Способ лазерной резки металла или сплава



Способ лазерной резки металла или сплава
Способ лазерной резки металла или сплава
Способ лазерной резки металла или сплава

 


Владельцы патента RU 2479395:

Общество с ограниченной ответственностью "Лазерный Центр" (RU)

Изобретение относится к способу лазерной резки металла или сплава и может найти применение в различных отраслях машиностроения, ювелирной и медицинской промышленности. Осуществляют построение градуировочной кривой зависимости доли металла или сплава, распыленного лазерным излучением с определенным уровнем мощности, задержанного жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности гравируемого металла или сплава. Затем погружают разрезаемый металл или сплав в жидкую среду на глубину, определенную по градуировочной кривой. Осуществляют проплавление металла или его сплава по линии реза пучком лазерного излучения. Одновременно с поступательным перемещением пучка лазерного излучения осуществляют его вращение с радиусом R. Радиус R и угловую скорость вращения ω пучка лазерного излучения определяют из соотношения R=d/2-r, мкм и ω>V/2r, кГц, где d - ширина реза пучком лазерного излучения, мкм; r - радиус пучка лазерного излучения, мкм; V - скорость поступательного перемещения пучка лазерного излучения, м/с. При этом достигается высокое качество реза и предотвращение загрязнения окружающей среды. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к способам обработки, а именно к резке металлических изделий воздействием лазерного излучения. Настоящий способ может найти применение в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроении, а также в ювелирной и медицинской сферах деятельности.

Резку металлических изделий воздействием лазерного излучения осуществляют перемещением пучка лазерного излучения относительно поверхности изделия. Выполняемый разрез металлического изделия состоит из совокупности линий различных длин. Глубина данных линий, которая может быть получена за единицу времени, определяет скорость реза металлических изделий и, на практике, определяется параметрами лазерного маркирующего комплекса, пучка лазерного излучения, программой перемещения пучка излучения относительно поверхности изделия. С целью обеспечить наиболее быстрый разрез на данном лазерном маркирующем комплексе, обычно выбирают соответствующие параметры пучка лазерного излучения и программу перемещения пучка лазерного излучения относительно поверхности изделия. При этом параметры пучка лазерного излучения, обычно, определяются техническими характеристиками маркирующего комплекса, а программа перемещения пучка излучения относительно поверхности изделия может варьироваться оператором практически произвольно. При резке металла или сплава при помощи пучка лазерного излучения, часть материала разрезаемого изделия неизбежно испаряется в окружающую атмосферу, ухудшая общую экологию и создавая угрозу здоровью оператору комплекса.

Известен способ лазерной резки металлической пластины (см. патент US 6060687, МПК B23K 26/00; B23K 26/12, опубликован 09.05.2000), по которому одновременно с пучком лазерного излучения в область реза подают смесь по меньшей мере одного инертного газа и водорода для исключения образования заусенцев и бороздок.

Для реализации известного способа требуется сложное технологическое оборудование. Удаляемый лазерным излучением материал разрезаемого изделия частично подхватывается газом в окружающую атмосферу, что ограничивает область применения указанного способа помещениями с принудительной вентиляцией.

Известен способ лазерной резки металлической пластины (см. заявка EP 1920873, МПК B23K 26/38; B23K 26/00, опубликована 14.05.2008), заключающийся в том, что линию резки многократно проходят пучком лазерного излучения, при этом при каждом проходе увеличивают глубину прорезаемой щели.

Многократный проход пучком лазерного излучения линии пропила, осуществляемый в известном способе, значительно снижает производительность резки. Удаляемый лазерным излучением материал разрезаемого изделия частично испаряется в окружающую атмосферу, что ухудшает общую экологию и создает угрозу здоровью оператору комплекса.

Известен способ лазерной резки металла или сплава (см. заявка DE 102008047761, МПК B23K 26/073; B23K 26/38, опубликована 15.04.2010), который включает предварительное построение градуировочной кривой зависимости глубины реза образца заданного металла или его сплава от параметров падающего на поверхность лазерного излучения и проплавления металла по линии реза поступательным перемещением пучка лазерного излучения. При этом диаметр пучка выбирают таким, что расплавленный материал удаляется из реза без использования газа.

