веса подвижной части вместо пружин 6 используется противовес, состоящий из грузика (на фиг. не показан), соединенного с сопловой камерой 2 тросиком (на фиг. не показан), пропущенным через блок (на фиг. не показан), установленный на корпусе 1.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент срез сопла подводят к поверхности материала 7. Через штуцер 4 подают технологический газ с избыточным давлением в полости сопла Р₀, причем давление Р₀, как правило [3] не превышает величины критического давления для используемого технологического газа. При истечении газа из сопла часть его протекает в зазор между срезом сопла и поверхностью материала. Между срезом сопла и поверхностью материала устанавливается рабочий зазор, при котором сила избыточного давления истекающей из сопла струи газа уравновешивается силой притяжения сопла к материалу вследствие эффекта Бернулли. В результате подвижная часть в процессе резки перемещается в осевом направлении, отслеживая кривизну материала. Когда, отслеживая кривизну материала, подвижная часть перемещается вверх относительно точки равновесия, сила упругости пружин 6 Т, которая компенсирует вес подвижной части Mg, становится неизбежной в верхней точке РДП. Если условие P₀·S₀ > (Mg Т) (I) не выполнено, произойдет закупоривание выходного отверстия сопла поверхностью материала и возникнет нежелательный механический контакт с перемещаемым в направлении резки материалом.

При перемещении подвижной части, отслеживающей кривизну материала, вниз от положения равновесия сила упругости становится наибольшей в нижней точке РДП, при этом возможен отрыв среза сопла от поверхности материала, если сопло имеет недостаточно развитую поверхность среза. По результатам измерений усилий отрыва для различающихся значениями S и S₀ сопл определено условие: , выполнение которого исключает отрыв среза сопла от поверхности материала во всем РДП.

При использовании в качестве механизма компенсации веса подвижной части противовеса масса грузика должна соответствовать соотношениям I и II с учетом применения устройства для обработки наклонных участков материала. При этом масса грузика выбирается минимально возможной с целью снижения инерции подвижной части устройства.

Таким образом соответствие характеристик составных частей устройства условиям I и II обеспечивает работоспособность устройства в заданном РДП. Условия I и II практически применимы, если гидравлическое сопротивление канала, прорезаемого лазерным лучом в материале, много больше, чем гидравлическое сопротивление рабочего зазора между срезом сопла и поверхностью материала, что, как правило, и выполняется в большинстве известных процессов лазерной обработки [3]

Формула изобретения

Устройство для лазерной обработки, содержащее лазер, неподвижный корпус и подвижную часть в вида сопла, установленного с возможностью перемещения в направлении оптической оси, фокусирующего элемента, расположенного в полости сопла, и штуцера для подачи технологического газа в полость сопла, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом компенсации веса подвижной части, выполненным в виде противовеса, связанного с соплом, или в виде упругого элемента, одним концом закрепленного на сопле, а другим на корпусе, при этом характеристики подвижной части устройства и сопла удовлетворяют следующим соотношениям: P₀·S₀ > (Mg T) и где Mg проекция силы тяжести подвижной части устройства на оптическую ось; Т проекция компенсирующей силы на оптическую ось; S общая площадь сечения среза сопла; S₀ площадь сечения выходного отверстия сопла; P_кр величина критического давления технологического газа.

РИСУНКИ

Рисунок 1