Энергоэффективное устройство лазерной резки материалов

Энергоэффективное устройство лазерной резки материалов может быть использовано для оперативного и высокоточного изготовления сложноконтурных деталей из листовой заготовки. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит источник питания, лазерный излучатель, оптические элементы, сопло, систему охлаждения лазерного излучателя, систему подачи технологического газа и систему передачи тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке. Часть тепловой энергии посредством системы передачи тепловой энергии поступает от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке. Происходит нагрев заготовки и для ее резки требуется меньше энергии лазерного излучения, либо происходит увеличение скорости границы разрушения без увеличения мощности лазерного излучения. Как показывают расчеты, нагрев заготовки на 10 градусов ведет к снижению необходимой мощности лазерного излучения на 1%. Устройство позволяет максимально использовать электрическую энергию, питающую лазерный технологический комплекс. 4 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для лазерной резки с целью оперативного и высокоточного изготовления сложноконтурных деталей из листовой заготовки.

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. Также известно [3], что для металлов величина начальной температуры Тн обрабатываемой заготовки влияет на величину скорости границы разрушения vн и vп для резки непрерывным и периодическим лазерным излучением:

где q - плотность мощности лазерного излучения, ρ - плотность материала заготовки, с - удельная теплоемкость материала, Т0 - температура материала на границе разрушения в зоне обработки, α - коэффициент температуропроводности материала, vp - скорость резки, r - радиус пятна лазерного луча на поверхности заготовки, ΣL - суммарная теплота фазовых переходов металла и его оксидов, G - удельная теплота реакции горения.

Таким образом, если часть тепловой энергии, рассеиваемой в окружающее пространство, передать на нагрев обрабатываемой заготовки, то будет достигнута большая скорость обработки 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.

Общим недостатком устройств и способов [4-6] является отсутствие мер, направленных на снижение энергопотребления в целом системы газолазерной резки.

Наиболее близким к заявляемому устройству является способ лазерной резки [7], в котором заготовку закрепляют и растягивают, создавая растягивающие напряжения, определяемые соотношением σpχ≤σyGV, где σр -растягивающие напряжения, создаваемые в заготовке, МПа, χ - температуропроводность материала заготовки, мм2/с, σу - предел упругости материала заготовки, МПа, G - среднестатистический предел величины изгиба заготовки, мм, V - скорость резки, мм/с. 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. Устройство [7] содержит источник лазерного излучения, зеркало, резак, платформу с зажимами для заготовки. Платформа установлена на координатном столе и содержит резьбовые направляющие для растяжения заготовки, которые представляют собой винтовые пары с лево- и правосторонней резьбой. Координатный стол управляется системой ЧПУ, связанной с источником лазерного излучения и с информационно-вычислительной системой через программный модуль, корректирующий контур реза пропорционально создаваемым в материале деформациям. Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности лазерной резки за счет обеспечения по всей поверхности листовой заготовки стабильного положения плоскости фокусировки линзы резака в процессе резки и обеспечения практически постоянной величины зазора между соплом резака и поверхностью заготовки.

Недостатком перечисленных устройств является отсутствие мер, направленных на более полное использование энергопотребления системы газолазерной резки в целом.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства, позволяющего более полно использовать электрическую энергию, питающую лазерный технологический комплекс.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство позволяет передавать тепловую энергию от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке.

Принципиальная схема энергоэффективного устройства для лазерной резки материалов показана на фиг.1, 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 обрабатываемой заготовке.

В настоящее время для охлаждения лазерного излучателя используются, в основном, жидкостной или воздушный способы охлаждения.

Поэтому устройство передачи тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке может быть основано на теплопроводности или конвекции.

В случае использования воздушного охлаждения (фиг. 2) лазерного излучателя устройство 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 на обрабатываемую заготовку 5. При этом для более эффективного нагрева необходимо обеспечить теплоизоляцию обрабатываемой заготовки от координатного столика, например, при помощи теплоизолирующей прокладки 11.

В случае использования для охлаждения лазерного излучателя жидкостного теплоносителя устройство передачи тепловой энергии представляет собой теплообменник и конструктивно может быть выполнено, например, в виде трубчатой спирали, вмонтированной в координатный столик, на котором крепится обрабатываемая заготовка 5 с обеспечением теплового контакта. Устройство передачи тепловой энергии работает следующим образом (фиг. 3). Теплоноситель (или его часть) из контура 12 системы охлаждения лазерного излучателя 6 подается в теплообменник 13. При этом происходит нагрев координатного столика и, соответственно, увеличение начальной температуры обрабатываемой заготовки.

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%.

На фиг. 4 представлены результаты расчета скорости границы разрушения в зависимости от скорости резки при фиксированной мощности лазерного излучения. На фиг. 5 представлены результаты расчета скорости границы разрушения в зависимости от мощности лазерного излучения при фиксированной скорости резки. На фиг. 6 представлены результаты расчета для максимальной толщины разрезаемого материала в зависимости от мощности лазерного излучения при фиксированной скорости резки. Расчеты выполнялись для двух случаев: начальная температура материала 300 К и 360 К.

Литература

1. Справочник по лазерам/ Под ред. A.M. Прохорова. В 2-х томах. Т. I. - 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. Олещук. - 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.

Энергоэффективное устройство лазерной резки материалов, содержащее источник питания, лазерный излучатель, оптические элементы, образующие систему формирования лазерного пучка, сопло, систему охлаждения лазерного излучателя, систему подачи технологического газа, отличающееся тем, что дополнительно введена система передачи тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к гибридной лазерно-дуговой сварке металлоконструкций толщиной стенки от 8 до 12 мм. Способ гибридной лазерно-дуговой сварки тонкостенных стыковых соединений включает выполнение корневого шва электрической дуговой сваркой с плавящимся электродом в среде защитного газа совместно с лазерной сваркой в единой сварочной ванне.
Изобретение относится к гибридной лазерно-дуговой сварке металлоконструкций толщиной от 12 мм и выше, в частности к сварке продольных швов сформованных трубных заготовок при производстве труб большого диаметра из листового проката с толщиной стенки до 50 мм.