Недостатком известного способа является недостаточно высокая скорость резки и малая производительность процесса. Кроме того, разрезаемый материал частично испаряется в окружающую атмосферу.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ газолазерной резки композиционных материалов (патент RU 2382693, МПК B23K 26/38, B23K 26/14, опубликован 27.02.2010). Способ включает подачу лазерного луча на обрабатываемую поверхность, подачу соосно с лазерным лучом технологического газа, коллимирование лазерного луча, заглубление его в обрабатываемое изделие и перемещение по заданной программе. Резку производят в жидкостной среде. Изделие размещают в ванне с водой на конусовидных штырьках с превышением уровня воды над поверхностью изделия, равным 10-15 мм. Резку производят иттербиевым лазером с заглублением лазерного луча в обрабатываемое изделие на 0,2-0,4 его толщины. Перемещение лазерного луча осуществляют со скоростью 1,2-1,8 м/мин. В результате достигается расширение технологических возможностей и улучшение экологии при обработке композиционных материалов, а также обеспечивается высокое качество реза изделий.

Недостатками указанного способа являются ряд технологических ограничений. Использование исключительно иттербиевого лазера не позволяет применить данный способ на установках предыдущего поколения на базе неодимого лазера (например, типа «Бетамаркер») или на основе углекислотных лазеров. Предлагаемое в способе превышение уровня воды над поверхностью изделия, равное 10-15 мм, ограничивает применение способа на лазерных установках умеренной мощности (например, 10-20 Вт), в особенности в непрерывном режиме излучения. Способ не позволяет проводить обработку металлических изделий. Определенная в способе скорость перемещения лазерного луча 1,2-1,8 м/мин слишком высока для выполнения реза сверхпрочных композитных материалов и/или слишком низка для относительно легкоплавких. Подача соосно с лазерным лучом технологического газа, в том числе под давлением до 1 МПа, его взаимодействия с композиционным материалом может приводить к образованию опасных для здоровья человека или взрывоопасных газов, что приведет к ухудшению экологии и безопасности процесса обработки.

Задачей заявляемого изобретения являлась разработка такого способа резки метала или сплава, который бы обеспечивал более быстрый разрез обрабатываемого материала, т.е. наиболее эффективно использовалась бы энергия пучка лазерного излучения и при этом не происходило загрязнение окружающей среды распыляемым лазерным излучением гравируемым материалом.

Поставленная задача решается тем, что способ лазерной резки металла или сплава включает предварительное определение величины удельной мощности лазерного излучения, при которой производится сквозной рез образца заданного металла или его сплава. Затем строят градуировочную кривую зависимости доли металла или сплава, распыленного лазерным излучением с определенным уровнем мощности, задержанного жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности разрезаемого металла или сплава. При этом увеличивают глубину погружения от минимальной величины, определяемой образованием пленки жидкой среды, полностью укрывающей разрезаемую поверхность, до глубины, при которой лазерное излучение поглощается в жидкой среде. После чего погружают разрезаемый металл или сплав в жидкую среду на глубину, определенную по градуировочной кривой, и проплавляют металл или его сплав по линии реза пучком лазерного излучения. При этом перемещают пучок лазерного излучения поступательно со скоростью V и одновременно вращают его с радиусом R при угловой скорости вращения ω, причем радиус R, мкм, и угловая скорость вращения ω, кГц, лазерного луча удовлетворяют соотношениям:

где d - ширина реза пучком лазерного излучения, мкм;

r - радиус пучка лазерного излучения, мкм;

V - скорость поступательного перемещения пучка лазерного излучения, м/с.

