Способ ультразвуковой газолазерной резки листового металла и устройство ультразвуковой газолазерной резки листового металла (варианты)

Изобретение относится к способу комбинированной газолазерно-ультразвуковой резки листового металла и устройству для его осуществления (варианты). Технический результат состоит в повышении качества лазерного реза за счет уменьшения шероховатости при увеличении толщины листа и скорости резки. Способ включает воздействие на поверхность разрезаемого листа ультразвуковыми колебаниями (УЗК) и потоком технологического газа, истекающего из сопла лазерного резака соосно с лазерным лучом, по которому ультразвуковые колебания предварительно генерируют в потоке технологического газа в резонирующем объеме генератора УЗК. Устройство содержит лазерный резак, форкамеру сопла, коллектор подвода технологического газа и генератор ультразвуковых колебаний (УЗК). По Варианту 1 - генератор УЗК выполнен в виде резонирующего объема с несколькими свистками Гартмана, не менее трех, расположенными равномерно по его периметру. Резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и совмещен с ней. По Варианту 2 - генератор УЗК выполнен в виде резонирующего объема с несколькими свистками Гартмана, не менее трех, расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и выполнен в виде конического кольцевого канала, вход которого связан с коллектором подвода технологического газа, а выход расположен в плоскости среза сопла. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

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

Сочетание технических средств (таких как лазер, плазма, ультразвук, электромагнитные поля) существенно расширяет возможности воздействия на физико-химические процессы в материалах, по сравнению с известными результатами их раздельного использования. Особое место здесь занимают ультразвуковые колебания. Мощный ультразвук как средство физического воздействия на вещество, эффективно используется в металлургии и машиностроении при обработке материалов. Ультразвуковые колебания (УЗК) могут активно воздействовать на процессы контактного взаимодействия на границах раздела «жидкость - твердое тело», «жидкость - газ», на протекание тепло- и массообменных процессов в жидкости, а также на структуру и свойства твердых тел. Комбинированное воздействие на границах раздела фаз, когда наряду с ультразвуковыми колебаниями в зоне контакта прикладывается статическое давление, в этом случае многие процессы интенсифицируются. Этот эффект лежит в основе технологического применения ультразвуковых колебаний в механической обработке, обработке металлов давлением, лазерной сварке, наплавке, резке и т.д.

Ультразвуковые генераторы обычно состоят из преобразователя, осуществляющего перевод какого-либо вида энергии (электрической, механической) в энергию акустических, волн, а также концентратора колебаний, волноводных звеньев и излучателя, соединенного с рабочим инструментом в единый технологический узел.

Известно использование УЗК при раскрое листовых материалов (ультразвуковое резание), при котором упругие колебания подводятся непосредственно к режущему инструменту (О.В. Абрамов. Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые металлы. Наука, 2000 г., с. 247). Под действием ультразвука в точках контакта режущего инструмента происходит нагрев и «размягчение» деформируемого материала, сопротивление пластической деформации снижается, что существенно облегчает процесс разделения материала.

Недостатком ультразвукового раскроя является низкая скорость и толщина разрезаемого материала. Ультразвуковой раскрой используется преимущественно для разделения неметаллических материалов.

Известно устройство (K. Yoshinao, A. Takashi, О. Makoto, F. Yasuyuki, патент JP 2015178125, Laser cutting device and method), где УЗК подают на разрезаемую деталь совместно с лазерным излучением, при этом генератор УЗК состоит из множества ультразвуковых электрических преобразователей, которыми создают волны давления в окружающей среде и фокусируют их в область взаимодействия лазерного луча с разрезаемым материалом.

Известен также способ лазерной резки (М. Yoshio; F. Yasuyuki, патент JP 2008137036 (А) 2008-06-19, Laser cutting apparatus), в котором УЗК предаются на поверхность детали в зону действия лазера путем вибраций самой детали, с помощью электрического преобразователя.

Недостатком данных способов является наличие ограничений по толщине и качеству обработки, в зависимости от длины волны используемого лазерного излучения и типа разрезаемого металла.

Прототипом данного изобретения выбран известный способ и устройство комбинированного использования источников энергии (лазера и ультразвукового вибратора) для резки металлических материалов (Гуреев Д.М, Петров А.Л. Лазерно-дуговой и лазерно-ультразвуковой раскрой листового металла. Изв. Самарского научного центра РАН. 1999, №2, с. 265-269). Ультразвуковые колебания вводились в зону лазерного реза с помощью механического воздействия конусообразного концентратора полуволновой длины, который крепился к торцу магнитострикционного преобразователя, подключенного к выходу ультразвукового генератора. Концентратор поджимался к поверхности разрезаемого листа вблизи пятна фокусировки лазерного излучения с усилием 50 Н. Частота колебаний составляла 22 кГц, амплитуда - до 45 мкм, мощность до 1 кВт. Воздействие ультразвуковых вибраций с указанными характеристиками обеспечивало отрыв капель расплава от нижней кромки реза при лазерно-ультразвуковой резке листового металла (жаропрочного никелевого сплава), причем соосного с лазерным лучом ввод ультразвуковых колебаний осуществлялся непосредственно в зону лазерного расплава.

