Способ газолазерной резки металлических материалов и устройство для осуществления способа

 

Изобретение относится к обработке металлов, в частности к газолазерной резке металлических материалов. Сущность изобретения состоит в том, что способ включает подачу под давлением технологического газа в корпус резака соосно лазерному лучу и в зону резания дополнительно подают воду при ее расходе 0,01 - 4,0 мл/мм реза. Сущность изобретения: в части устройства состоит в том, что устройство содержит корпус резака с конденсорной линзой, отверстием для подачи технологического газа и насадкой с соплом инжекторного типа. Кроме того, оно дополнительно снабжено емкостью для подачи воды в зону резания. Изобретение позволяет увеличить толщину разрезаемых материалов без увеличения энергозатрат и улучшить качество реза за счет уменьшения зоны термовлияния. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к обработке металлов, в частности, к газолазерной резке металлических материалов.

Известен способ газолазерной резки металлических материалов с принудительной подачей технологического газа соосно лазерному лучу [1] В качестве технологического газа чаще всего применяют воздух или кислород, который участвует в интенсивном окислении металлического материала, что приводит к усилению поглощения лазерного излучения поверхностью материала, активизации режима резки (в режиме сгорания), повышению вследствие этого производительности процесса, а также более равномерному и интенсивному удалению образующихся продуктов из зоны резания, что ведет к уменьшению ширины реза.

Подача технологического газа осуществляется устройством, типичная конструкция которого показана на фиг. 1 [2] Устройство смонтировано в корпусе резака и имеет принудительный подвод технологического газа и сопло, через которое газ подается соосно лазерному лучу на разрезаемый материал. Сопла могут иметь различные формы [2] с параллельной расточкой отверстия, с конической расточкой и так называемое сопло Лаваля. Размер отверстия и форма сопла, а также давление технологического газа определяют гидродинамические параметры процесса, от которых зависят скорость резки и качество реза. Наиболее широко используются конические сопла, технологичные в изготовлении и дающие наиболее удовлетворительные результаты при резке. В конструкции сопл могут быть внесены некоторые усовершенствования. Например, для предотвращения деформации конденсорной линзы и увеличения диаметра лазерного луча, предложено [3] использование дополнительной линзы; газовые каналы в сопле могут быть расположены концентрически под углом к оптической оси лазера таким образом, чтобы отдельные струи газа при пересечении образовывали единый поток, направленный в зону резки [4] Почти за тридцать лет использования способ газолазерной резки не претерпел принципиальных изменений [5] Недостаток указанного способа [1] выбранного в качестве прототипа, заключатся в ограничении толщины разрезаемых металлических материалов и больших энергозатратах при резке. Это обусловлено самой природой газолазерной резки, как процесса окисления (сгорания) металла в поверхностных слоях материала, требующего достаточной энергии [4, 5] Недостатком устройства-прототипа является его ограничение функциональные возможности, связанные с тем, что его конструкция не позволяет каким-либо образом интенсифицировать процесс газолазерной резки, и тем самым ограничиваются толщины разрезаемых материалов при значительных энергозатратах при резке. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание экономичного с широкими технологическими возможности способа газолазерной резки металлических материалов и устройства для осуществления такого способа.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении предполагаемого изобретения, является расширение технологических возможностей процесса газолазерной резки металлических материалов, а именно увеличение толщины реза при одних и тех же показателях плотности мощности излучения или снижение энергозатрат без уменьшения толщины разрезаемых материалов.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе газолазерной резки, включающем подачу под давлением технологического газа в корпус резака соосно лазерному лучу, дополнительно в зону резания подают воду при ее расходе 0,01 4,0 мл на мм реза.

Кроме того, указанный технический результат достигается также тем, что известное устройство для газолазерной резки, содержащее корпус с кондесорной линзой, отверстием для подачи газа и насадка с соплом инжекторного типа, дополнительно снабжено емкостью с кольцевым каналом для подачи воды в зону резания.

Сущность изобретения заключается в следующем. Влияние добавок воды, которая может подаваться в зону резания различными способами (капельным, расположением в виде тумана и т.п.), на интенсификацию процесса газопламенной резки связано, по-видимому, с тем, что вода принимает непосредственное участие в термохимической реакции окисления материала (например [6]).

Для реализации этой цели коренным образом изменена конструкция сопел, позволяющая добавлять необходимое количество воды в технологический газ, подающийся по внутреннему каналу устройства под давлением 0,15 0,5 МПа.

На фиг. 1 показана принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа газолазерной резки с добавлением воды в зону резания.

Устройство содержит корпус лазарного резака 1, имеющего конденсорную линзу 2, на корпус навертывается насадка 3 с соплом, насадку охватывает полый цилиндр (карман) 6 с кольцевым каналом 7 для подачи воды в зону резания.

