Способ лазерной резки труб из кварцевого стекла при их вытяжке

 

Изобретение относится к оптоэлектроннОй, светотехнической и электронной про мышленности. Сущность изобретения: способ резки кварцевых труб на вытяжке включает разделение лазерного пучка по двум каналам, фокусировку полученных пучков на поверхности с перемещением их по Изобретение относится к способам разделения труб из кварцевого стекла, в частности , опорных труб, используемых в производстве высококачественных световодов , в процессе их вертикальной вытяжки из нагревательно-формовочной печи и может быть использовано в оптоэлектронной, светотехнической и других отраслях техники, где предъявляются высокие требования к постоянству геометрических и физических параметров указанных труб. Целью изобретения является сокращение непрерывности процесса.вытяжки труб окружности труб в плоскости, перпендикулярной оси труб. С целью сохранения непрерывности движения труб в процессе их вытяжки. Повышения качества и снижения брака при их производстве осуществляют синхронное перемещение пятен сфокусированного излучения вдоль оси труб с фокусировкой пучков на диаметрально противоположных относительно оси точках труб, в том числе с возможностью периодической подачи излучения. Блоки кзнэлирования разделяются на два оптически связанные субблока с оптическими осями, параллельными оси трубы, с возможностью их синхронного перемещения с осевым движением трубы и одновременным перемещением в плоскости, перпендикулярной оси трубы по окружности вокруг трубы, причем блок распределения излучения может быть выполнен в виде циклического переключения лазерного излучения, позволяющего регулировать длительность периода подачи излучения на каждый канал. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. при их лазерной резке, повышение качества готовых труб и снижение брака при их производстве . Согласно изобретению, поставленная цель достигается использованием способа лазерной резки труб из кварцевого стекла при их вытяжке, в котором разделяют исходный пучок лазерного излучения по двум независимым каналам транспортировки лазерного излучения, фокусируют полученные пучки лазерного излучения на поверхности труб и перемещают сфокусированное излучение по окружности труб в плоскости, in С 00 N5 Ј ел

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 03 В 33/09

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИЦЕТЕЛЬСТВУ (21) 4876343/33 (22) 27.07.90 (46) 15.06.93. Бюл. М 22 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) и Конструкторское бюро "Гюйс" r, Рыбинска (72) В.M Ãàíþ÷åíêî, С.Г.Вологдина, Н.А.Калинин, Н.M.Ìàðîâ, В.Д.Афанасьев, Г.В.Тигонен и Ю.Г.Задорин . (56).1. Авторское свидетельство по заявке

М 4713307/33, С 03 В 22/ОО, 1989.

2, Авторское свидетельство СССР

М 1503186 В 23 К 26/00, нп, Патент США t+ 4088865, 219-121, 1978. (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ТРУБ ИЗ

КВАРЦЕВОГО СТЕКЛАПРИ ИХ ВЫТЯЖКЕ (57) Изобретение относится к оптоэлектронной, светотехнической и электронной промышленности. Сущность изобретения: способ резки кварцевых труб на вытяжке включает разделение лазерного пучка по двум каналам,.фокусировку полученных пучков на поверхности с перемещением их по

Изобретение относится к способам разделения труб из кварцевого стекла, в част. ности, опорных труб; используемых в производстве высококачественных световодов, в процессе их вертикальной вытяжки из нагревательно-формовочной печи и может быть использовано в оптоэлектронной, светотехнической и других отраслях техники, где предъявляются высокие требования к постоянству геометричЕских и физических параметров указанных труб.

Целью изобретения является сокращение непрерывности йроцесса.вытяжки труб..,5U, 1821445 А1 окружности труб в плоскости, перпендикулярной оси труб. С целью сохранения непрерывности движения труб в процессе их вытяжки. Повышения качества и снижения брака при их производстве осуществляют синхронное перемещение пятен сфокусированного излучения вдоль оси труб с фокусировкой пучков на диаметрально противоположных относительно оси точках труб, в том числе с возможностью периодической подачи излучения. Блоки каналирования разделяются на два оптически связанные субблока с оптическими осями, параллельными оси трубы, с возможностью их синхронного перемещения с осевым движением трубы и одновременным перемещением в плоскости, перпендикулярной оси трубы по окружности вокруг трубы, причем блок распределения излучения может быть выполнен в виде циклического переключения лазерного излучения, позволяющего регулировать длйтельность периода подачи излучения на каждый канал, 1 э.п. ф-лы, 3 ил. при ихлазерной резке, повышение качества готовых труб и снижение брака при их производстве.