Недостатком данного способа и устройства является то, что с ростом толщины листа образование грата при лазерном раскрое возрастает и требуется более мощное ультразвуковое воздействие, обеспечить которое с помощью предложенного устройства затруднительно.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение качества лазерного реза (уменьшение шероховатости) при увеличении толщины листа и скорости резки.

Поставленная задача решается за счет предлагаемого способа и двух вариантов устройства ультразвуковой газолазерной резки листовых металлов.

Способ ультразвуковой газолазерной резки листового металла, включает воздействие на поверхность разрезаемого листа ультразвуковыми колебаниями (УЗК) и потоком технологического газа, истекающего из сопла лазерного резака соосно с лазерным лучом. Согласно изобретению ультразвуковые колебания предварительно генерируют в потоке технологического газа в резонирующем объеме генератора УЗК, а затем ультразвуковой газовый поток подают совместно с лазерным лучом на обрабатываемый лист металла.

Способ ультразвуковой газолазерной резки листового металла может выполняться в двух вариантах устройства ультразвуковой газолазерной резки листового металла.

Устройство ультразвуковой газолазерной резки листового металла включает лазерный резак, форкамеру, сопло, коллектор подвода технологического газа и генератор ультразвуковых колебаний (УЗК).

В устройстве согласно изобретению по Варианту 1 генератор УЗК выполнен в виде резонирующего объема с несколькими свистками Гартмана, не менее трех, расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и совмещен с ней.

В устройстве согласно изобретению по Варианту 2 генератор УЗК выполнен в виде резонирующего объема с несколькими свистками Гартмана, не менее трех, расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и выполнен в виде конического кольцевого канала, вход которого связан с коллектором подвода технологического газа, а выход расположен в плоскости среза сопла.

Положительный результат достигается за счет подачи ультразвуковой струи технологического газа на поверхность разрезаемого листа соосно с лазерным лучом, с целью интенсификации удаления расплава (грата) с поверхности разрезаемого металла.

Основным достоинством конструктивного решения устройства ультразвукового газолазерного резака является ввод УЗК непосредственно в поток технологического газа в резонаторе, совмещенном с форкамерой сопла (Вариант 1) или в коническом кольцевом канале в плоскости среза сопла (Вариант 2), до подачи его на разрезаемый лист металла, при этом для генерации УЗК используют энергию сжатого газа, генерируемую системой (не менее трех) свистков Гартмана, дополнительное усиление которой осуществляется в резонаторе.

На фиг. 1 изображена схема устройства ультразвуковой газолазерной резки листового металла по Варианту 1.

На фиг. 2 изображена схема устройства ультразвуковой газолазерной резки листового металла по Варианту 2.

Устройство ультразвуковой газолазерной резки листового металла (по Варианту 1) включает лазерный резак 1 с центральным каналом 2 подачи лазерного излучения, через форкамеру 3 сопла 4 на разрезаемый лист металла. Коаксиально центральному каналу 2 размещен коллектор 5 для подачи технологического газа соосно с лазерным лучом в форкамеру 3 сопла 4. Генератор ультразвуковых колебаний УЗК выполнен в виде резонирующего объема 6 с несколькими свистками Гартмана 7 (не менее трех), расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем 6 размещен коаксиально форкамере 3 сопла 4 и совмещен с ней.

Устройство ультразвуковой газолазерной резки листового металла (по Варианту 2) включает лазерный резак 1 с центральным каналом 2 подачи лазерного излучения, через форкамеру 3 сопла 4 на разрезаемый лист металла (на фиг. не показано). Коаксиально центральному каналу 2 размещен коллектор 5 для подачи технологического газа через резонирующий объем 8 генератора УЗК с несколькими свистками Гартмана 7 (не менее трех), расположенными равномерно по его периметру. Резонирующий объем 8 размещен коаксиально форкамере 3 сопла 4 и выполнен в виде конического кольцевого канала 9, вход которого связан с коллектором 5 подвода технологического газа, а выход 10 расположен в плоскости среза сопла.

Размеры свистков Гартмана, расположение и их количество зависят от частоты колебаний, требуемых для удаления расплава из канала лазерного реза, что напрямую связано с мощностью лазера, толщиной разрезаемого листа и свойствами материала.

