Способ резки материалов

Изобретение относится к способам лазерной резки материалов. Способ резки материалов, преимущественно металлических, включает расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия лазерным излучением. Расплавление материала производят излучением основного лазера. Удаление расплавленного материала из зоны резки производят излучением работающего в импульсно-периодическом режиме вспомогательного лазера, средняя мощность которого более чем на порядок ниже средней мощности излучения основного лазера, плотность мощности достаточна для вскипания расплавленного материала в пятне фокусировки, а диаметр луча в месте реза меньше диаметра луча основного лазера в месте реза. В качестве основного лазера может быть использован лазер, работающий в непрерывном или в импульсно-периодическом режиме. При работе основного лазера в импульсно-периодическом режиме длительность импульса луча вспомогательного лазера в месте реза меньше длительности импульса луча основного лазера. Лучи основного и вспомогательного лазеров могут быть направлены соосно или с образованием между их осями угла в пределах от 10° до 170°. Достигается снижение энергетических затрат, повышение коэффициента полезного действия в результате разделения функций получения расплава и его удаления между двумя лазерами с сильно отличающимися характеристиками лазерного излучения. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к способам лазерной резки материалов. Традиционным способом использования лазерного излучения для резки металлов является газолазерная резка. Лазерным лучом нагревают и расплавляют материал мишени, который затем удаляют из зоны взаимодействия потоком газа, соосным и совпадающим по направлению с лазерным излучением. Для эффективной резки необходимо излучение с малой расходимостью, которое обеспечивает достаточное удаление фокусирующей линзы от зоны взаимодействия и узкий рез, что важно для повышения толщины разрезаемого образца и эффективности процесса. Струю газа формируют при помощи газодинамического сопла специальной конструкции, которое располагается над местом взаимодействия между линзой и разрезаемым изделием. Для удаления расплава используют или инертные газы, или кислород и его смеси. Газовый поток удаляет расплав благодаря динамическому воздействию на расплавленный слой. При использовании кислорода и его смесей происходит дополнительный разогрев в зоне реза за счет окислительных реакций и повышение коэффициента поглощения из-за образования окислительной пленки. Поэтому эффективность процесса в этом случае существенно выше [1].

В ряде случаев - при резке химически или радиоактивно загрязненных конструкций, а также при большом удалении лазера от разрезаемого изделия - использование газовой струи для удаления расплава оказывается нежелательным или невозможным.

Известен способ резки металлических материалов, при котором расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия осуществляют лазерным излучением [2], который выбран нами в качестве прототипа. В этом способе расплав удаляется под действием силы тяжести, термокапиллярных сил и импульса отдачи паров, если температура поверхности расплава достигает температуры кипения. Последний случай реализуется, как правило, при резке излучением импульсно-периодического лазера. При удалении расплава под действием силы тяжести и термокапиллярных сил ширина реза может составлять величину больше сантиметра и происходит сильный разогрев разрезаемого изделия. Поэтому эффективность процесса резки низка. Удаление расплава импульсом отдачи паров требует нагрева поверхности до температуры кипения. Это реализуется при высоких плотностях мощности лазерного излучения, когда у поверхности, как правило, возникает оптический пробой, который поглощает лазерное излучение и уменьшает эффективность процесса резки. Нагрев, плавление материала и удаление расплава из зоны резки осуществляют излучением одного лазера.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение энергетических затрат, т.е. повышение кпд в результате разделения функций получения расплава и его удаления между двумя лазерами с сильно отличающимися характеристиками лазерного излучения.

Для достижения этого технического результата предложено усовершенствовать известный способ резки материалов, преимущественно металлических, включающий расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия лазерным излучением, расплавление материала производят излучением основного лазера, а удаление расплавленного материала из зоны резки производят излучением работающего в импульсно-периодическом режиме вспомогательного лазера, средняя мощность которого более чем на порядок ниже средней мощности излучения основного лазера, плотность мощности достаточна для вскипания расплавленного материала в пятне фокусировки, а диаметр луча в месте реза меньше диаметра луча основного лазера в месте реза.

В частном случае осуществления способа в качестве основного лазера используют лазер, работающий в непрерывном режиме.

В качестве основного лазера используют лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме, при этом длительность импульса луча вспомогательного лазера в месте реза меньше длительности импульса луча основного лазера.

Лучи основного и вспомогательного лазеров направляют соосно.

Лучи основного и вспомогательного лазеров направляют с образованием между их осями угла в пределах от 10° до 170°.

Излучение вспомогательного лазера фокусируют на торцевую часть расплавленной дорожки, образовавшейся при воздействии основного лазера.