Согласно изобретению, поставленная цель достигается использованием способа лазерной резки. труб из кварцевого стекла при их вытяжке, e котором разделяют исходный пучок лазерного излучения по двум независимым каналам транспортировки лазерного излучения, фокусируют полученные пучки лазерного излучения на поверхности труб и перемещают сфокусированное излучение по окружности труб в плоскости, 1821445 перпендикулярной оси труб, фокусировку пучков производят на диаметрально противоположных относительно оси точках труб, осуществляют в процессе резки непрерывное движение труб и одновременно переме- щение пятен сфокусированного излучения вдоль оси труб, синхронизированное с движением труб.

Способ отличается также тем, что сфокусированное лазерное излучение на диаметрально противоположные точки поверхности труб подается поочередно с периодом подачи т, удовлетворяющим соотношению д L/q < z < г/ч, где д — голщина стенки трубы (см), L — удельная объемная энергия разрушения кварцевого стекла лазерным излучением (Дж/с мэ), q — средняя интенсивность сфокусированного излучения по толщине трубки в пределах яркостного пятна сфокусированного излучения (Вт/см ), z- яркостный радиус сфокусированного излучения (см), v — линейная скорость перемещения пуска сфокусированного излучения по поверхности трубы (см/с) .

Докажем существенность отличитель-. ных признаков настоящего изобретения.

Использование непрерывного движения .груб в процессе резки, обеспечиваемое синхронизацией перемещения сфокусированного пятна излучения вдоль оси труб с осевым перемещением труб, определяет постоянство во времени температурных воздействий в зоне пластичности труб, и, следовательно, постоянство формы поперечного сечения труб по их длине, т.е. повышение их качества, Использование при резке поДачи лазерного излучения„в том числе, при поочередной (циклической) подаче излучения, с параметрами, удовлетворяющими неравенствам в формуле изобретения, на диаметрально противоположные точки поверхности труб обеспечивает синхронное перемещение непрерывной прорези в трубе и практически одновременное завершение .прорези, т.е. отрезания трубы в диаметрально противоположных точках окружности трубы, При этом на всем протяжении резки на трубке не возникает сдвигающего момента сил, обусловленного приложением веса отрезаемой части трубки к плечу, равному среднему радиусу трубы, и вызывающего осевое смещение трубки в зоне пластичности в формовочной печи. За счет предотвращения смещения вызванной им несимметрии температурного поля в трубе в зоне пластичности качество трубы возрастает и снижается доля брака в конечном продукте.

На фиг.1 изображена схема устройства

5 лазерной резки труб из кварцевого стекла на вытяжке;. на фиг.2 — схема блока распре деления лазерного излучения по каналам с использованием делителя лазерного излучения — полупропускающего зеркала;

10 на фиг,3 — то же, с использованием циклического переключателя излучением по каналам.

На фиг,1 представлена упрощенная схема устройства для осуществления предлага15 емого способа лазерной резки. труб из кварцевого стекла при их вытяжке, позволяющая пояснить предлагаемый способ.

Устройство состоит из лазера 1, блока распределения 2 лазерного излучения, по

20 каналам передачи. блоков каналирования излучения 3 и 3, каждый иэ которых включает передний 4 и 4 и задний 5 и 5, по ходу луча субблоки каналирования, а также бло- . ков лазерных головок 6 и 6 с фокусировкойизлучения и привода 7 перемещения (вращения) блоков лазерных головок по окружности вокруг вытягиваемой трубы 9. Лазер 1 и блоки 2, 3, 3 оптически соединены друг с другом, Устройство включает также привод.

30 9 перемещения по оси трубки задних по ходу луча субблоков 5 и 5 каналировайия пучков излучения и жестко связанных с ними блоков лазерных головок 6 и 6, блок синхронизации 10 скорости перемещения

35 по оси трубок указанных блоков 6 и 6 с: осевыми перемещением трубы 8. Передние по ходу луча субблоки 4 и 4 каналирования

; излучения выполнены с возможностью вра-. щения их оконечных поворотных зеркал по

40 окружности, коаксиально расположенной c обрабатываемой трубой 8 и снабжены блоком синхронизации скорости их вращения со скоростью вращения задних по ходу луча субблоков 5 и 5 каналирования и лазерных

45 головок 4 и 4, так, что при вращении ла.зерных головок вокруг трубы сохраняется оптическая связь их с субблоками 4 и 4 каналирования и лазером 1. Одновременно обеспечивается возможность перемещения

50 вдоль обрабатываемой трубы из кварцевого стекла блоков лазерных головок с сохранением их оптической связи с лазером. В ходе резки такое перемещение происходит синх. ронно с движением трубы, а в период пауз