В качестве жидкой среды может быть использовано любое вещество, которое, во-первых, при условиях гравировки (например, нормальных или комнатных) находится в жидком фазовом состоянии. Во-вторых, коэффициент поглощения лазерного излучения этим веществом таков, что при выбранной толщине жидкой среды над поверхностью гравируемого изделия, суммарное поглощение лазерного излучения не вызывает кипение вещества, т.е. перехода его в газовое фазовое состояние. Например, в качестве жидкой среды можно использовать воду или углеводородсодержащую жидкость, в частности, минеральное масло или спирт.

Сквозной рез можно выполнять непрерывным лазерным или импульсным лазерным излучением с длительностью импульса от 1 нс до 100 мкс.

Сквозной рез можно выполнять при поступательном перемещения пучка лазерного излучения со скоростью 0,1-100000 мм/с.

Заявляемый способ позволяет осуществлять резку металлических изделий быстрее, по сравнению, например, с традиционным поступательным перемещением, что позволяет говорить о более высоком КПД излучения лазерной установки при реализации заявляемого способа, а также снижать загрязнение окружающей среды за счет удержания распыляемого лазерным излучением материала разрезаемого изделия.

Вторичным, но не менее важным оказалась эффективная резка изделий из материалов с низким коэффициентом поглощения (в первую очередь - изделий из золота). Представляется, что общей для всех полученных эффектов причиной является повторный заход пучка лазерного излучения на уже облученную поверхность при его вращении. Вращение пучка лазерного излучения, таким образом, можно рассматривать в качестве своеобразного механического модулятора лазерного излучения.

Заявляемый способ лазерной резки металла или сплава поясняется чертежом, где:

на фиг.1 дано схематическое изображение резки вращающимся пучком лазерного излучения;

на фиг.2 приведен в увеличенном масштабе участок I, показанный на фиг.1;

на фиг.3 показано изделие из дюраля, полученное резкой заявляемым способом.

На фиг.1 обозначено: 1 - обрабатываемый металл или сплав, 2 - линия реза, 3 - траектория следования пучка лазерного излучения, 4 - положения пучка лазерного излучения в различные моменты времени, r - радиус пучка лазерного излучения, R - радиус вращения пучка, d - ширина реза.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. При помощи ЭВМ осуществляют генерацию программы перемещения пучка лазерного излучения в соответствии с топологией выполняемого реза и требуемой заранее толщиной d. Для эффективного расхода энергии лазерного излучения, а также ввиду того, что физические свойства различных металлов и сплавов, геометрические характеристики обрабатываемого изделия могут существенно различаться, предварительно определяют зависимость глубины реза образца заданного металла или его сплава от параметров падающего на поверхность лазерного излучения при монотонном возрастании удельной мощности лазерного излучения. Для этого в технологических пределах данного лазерного комплекса варьируют параметры воздействующего лазерного излучения. При этом, для того чтобы вся необходимая площадь внутри линии реза толщиной d подверглась воздействию пучка лазерного излучения, параметры V и ω выбирают, учитывая критерии (1) и (2). Затем строят градуировочную кривую зависимости доли металла или сплава, распыленного лазерным излучением с определенным уровнем мощности, задержанного жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности разрезаемого металла или сплава. При этом увеличивают глубину погружения от минимальной величины, определяемой образованием пленки жидкой среды, полностью укрывающей разрезаемую поверхность, до глубины, при которой лазерное излучение поглощается в жидкой среде. Погружают разрезаемый металл или сплав в жидкость так, чтобы поверхность металла или сплава находилась на глубине, определенной по градуировочной кривой. После этого осуществляют резку металла или его сплава 1 (см. фиг.1, фиг.2), проплавляя металл или его сплав 1 по линии реза пучком лазерного излучения, перемещая пучок лазерного излучения поступательно со скоростью V и одновременно вращая его с радиусом R при угловой скорости вращения ω, величины которых удовлетворяют соотношениям (1) и (2).