Устройство работает следующим образом. Технологический газ через сопло подается на изделие 4 соосно лазерному пучку 5. На корпусе сопла имеются карман 6 и кольцевой канал 7 для подачи воды вы поток кислорода, где она подхватывается потоком кислорода, диспергируется, перемешивается с газом и подается в зону резания. Изменение расхода воды обеспечивается дросселированием перед штуцером корпуса. Для улучшения перемешивания водяной фракции с газовой в кольцевом канале устройства могут быть предусмотрены канавки для тангенциальной или для спиральной подачи воды в поток кислорода.

Изобретение подтверждается следующими признаками.

Работа производилась на лазерной технологической системе для газолазерной резки материалов "Искар 500" фирмы "Озонт-лазер" (Болгария), укомплектованной быстропроточным CO₂ лазером с продольным разрядом со следующими характеристиками: длина волны излучения 10,6 мкм; номинальная мощность 500 Вт при подаче на излучатель 3 кВт (КПД лазера около 15%); модовая структура ТЕМ01; расходимость луча 2 мрад; стабильность излучения 2% С помощью заявляемого устройства кислород подавался соосно лазерному лучу через сопло диаметром 1,2 мм с добавлением 0,4 МПа. Диаметр конического сопла, через которое инжектируется вода, 2 мм.

Лазерный луч фокусировался из монокристалла KCl с 54 мм. Диаметр пятна лазерного луча в фокальной плоскости d 0,25 мм, заглубление фокуса на 1/4 - 1/3 толщины от поверхности листа. Скорость резания 100 700 мм/мин.

Производили резку конструкционных сталей 20, 30ХГСА и коррозионно стойкой стали акустического класса 12Х18Н10Т в виде листов разной толщины в состоянии поставки и после термообработки.

Пример 1. Производили резку сталей при одинаковой скорости резания 700 мм/мин. Использовали приспособление с тангенциальной подачей воды в струю кислорода при его давлении 0,4 МПа и расходе воды порядка 1,5 мл/мм реза.

На фиг. 2 представлены результаты газолазерной резки стальных листов различной толщины в состоянии поставки в зависимости от мощности лазерного излучения при применении воды и без нее, при одинаковых показателях качества реза (показатель шероховатости реза R_z не более 120). Применение воды снижает мощность лазерного излучения при резании стали 12Х18Н10Т толщиной 3 мм с 380 до 345 Вт, стали 30ХГСА толщиной 3 мм с 295 до 275 Вт, а толщиной 4 мм - с 395 до 340; стали 20 толщиной 3 мм с 285 до 245, а толщиной 4 мм с 380 до 325.

Снижение скорости резания до 300 мм/мин или снижение расхода воды до 1,0 мл/мм реза увеличивает разницу между мощностью лазерного излучения при резке без воды и с водой на 3 8% Таким образом, при применении воды мощность лазерного облучения может быть снижена на 3 16% в зависимости от марки стали, толщины листа и параметров резки. Соответственно примерно в таких же пределах снижается мощность, подающаяся на излучатель.

При одинаковой мощности лазерного излучения применение воды обеспечивает резку более толстых листов стали.

Пример 2. Определяли предельную толщину листов указанных сталей, которую возможно разрезать на указанной технологической установки при мощности излучения 400 Вт, скорости резки 600 мм/мин, расходе воды 36 мл/мм реза. Применение воды обеспечивает резку сталей 20 и 30ХГСА толщиной до 10 мм, тогда как без воды предельная толщина сталей снижается до 4 мм. Однако при резке материала предельной толщины с применением воды качество реза ухудшается. На поверхности реза появляются вырывы и бороздки и микрогеометрия плоскости реза выходит за параметры установленных пределов по поверхности.

В таблице даны сравнительные показатели по резке на предельную толщину листов ряда сталей при допустимом качестве поверхности реза (мощность излучения 400 Вт. Скорость резания 700 мм/мин).

В таблице приведены предельные толщины листов и значения шероховатости поверхности реза для некоторых металлических материалов при резке с водой и без воды.

Таким образом, предлагаемый способ газолазерной резки металлических материалов (с пользованием воды) в отличие от известного (без подачи воды) обеспечивает следующие преимущества: позволяет увеличить предельную толщину разрезанных изделий при допустимом качестве реза или снизить энергозатраты на резание. Кроме того, подвод воды в зону резания при использовании предлагаемых устройств обеспечения способа наряду с увеличением толщины разрезаемого стального листа (в 1,1 1,3 реза при допустимых показателях шероховатости реза (до 120 160R_z) и снижением энергозатрат на 3 16% приводит и к более интенсивному охлаждению реза, способствуя уменьшению зоны термовлияния.

Формула изобретения

1. Способ газолазерной резки металлических материалов, включающий подачу под давлением технологического газа в корпус резака соосно с лазерным лучом, отличающийся тем, что в зону резания дополнительно подают воду при расходе 0,01 4,0 мл/мм резака.

2. Устройство для газолазерной резки металлических материалов, содержащее корпус лазерного резака с конденсорной линзой, отверстием для подачи газа и насадкой с соплом инжекторного типа, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено емкостью с кольцевым каналом для подачи воды в зону резания, выполненным в виде полого цилиндра, охватывающего насадку с соплом, причем диаметры сопла и кольцевого канала совпадают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3