Способ ультразвуковой газолазерной резки листовых металлов осуществляется следующим образом.

По Варианту 1

По оси центрального канала 2 лазерного резака 1 подается лазерный луч, который проходит форкамеру 3 сопла 4 и выходит наружу по направлению к разрезаемому листу металла. Технологический рабочий газ подводят в коллектор 5. В коллекторном сопле газ разгоняется и направляется в резонирующий объем 6 генератора ультразвуковых колебаний УЗК, где колебания возбуждаются несколькими свистками Гартмана 7 (не менее трех), расположенными равномерно по его периметру. Колебания в потоке газа резонансно усиливаются и устремляются в форкамеру 3 сопла 4, где формируется ультразвуковой поток, переходящий на срезе сопла в ультразвуковую струю газа. Совместное воздействие ультразвуковой струи газа и лазерного излучения на поверхность разрезаемого металла позволяет получить положительный результат: повышение качества лазерного реза (уменьшение шероховатости) при увеличении толщины листа и скорости резки.

По Варианту 2

По оси центрального канала 2 лазерного резака 1 подается лазерный луч, который проходит форкамеру 3 сопла 4 и выходит наружу по направлению к разрезаемому листу металла. Технологический рабочий газ подводят в коллектор 5, в сопле которого газ разгоняется и направляется в резонирующий объем 8 генератора ультразвуковых колебаний УЗК, где возбуждаются колебания несколькими свистками Гартмана 7 (не менее трех), расположенными равномерно по его периметру. Попадая в конический кольцевой канал 9 резонирующего объема 8, колебания возмущенного потока газа резонансно усиливаются и по коаксиальному кольцевому каналу 9 выводятся через кольцевое отверстие 10 наружу в плоскости среза сопла. Совместное воздействие ультразвуковой струи газа и лазерного излучения на поверхность металла также позволяет получить положительный результат по качеству реза и времени обработки.

Источники информации:

1. О.В. Абрамов Воздействие мощного ультразвука на жидкие и твердые металлы. Наука, 2009 г., с. 247 и с. 285;

2. Патент Японии № JP 2015178125 МПК В23K 26/38, 2015-10-08.

3. Патент Японии № JP 2008137036 (А), 2008-06-4;

4. Гуреев Д.М, Петров А.Л. Лазерно-дуговой и лазерно-ультразвуковой раскрой листового металла. Изв. Самарского научного центра РАН. 1999, №2, с. 265-269.) - прототип.

1. Способ комбинированной газолазерно-ультразвуковой резки листового металла, включающий воздействие на поверхность разрезаемого листа ультразвуковыми колебаниями (УЗК) генератора УЗК, лазерным лучом лазерного резака и подаваемым соосно лучу из сопла лазерного резака потоком технологического газа, отличающийся тем, что ультразвуковые колебания генерируют в потоке технологического газа в резонирующем объеме генератора УЗК с образованием ультразвукового газового потока, который подают совместно с лазерным лучом на обрабатываемый лист металла.

2. Устройство для комбинированной газолазерно-ультразвуковой резки листового металла, содержащее лазерный резак, сопло с форкамерой, коллектор подвода технологического газа и генератор ультразвуковых колебаний (УЗК), отличающееся тем, что генератор УЗК выполнен с резонирующим объемом с по меньшей мере тремя свистками Гартмана, расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и совмещен с ней.

3. Устройство для комбинированной газолазерно-ультразвуковой резки листового металла, содержащее лазерный резак, сопло с форкамерой, коллектор подвода технологического газа и генератор ультразвуковых колебаний (УЗК), отличающееся тем, что генератор УЗК выполнен с резонирующим объемом с по меньшей мере тремя свистками Гартмана, расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и выполнен в виде конического кольцевого канала, вход которого связан с коллектором подвода технологического газа, а выход расположен в плоскости среза сопла.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к головке (1) для лазерной резки листового материала для металлорежущего станка. Головка (1) содержит коллиматор (2), предназначенный для коллимирования лазерного луча, испускаемого устройством лазерного излучения, фокусирующие средства, предназначенные для фокусировки коллимированного лазерного луча, корпус (4), предназначенный для установки и расположения в нем фокусирующих средств, и держатель, предназначенный для установки и удержания фокусирующих средств в полости корпуса (4) и их перемещения вдоль направления (X) регулировки для изменения фокальной точки лазерного луча, выходящего из фокусирующих средств.

Изобретение относится к способу лазерной пробивки сквозного отверстия в неметаллической пластине, например, из полупроводниковых, керамических и стеклообразных материалов.

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.