Пример. Была выполнена резка пластины размером 20×50 мм толщиной 100 мкм, материал - дюраль. Резка - контур букв "LASER CENTER Saint-Petersburg" (фиг.3). Резка выполнялась на универсальной установке прецизионной лазерной маркировки и гравировки на базе волоконного лазера «МиниМаркер 2» производства ООО «Лазерный Центр». Перемещение лазерного луча относительно поверхности изделия осуществлялось при помощи двухосевого сканатора на базе приводов VM2500+. Длительность моноимпульсов лазерного излучения составляла 35 нс, частота модуляции - 100 кГц, энергия моноимпульса, измеренная при помощи пироэлектрического датчика Ophir РЕ 25, 0,7 мДж, диаметр пучка излучения на поверхности изделия 100 мкм. Предварительно была определена величина удельной мощности лазерного излучения, при которой производится сквозной рез образца заданного сплава. Предварительно, используя образец материала, была построена градуировочная кривая зависимости доли распыленного металла или его сплава, задержанной жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности разрезаемого сплава. Были выбраны следующие параметры; скорость поступательного перемещения лазерного луча V=0,2 м/с, скорость вращения лазерного луча ω=50 кГц. Исходя из топологии гравируемого изображения, радиус вращения был выбран R=100 мкм. Резка пластины медали проводилась в минеральном масле на глубине 7 мм.

Время, затраченное на выполнение данного контурного реза, включающее время включения и выключения лазерного луча для перехода к следующей строке, составило 30 секунд. Таким образом, добавление вращения лазерного луча позволило выполнить требуемый контурный рез более чем в 8 раза быстрее.

1. Способ лазерной резки металла или сплава, включающий предварительное определение величины удельной мощности лазерного излучения, при которой производится сквозной рез образца заданного металла или его сплава, построение градуировочной кривой зависимости доли металла или сплава, распыленного лазерным излучением с определенным уровнем мощности, задержанного жидкой средой, практически прозрачной для лазерного излучения, от глубины погружения в жидкую среду поверхности разрезаемого металла или сплава при увеличении глубины погружения от минимальной величины, определяемой образованием пленки жидкой среды, полностью укрывающей разрезаемую поверхность, до глубины, при которой лазерное излучение поглощается в жидкой среде, погружение разрезаемого металла или сплава в упомянутую жидкую среду на глубину, определенную по градуировочной кривой, и проплавление металла или его сплава по линии реза пучком лазерного излучения, при этом пучок лазерного излучения перемещают поступательно со скоростью V и одновременно вращают его с радиусом R при угловой скорости вращения ω, при этом радиус R и угловую скорость вращения ω лазерного луча определяют, исходя из следующего соотношения:
R=d/2-r, мкм;
ω>V/2r, кГц;
где d - ширина реза пучком лазерного излучения, мкм;
r - радиус пучка лазерного излучения, мкм;
V - скорость поступательного перемещения пучка лазерного излучения, м/с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют воду.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют углеводородсодержащую жидкость.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют минеральное масло.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют спирт.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что сквозной рез выполняют непрерывным лазерным излучением.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что сквозной рез выполняют импульсным лазерным излучением с длительностью импульса от 1 нс до 100 мкс.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что сквозной рез выполняют при поступательном перемещения пучка лазерного излучения со скоростью 0,1-100000 мм/с.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу изготовления металлизированных отверстий в печатной плате и предназначен для подготовки к установке и припаиванию в изготовленных отверстиях электронных деталей.

Изобретение относится к способу и устройству газолазерной резки композиционных материалов. .

Изобретение относится к области обработки лучом лазера преимущественно металлических материалов больших толщин, в частности к способу и установке для газолазерной резки.

Изобретение относится к двум вариантам способа отделения поверхностного слоя полупроводникового кристалла. .

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к способам и устройствам для лазерного раскроя металлических листовых материалов, и может быть использовано в атомной технике, а также в других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способу изготовления ячеек для емкостей из синтетического материала методом литья под давлением согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Изобретение относится к способу выполнения отверстий при помощи лазерного пучка в детали, изготовленной из композитного материала с керамической основой. .