55 между резкой осуществляется возвратное осевое перемещение (вверх) блоков лазерных головок, В качестве лазера 1 для резки труб иэ кварцевого стекла выбирают обычно СО2лазеры, излучение которых практически

1821445 полностью поглощается в поверхностном диска 24, подобно диску 21. Диск 24 выполслое кварцевого стекла толщиной менее нен с возможностью его вращения вокруг

-з

2.10 см. Конструктивно блок распределе- оси трубы и снабжен. приводом вращения 7. ния 2 лазерного излучения по каналам мо- Диск установлен на горизонтальной платжет быть выполнен, как и в прототипе, в 5 форме25, выполненнойс воэможностью ее двух вариантах. В первом варианте, схе- перемещения вдоль оси трубы (по вертикаматически представленном на фиг.2 ис-: ли).снабженнойприводомперемещения26 пользуется полупрозрачное зеркало 11, и блоком 27 синхронизации его скорости со обесйечивающее на каждом из двух оптиче- скоростью вытягивания трубы, например, ских выходов 12 и 13 блока мощность. в:10 выполненным в виде блока механического выходных пучках 14, 15 около 50$ от мощ- сцепления платформы и трубы. Кроме того, . ности пучка лазера, Во втором варианте между дисками 24 и 21 установлен блок син: блока распределение мощности пучка по хронизации скорости их вращенйя, котодвум каналам происходит в вйде цикличе- . рый, например, как показано на рисунке, ского переключателя с блоком регулирова- 15 может быть выполнен в виде двух пар шесния длительности периода подачи с .. тереночных передач с общим шлицевым ва: помощью подвижного непрозрачного зер- лом (на рисунке показан условно), Для кала, выполненного, например, в виде пло-.. вращения диска 21 может быть использован ского вращающегося металлического диска - дополнительный двигатель, в последнем

16 с прорезями, как показано на фиг.3. В 20 случаетребуемая синхронизация вращения этом случае разделение исходного лазерно- дисков 21 и.24 обеспечивается блоком элекго.пучка по каналам транспортировки про- .. трической синхронизации (на рисунке не поисходит во времени со средней по времени казана), мощностью в каждом канале также 50 от . УстройСтво работает следующим обрамощности исходного пучка. 25 зом . В момент начала резки платформа 25

Выходы 12-и 13 блока распределения. 2 и верхний диск 24 с оптическими субблока оптически связаны с выходными поворот- ми 5 и 5 и лазерными головками 6 и 6 ными зеркалами 17 и 17 субблоков 4 и 4 начинают перемещаться вниз из крайнего блоков каналирования излучения, Для лево- верхнего положения, причем скорость их го на фиг,1 блока каналирования 3 эта.связь 30 перемещения приводом 26 синхронизироосуществляется через дополнительное по- вана(электрически или механически) со сковоротное зеркало 18;.Зеркала 17 и 17 вы- ростью снижения трубы 8. Одновременно полнены с возможностью их вращения включается привод вращения Y диска 24 и вокруг вертикальной оси, совпадающей с синхронно с последним привод вращения осью пучков 14, 15 и имеют постояниую 35 диска 21. Лазерное излучение от лазера 1 оптическую связь по лучам с выходнымй через блок распределения поступает одноповоротными зеркалами 19и19 субблоков временно или непрерывно-периодически

4 и 4 . Для обеспечения этой связи зеркала (поочередно), в соответствии с испольэуе19 и 19 установлены неподвижно на шарни-. мым вариантом блока распределения, в каре, соединяющем пары зеркал 17-19 и 17 - 40 калы 1 и 11, Через непрерывно оптически

19 причем шарниры имеют оси вращения, связанные поворотные зеркала каждого . совйадающие с осями пучков 20 и 20, отра- канала излучение поступает к фокусируюженных от зеркал 19 и 19, Оси указанных .щим линзам 23 и 23 . Сфокусированное выходных пучков при этом располагаются излучение поступает на диаметрально пропараллельнооси обрабатываемойтрубки8; 45. тивоположные точки трубы 8 (обрезаеЗеркала 19 и 19 расположены симметрично мой),. перемещающиеся по окружности относительно оси трубы 8 на плоском диске трубы на расстояние не менее половины ее

21, выполненном с возможностью его вра- окружности-до окончания прорезания трущения вокруг оси трубы в плоскости, пер- бы. По окончании резки производится выпендикулярнойееоси; 50 ключение лазерного излучения и отвод