Изобретение относится к роботизированному порталу для лазерных резки и сварки цилиндрических трубных заготовок. Технический результат изобретения заключается в повышении качества сварного шва или реза при лазерной сварке и резке цилиндрических трубных заготовок.

Изобретение относится к сварке толстостенных металлоконструкций, в частности к сварке продольных швов сформованной цилиндрической заготовки, и может быть использовано при производстве сварных труб большого диаметра.

Изобретение относится к способу сварки тавровых соединений деталей и может найти применение в судостроении и машиностроении. Сварку угловых швов осуществляют одновременно с двух сторон таврового соединения без разделки свариваемых кромок с расположением тавра в горизонтальной плоскости.

Изобретение относится к производству труб большого диаметра и может быть использовано в отраслях промышленности, например судостроительной. В способе лазерно-дуговой сварки труб сварку трубной заготовки осуществляют гибридной лазерно-дуговой сваркой в импульсно-периодическом режиме, при котором выбирают одинаковую частоту пульсаций электрической дуги и лазерного излучения.

Изобретение относится к области лазерной или гибридной сварки и может быть использовано в разных отраслях промышленности, в т.ч. при производстве труб большого диаметра.

Группа изобретений относится к способу и устройству для лазерной наплавки металлического порошкового материала на поверхность изделия и может быть использована при аддитивном изготовлении изделий.

Изобретение относится к присадочной подаваемой проволоке для аддитивного производства, устройству для аддитивного производства и способу аддитивного производства.

Изобретение относится к бытовому прибору по меньшей мере с одной самоочищающейся поверхностью. Бытовой прибор (18, 21) по меньшей мере с одной самоочищающейся поверхностью (20, 33, 37), предусмотренной на базовом материале (16), в котором самоочищающаяся поверхность (20, 33, 37) содержит множество двойных микроразмерных структур (3).

Изобретение относится к области лазерной обработки и может быть использовано в различных отраслях машиностроения. Осуществляют лазерную резку деталей из листовых доэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых сталей с формированием упрочненного приповерхностного слоя в зоне резки.

Изобретение относится к способу лазерного сверления отверстий в хирургической игле. Для сверления используют систему лазерного ударного сверления.

Изобретение относится к способу лазерной резки тонколистового углепластика и может быть применено в авиационной и ракетно-космической технике. Технический результат изобретения заключается в обеспечении высокой точности обработки при минимальном дефекте кромки реза (минимальной зоне термического влияния).

Изобретение относится к способу лазерной пробивки сквозных отверстий в пластинах из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов. Осуществляют разделение лазерного пучка на два.

Изобретение относится к способу и устройству получения однонаправленного углеродного волокна нитей. Способ включает лазерную резку углеродного волокна и вакуумную обработку места реза углеродного волокна.

Изобретение относится к лазерному станку, который имеет лазерную головку (3) для эмиссии лазерного луча на обрабатываемую деталь и блок перемещения (1, 2, 9) для пространственного перемещения лазерной головки (3) с линейно перемещающимся порталом (1) станка и удерживаемой на нем с возможностью поперечного перемещения поперечной тележкой (2).

Изобретение относится к способам лазерно-лучевой резки листового металлопроката. Листовой металлопрокат перед лазерной резкой подвергают холодной пластической деформации, способствующей снижению теплопроводности металла и уменьшению (локализации) зоны температурного воздействия на участке реза.

Изобретение относится к способу лазерного расслаивания полупроводниковой пластины. Способ включает следующие этапы: фокусировку лазера внутри полупроводниковой пластины (10) для формирования множества точек (19) разрыва, при этом множество точек (19) разрыва располагается на разделяющей поверхности (20); и приложение при температуре не ниже 0 К сил с противоположными направлениями к противоположным сторонам полупроводниковой пластины (10), вследствие чего полупроводниковая пластина делится (10) на две части вдоль разделяющей поверхности (20).

Изобретение относится к области прецизионной микрообработки материалов, в частности к способу резки стекол при помощи гребенки лазерных импульсов фемтосекундной длительности, и может быть использовано для прецизионной резки стекла на предприятиях и в научно-исследовательских центра.

Изобретение относится к способу лазерной прошивки материала и системе для его осуществления. Система содержит импульсный лазер, выполненный с возможностью выдавать импульсный лазерный пучок, имеющий длину волны меньше чем или равную примерно 850 нм.

Энергоэффективное устройство лазерной резки материалов может быть использовано для оперативного и высокоточного изготовления сложноконтурных деталей из листовой заготовки. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит источник питания, лазерный излучатель, оптические элементы, сопло, систему охлаждения лазерного излучателя, систему подачи технологического газа и систему передачи тепловой энергии от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке. Часть тепловой энергии посредством системы передачи тепловой энергии поступает от системы охлаждения лазерного излучателя к обрабатываемой заготовке. Происходит нагрев заготовки и для ее резки требуется меньше энергии лазерного излучения, либо происходит увеличение скорости границы разрушения без увеличения мощности лазерного излучения. Как показывают расчеты, нагрев заготовки на 10 градусов ведет к снижению необходимой мощности лазерного излучения на 1. Устройство позволяет максимально использовать электрическую энергию, питающую лазерный технологический комплекс. 4 ил.

Наверх