Изобретение относится к способу вырезания посредством лазерного луча, по меньшей мере, первого отверстия (53а) в первой металлической пластине (5) с учетом наличия второй металлической пластины (7) со вторым отверстием (73а).

Изобретение относится к способу лазерной гравировки металла или сплава и может найти применение в различных отраслях машиностроения, а также в ювелирной и медицинской отрасли

Изобретение относится к способу изготовления в детали отверстия с ограничительными боковыми сторонами
Изобретение относится к области лазерной обработки материалов и может быть использовано для пробивки отверстий малого диаметра для оптических диафрагм, пространственных фильтров и растров

Изобретение относится к лазерной резке анизотропных материалов, в частности к способу разделения кристаллического кремния, и может быть использовано в электронной промышленности, а также в других областях техники и производства, где существует необходимость прецизионной обработки изделий из кристаллических материалов. Способ включает выбор направления резки относительно кристаллографической ориентации кристаллического кремния, нанесение надреза по линии реза, лазерный нагрев линии реза до температуры, не превышающей температуры релаксации термоупругих напряжений, и локальное охлаждение зоны нагрева в результате перемещения по обрабатываемой поверхности зон нагрева и охлаждения. Значение модуля Юнга определяют в зависимости от направления резки относительно кристаллографической ориентации кристаллического кремния. Изменяют интенсивность нагрева путем изменения скорости относительного перемещения лазерного излучения и материала и/или мощности лазерного излучения пропорционально модулю Юнга в направлении, перпендикулярном плоскости разделения. В результате формируются лазерно-индуцированные трещины с заданными геометрическими характеристиками при термораскалывании в различных кристаллографических направлениях пластин из кристаллического кремния. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу изготовления сложного отверстия в подложке (варианты) и может быть использовано для изготовления отверстий для охлаждающего воздуха в турбинных лопатках. Для изготовления сквозного отверстия, которое имеет внутреннюю часть, которая является, в частности, симметричной, и диффузор, поперечное сечение которого отклоняется от поперечного сечения внутренней части и который является, в частности, асимметричным, применяют по меньшей мере один лазер. Угловое положение лазера относительно подложки изменяют лишь пять раз. Во втором угловом положении снимают полиэдр, в частности, полиэдр с пятью поверхностями, и в третьем угловом положении снимают полиэдр с пятью поверхностями. В результате предотвращается повреждение боковой поверхности отверстия от взаимодействия лазерным лучом. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к системе для лазерной резки детали (3) с переменной скоростью резания (v) вдоль линии (L1, L2) резания. Система содержит подвижную обрабатывающую головку (10) для позиционирования лазерного луча (5) на соответствующей детали (3), пользовательский интерфейс (45) для задания соответствующей линии (L1, L2) резания и для задания минимальной точности (ΔB) траектории лазерного луча (5) и управляющее устройство (20) для управления движением головки (10) вдоль линии (L1, L2) резания с использованием множества технологических параметров (LL, DF, D0, ΔB, DS, DD, PG) процесса резания. Первая подгруппа (G1) сформирована из технологических параметров (LL, DF, D0, ΔB, DS, DD, PG) и включает только один технологический параметр (LL) или более (LL), которые оказывают влияние на мощность лазерного луча, доступную для резания. Вторая подгруппа (G2) технологических параметров включает в себя только один технологический параметр или более (DF, D0, ΔВ, DS, DD, PG), которые не оказывают влияния на мощность лазерного луча, доступную для резания. По меньшей мере один технологический параметр второй подгруппы может управляться посредством управляющего устройства (20) в зависимости по меньшей мере от одного переменного управляющего параметра (S20, S21, S22, S23, S24, S25, S26, S27), в зависимости по меньшей мере от одной из соответствующим образом зарегистрированных величин (vg1, vg2) скорости обрабатывающей головки. В результате получают равномерные поверхности резания при высокой скорости резания. 14 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области машино- и приборостроения и может быть использовано при изготовлении цилиндрических эвольвентных зубчатых колес с наружными и внутренними зубчатыми венцами. Способ изготовления зубчатого колеса заключается в нарезании зубчатого венца колеса посредством лазерного луча на станке с ЧПУ за счет координатных перемещений этого луча в осях Х и Y по траектории, задаваемой управляющей программой, при этом заготовку предварительно закаливают и охлаждают, а при нарезании зубчатого венца осуществляют его лазерную закалку. Использование изобретения позволяет повысить производительность изготовления колес и увеличить их нагрузочную способность. 1 ил. 2 пр.