Осуществляют последовательно ряд циклов проплавления и удаления материала части толщины изделия, при этом излучение вспомогательного лазера фокусируют в нижнюю часть расплавленной дорожки, образованной при воздействии основного лазера.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 схематически показан ход соосных лучей основного и вспомогательного лазеров, на фиг.2 - ход образующих угол лучей основного и вспомогательного лазеров, на фиг.3 - вариант с фокусировкой излучения вспомогательного лазера на торец расплавленной дорожки, на фиг.4 - вариант резки толстых изделий путем осуществления последовательного ряда циклов. Способ реализуют следующим образом. При соосных лучах (фиг.1) излучение основного лазера 1 и вспомогательного лазера 2 поворотным зеркалом 3 направляется на линзу 4, которая фокусирует лучи на движущуюся мишень 5. Направление движения мишени указано стрелкой. Излучение основного лазера расплавляет дорожку металла 6, а излучение вспомогательного лазера, сфокусированное в центре расплава, благодаря высокой плотности мощности нагревает расплав до температуры кипения и удаляет его за счет импульса отдачи паров.

Когда оси лучей основного и вспомогательного лазеров образуют угол, то для транспортировки и фокусировки каждого из них необходима своя оптическая система (фиг.2). Луч основного лазера 1 поворотным зеркалом 3 направляется на линзу 4, которая фокусирует его на разрезаемое изделие 5, образуя расплавленную дорожку 6. Луч вспомогательного лазера 2 при помощи поворотного зеркала 7 и линзы 8 фокусируют на поверхность расплавленной полоски в заданной точке. При этом угол между осями основного и вспомогательного луча может меняться от 10° до 170°. Другим возможным способом удаления расплава является фокусировка вспомогательного луча на торцевую часть расплавленной дорожки (фиг.3). Если мощность основного лазера недостаточна для проплавления всей толщины разрезаемого изделия, резка осуществляется в течение последовательного ряда циклов. При этом луч основного лазера расплавляет часть толщины изделия (фиг.4), а излучение вспомогательного лазера фокусируется на нижний конец расплавленной дорожки.

Литература

1. А.Г.Григорьянц, А.А.Соколов. Лазерная резка металлов. Москва: Высшая школа, 1988.

2. Антонова Г.Ф., Гладуш Г.Г., Красюков А. Г. и др. Теплофизика высоких температур, 37, 865 (1999).

1. Способ резки материалов, преимущественно металлических, включающий расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия лазерным излучением, отличающийся тем, что расплавление материала производят излучением основного лазера, а удаление расплавленного материала из зоны резки производят излучением работающего в импульсно-периодическом режиме вспомогательного лазера, средняя мощность которого более чем на порядок ниже средней мощности излучения основного лазера, плотность мощности достаточна для вскипания расплавленного материала в пятне фокусировки, а диаметр луча в месте реза меньше диаметра луча основного лазера в месте реза.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного лазера используют лазер, работающий в непрерывном режиме.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного лазера используют лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме, при этом длительность импульса луча вспомогательного лазера в месте реза меньше длительности импульса луча основного лазера.

4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что лучи основного и вспомогательного лазеров направляют соосно.

5. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что лучи основного и вспомогательного лазеров направляют с образованием между их осями угла от 10 до 170°.

6. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что излучение вспомогательного лазера фокусируют на торцевую часть расплавленной дорожки, образовавшейся при воздействии основного лазера.

7. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что осуществляют последовательно ряд циклов проплавления и удаления материала части толщины изделия, при этом излучение вспомогательного лазера фокусируют в нижнюю часть расплавленной дорожки, образованной при воздействии основного лазера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области газовой резки металлов и может быть использовано в химическом и нефтяном машиностроении, а также других отраслях промышленности, связанных с изготовлением объемных конструкций из листового материала.

Изобретение относится к технике газодуговой резки, а именно к воздушно-плазменной резке деталей с криволинейным контуром, преимущественно вытяжек отштампованных деталей, с применением рабочего стола и оснастки и может быть использовано в условиях мелкосерийного и опытно-промышленного производства на машиностроительных заводах.

Изобретение относится к области термической обработки, а именно к установкам для термической резки неповоротных труб. .

Изобретение относится к газопламенной обработке, а именно к вариантам устройств для сварки, пайки и резки металлов, а также для стеклодувного и кварцедувного производств.

Изобретение относится к термической резке металлов, а именно к устройствам для кислородной резки. .

Изобретение относится к устройствам, используемым для воздушно-дуговой резки и строжки металла в автоматическом режиме. .
Изобретение относится к области электроники, в частности к способу изготовления поглотителя энергии в СВЧ-приборах, и может найти применение в приборах и устройствах, в которых требуется полное или частичное поглощение СВЧ-энергии.