Выходные пучки 20 и 20 от субблоков 4 платформы 25 s исходное верхнее положе. и 4 оптическй связаны с поворотными зер- ние; Для обеспечения безопасности работы калами 22 и 22 субблоков 5 и 5, которые в на установке промежутки между парами посвою очередь Оптически связаны с фокуси- воротных зеркал 17-19, 17 -19, 19-22 и 19 рующими линзами 23 и 23 установленными 55 22 могут закрываться цилиндрическими в лазерных головках 6 и 6. Конструктивно телескопически соединенными кожухами субблоки 5 и 5 жестко соединены с лазер- (на рисунке не показаны), ными головками и так же жестко установле- Способ характеризуется сохранением ны на диаметрально противоположных непрерывности процесса вытягиялн;.я труб(относительно оси трубы точках) плоского ки из печи. в том числе и с иэмен н щейгя

1821445 хронизации скоростей на схеме фиг.1 не 10

20 ния}до ее окончания (после прохождения 25 головок) 30 отражательного зеркала, устанавливаемого 35

s áëoêå 2. В течение времени каждого полуцикла подачи излучения по каналу необхо- . димо разрушить кварцевое стекло нэ глубину, не менее толщины стенки трубки д. Поэтому время "импульсного" воздейст- 40 вия излучения нэ трубку в каждом канале т . должно быть больше д L/ö. Зкспериментзльйые исследования показывают, что из- эа большой вязкости кварцевого стекла его скоростью (необходимой s некоторых вариантах установок вытягивания для стабилизации наружного диаметра и других геометрических характеристик трубок). Для этого до момента начала резки включается привод осевого перемещения 10 и синхронизируется скорость vt(t) перемещения платформы 25 со скоростью перемещения (снижения) трубки чф): ч1(1) = v2(t). Блок синпоказан и может быть выполнен, например, в виде электромехэнического устройства с измерителем скорости трубки, скорости платформы и электрическим блоком управления скоростью привода 10, Фо- кусирующие линзы 6 и 6 установлены так, что пятна сфокусированного излучения поступают на диаметрально противоположные точки окружности трубы. Поэтому при использовании в блоке распределения полупропускающего зеркала с передачей в каждый из каналов одинаковой мощности в течение всего времени с начала резки (подачи лазерного излучения в блок распределепятйом половины окружности трубы) на трубе не появляется сдвигающего момента сил (под действием веса обрезземой части трубы и давления газа иэ сопел газолазерных

Такой же практически результат дости. гается, если расп мделение излучения лазера между каналами 1 и 11 производится по времени путем циклического перемещения разрушение происходит преимущественно путем испарительной деструкции как для непрерывного, так и для импульсно-непрерывного излучения, поэтому удельная энер, гия разрушения СОг-лазерным излучением близка к удельной теплоте испарения. С

50 другой стороны, длительность подачи излучения по каждому из каналов должна быть сопоставлена со скоростью v перемещения сфокусированного пятна по трубе, Очевидно, что.для образования непрерывной прорези в трубе должно быть соблюдено условие t v <.2ã. Практические измерения показывают, что период подачи излучения в каждый из каналов не должен превосходить при этом соотношения г/v.

Формула изобретения

1. Способ лазерйой резки труб из кварцевого стекла при их вытяжке, включающий разделение исходного пучка лазерного излучения по двум независимым каналам транспортировки лазерного излучения, фокусировку йолученных пучков лазерного излучения на диаметрально противоположных поверхностях труб и перемещение сфокусированного излучения по окружности труб в плоскости, перпендикулярной оси .труб, о т л и ч а ю щ и и сятем,,что, с целью: сохранения непрерывности. движения труб в процессе вытяжки, повышения качества готовых труб и снижения брака при их производстве, осуществляют синхрон- . ное перемещение пятен сфокусироаэнного излучения и трубы в вертикальном направлении., 2;Способ по п1, отл ича ю щийся тем, что сфокусированное лазерное излучение подают на диаметрально противоположные точки поверхности труб поочередно с периодом подачи т., удовлетворяющим сЬотношению д1 /q

1 —. удельная обьемная энергия разрушения кварцевого стекла лазерным излучением, Дж/см; о — средняя интенсивность сфокусированного излучения по толщине трубки в пре- . делах яркостного пятна сфокусированного . излучения, BT/см;

r — яркостный радиус сфокусированноr0 излучения, см; т — линейная скорость перемещения пучка сфокусированного излучения по поверхности трубы, см/с.

1821445

1821445

Ы2

Редактор

Зака.з 2090 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

50% Рс оо% р

Составитель- В. Ганюченко

Техред М.Моргентал Корректор С. Пекарь