Изобретение относится к способу и устройству лазерной резки хрупких неметаллических материалов, в частности стеклянных изделий, и может быть использовано в любой отрасли народного хозяйства для резки крупногабаритных плоских изделий и изделий сложной 3D-формы. Способ включает сквозное управляемое термораскалывание лазерным сфокусированным лучом по криволинейному контуру. Резку производят овальным лазерным пятном и в процессе работы регулируют длины осей овала лазерного пятна. Этим же лучом периодически отрезают отделяемый в процессе резки технологический припуск путем остановки процесса резки, возвращения лазерного луча назад на расстояние 50-80 мм и отрезания отделенной части припуска. Затем возвращают лазерный луч в точку остановки основного реза и осуществляют дальнейшее перемещение лазерного пятна вдоль траектории реза. Устройство содержит лазер, оптическую фокусирующую систему, механизм подачи хладагента, фокусирующий объектив, устройство для перемещения объектива, фиксирующее изделие устройство, состоящее из вакуумных присосок, укрепленных на держателях с регулируемой длиной, и шаровые шарниры. Шарниры обеспечивают параллельность плоскостей присосок и поверхности обрабатываемого изделия. Устройство для перемещения объектива представляет собой шестиосный робот-манипулятор, на выходное звено которого прикреплен конец оптического кабеля волоконного лазера с коллимирующим устройством и объективом. Изобретение позволяет проводить в автоматизированном режиме лазерную резку крупногабаритных изделий сложной 3D-формы из хрупких высокопрочных материалов с высоким качеством этих изделий и сократить время их обработки. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления сложных отверстий с помощью лазерного луча, в частности сквозного отверстия пленочного охлаждения детали турбины. На первом этапе изготавливают внутреннюю часть (7) отверстия (1) от поверхности (12) до противолежащей внутренней поверхности (13) подложки (4) посредством лазера (22), располагаемого в первом угловом положении (I), и одновременно изготавливают часть диффузора (10). Остающийся остаток (16,18, 28) диффузора (10) удаляют на последующих втором и третьем этапах. На втором этапе изменяют угловое положение лазера (22) в положении (II), отличном от углового положения (I), и перемещают лазер в угловом положении (II), пока боковая сторона (17а) диффузора (10) не будет открыта и при этом останется частичный объем (18) остатка (16,18, 28). На третьем этапе угловое положение лазера изменяют от углового положения (II) на втором этапе так, чтобы удалить указанный остаток (18). Угол в угловых положениях (I, II, III) определяют как угол между средней линией лазерного луча (25) и поверхностью (12) вокруг отверстия (1) пленочного охлаждения. За счет применения лазера в трех различных угловых положениях по отношению к обрабатываемой подложке значительно упрощается изготовление сложных отверстий в подложке. 12 з.п. ф- лы, 12 ил.

Изобретение относится к низкоинерционному манипулятору для лазерной резки плоского листового материала. Манипулятор содержит опорное приспособление (15) для лазерной режущей головки (14), выполненной с возможностью продольного перемещения вдоль оси X и поперечного перемещения вдоль оси Y. Опорное приспособление снабжено двумя скользящими блоками (5, 6), которые приводятся в действие соответствующими независимыми исполнительными устройствами (7, 8) для их перемещения вдоль оси Y с возможностью изменения их взаимного расстояния, и стержнями (9, 10) для шарнирного соединения указанных скользящих блоков (5, 6) с лазерной режущей головкой (14). Изобретение позволяет повысить качество резания заготовок. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.
Наверх