Изобретение относится к области термической резки металла и может быть использовано на заготовительных участках цехов в машиностроении. .

Изобретение относится к технологии изготовления сварных тонкостенных конструкций, подвергаемых деформированию в процессе изготовления, преимущественно сильфонов и других конструкций, применяемых в машиностроении.

Изобретение относится к области лазерной обработки, в частности к способу и устройству для защиты от пыли в аппарате для лазерной обработки, и могут найти применение в различных отраслях машиностроения.

Изобретение относится к лазерной обработке материалов, а именно к фигурному раскрою плоских листов с помощью лазерного излучения и может быть использовано для изготовления деталей различной конфигурации широкой номенклатуры, в машиностроении, электротехнике, авиа- и автомобилестроении.

Изобретение относится к способу получения градиентных материалов из порошков и устройству для его осуществления и может быть использовано при спекании изделий из порошков различных материалов лазерным излучением и в лазерной стереолитографии с применением порошковых материалов

Изобретение относится к послойному изготовлению трехмерных объектов (3) посредством упрочнения материала с помощью электромагнитного излучения и может быть использовано в стереолитографии или для лазерного спекания

Изобретение относится к способу лазерной обработки поверхности катания и гребня железнодорожных колесных пар из различных марок стали, работающих в условиях трения-износа

Изобретение относится к области лазерного спекания, а именно к получению градиентных материалов из порошков, и может быть использовано в лазерной стереолитографии

Изобретение относится к способу и устройству изготовления форм для глубокой печати, предназначенных для производства ценных бумаг, в котором используют лазерный луч (2) для гравирования рисунка (3, 3.1, 3.2, 3.3) глубокой печати непосредственно на поверхности формного материала (1), в частности металлического, выполненного с возможностью гравирования лазером. Лазерное гравирование формного материала (1) выполняют послойно в несколько отдельных этапов гравирования. Этапы выполняют один за другим с точной приводкой так, что рисунок (3, 3.1, 3.2, 3.3) глубокой печати постепенно гравируется на поверхности формного материала (1) до необходимых глубин гравировки. Поверхность гравируемого формного материала (1) очищают от отходов процесса лазерного гравирования после каждого отдельного этапа гравирования, в то время как блок лазерного гравирования находится в бездействующем состоянии. В результате достигается повышение качества гравирования. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к координатному устройству и может быть использовано в высокоточном технологическом оборудовании, преимущественно при обработке изделий лазерным инструментом. Основание 1 с размещенными на нем координатными осями 2, 3 выполнено с полостью, являющейся искрогасящей камерой 9 с окнами 8. Рабочая зона соединена через окна 8 и искрогасящую камеру 9 с трубопроводом 7 газопылевого отвода. Окна 8 искрогасящей камеры 9 соединены с рабочей зоной 6 посредством дроссельных устройств. При лазерной обработке воздух из рабочей зоны вместе с продуктами сгорания поступает через дроссельное устройство в искрогасящую камеру 9. При этом скорость потока падает, и частицы продуктов сгорания оседают в камере. Искрогасящая камера выгружается от продуктов сгорания через люк. Заглушками регулируется забор воздуха из той части камеры, в которой находится головка с лазерным инструментом, что позволяет за счет изменения скорости потока воздуха эффективно удалять продукты горения. 3 з.п. ф- лы, 6 ил.

Изобретение относится к установке и способу изготовления детали путем селективной плавки порошка. Установка содержит средства образования луча, например лазерного луча или электронного луча, и средства перемещения точки воздействия луча на слой порошка. Собирающий элемент брызг расплавленного порошка (24), образующихся во время локальной плавки порошка лучом (11), содержит отверстие (15) для прохождения луча (11). В установке предусмотрены средства для перемещения упомянутого собирающего элемента (14) совместно с лучом (11) над слоем порошка. 2 н. 9 з.п. ф- лы, 6 ил.

Способ резки материалов лазерным лучом может быть использован в машиностроении для резки магниевых сплавов. В процессе резки из области реза удаляют продукты разрушения посредством газа. В качестве технологического газа используют инертный газ высокой чистоты. Технологический газ подводят под острым углом к поверхности фронта реза, непосредственно к поверхности заготовки, под углом 2-10° к оси лазерного луча, под давлением, не меньшим 6 бар. В результате обеспечена возможность резки магния и его сплавов лазерным лучом без воспламенения металла на фронте и поверхности реза, а также его частиц, удаляемых из зоны реза. 1 ил.
Наверх