Изобретение относится к способу микроструктурирования поверхности прозрачных материалов путем формирования отверстий, каналов и других структур с помощью воздействия сфокусированным лазерным лучом на границу прозрачного материала и поглощающей жидкости, и может быть использовано, например, для изготовления элементов микрооптики, волоконной и интегральной оптики, плазмоники, микрофлюидики.

Изобретение относится к способу и устройству лазерной резки и может быть использовано для резки неметаллических материалов. Излучение импульсного лазера (1) фокусируют поочередно на лицевую и обратную сторону объекта (5), который перемещают по заданной траектории обработки.

Группа изобретений относится к обработке металла, в частности к выполнению отверстий в детали при помощи импульсного лазера. Определяют значения нескольких рабочих параметров лазерного генератора для выполнения отверстий заранее определенного диаметра в детали.

Изобретение относится к области лазерного резания с нагнетанием потока продувочного газа в зону резания для удаления шлаков и газов, образующихся в процессе резания.

Изобретение относится к области лазерных машин для создания перфораций в фильтрах комбинированных сигарет, сформированных из двух сигарет с двойным фильтром между ними.

Изобретение относится к способу сканирования трубы, предназначенной для обработки на станке для лазерной резки. Способ включает этапы, на которых: а) излучают посредством режущей головки (50) станка для лазерной резки сфокусированный лазерный луч таким образом, чтобы не происходила резка или вытравливание материала трубы (Т); b) передвигают режущую головку (50) вдоль заданного направления (х) сканирования; и с) во время перемещения режущей головки (50) вдоль направления (х) сканирования детектируют посредством соответствующих датчиков (56) излучения, отраженное или излучаемое трубой (Т), и устанавливают последовательно точка за точкой, на основе сигнала, предоставляемого датчиками (56), присутствие или отсутствие материала трубы (Т).

Изобретение может быть использовано при лазерной резке, в частности, с использованием волоконного или дискового лазера. Корпус (1) сопла выполнен с осевой полостью (5), имеющей первое выходное отверстие (11) на передней стороне (1а).

Изобретение относится к получению функционально-градиентного материала на подложке методом прямого лазерного нанесения. Устройство содержит лазерный блок и акустический генератор.

Изобретение может быть использовано для лазерной очистки свариваемых поверхностей от нежелательных слоев и загрязнений, в частности для удаления ржавчины, окалины, нефтепродуктов с поверхности стальной сформованной трубной заготовки, толщиной от 8 до 45 мм.

Изобретение относится к лазерно-дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки из углеродистой стали большого диаметра от 530 до 1420 мм с толщиной стенок от 8 до 45 мм.

Изобретение относится к производству труб большого диаметра, в частности к сборочно-сварочному стану для производства труб. Стан содержит средство подачи трубной заготовки с транспортным рольгангом с продольной осью, проходящим через сборочно-сварочную клеть с радиально расположенными прижимными роликовыми балками, выполненными с возможностью обжатия трубной заготовки, перемещаемой по транспортному рольгангу, продольно ориентированный направляющий нож и тележку с роликами, вращающимися по внутренней поверхности трубной заготовки при перемещении тележки через сборочно-сварочную клеть.

Изобретение относится к лазерной резке изделий из хрупких неметаллических материалов, частично поглощающих лазерное излучение, и может быть использовано в авиационной, космической, автомобильной и других отраслях промышленности для резки крупногабаритных плоских и гнутых стеклоизделий сложной формы.

Данное изобретение касается устройства (1) для струйной обработки заготовки (5) и может быть использовано, например, в лазерных машинах. Устройство (1) для струйной обработки заготовки (5), в частности устройство для лазерной или жидкостной струйной обработки, включает станину (3), опору (4) для заготовки, удерживаемую станиной (3), и инструмент (2) струйной обработки, установленный на станине (3) и перемещающийся относительно опоры (4) для заготовки.

Изобретение касается области сосудов, работающих под давлением. Способ изготовления сосуда для удержания жидкости или газа под давлением включает создание герметичной конструкции внешней стенки с клапаном и внутренней несущей конструкции внешней стенки с использованием технологии послойной печати.

Группа изобретений относится к опорной конструкции 1 для детали или заготовки детали 2 транспортного средства, в частности двери транспортного средства или кузовной детали автотранспортного средства, и к рабочему верстаку для выполнения указанной детали, содержащему такую опорную конструкцию.

Лазерный сварочный аппарат содержит излучатель лазерного луча, дифракционный оптический элемент, модуль коррекции точки падения луча, а также контроллер. Дифракционный оптический элемент включает в себя первую область, где предусмотрена дифракционная решетка, которая излучает излучаемый луч, имеющий первый профиль распределения плотности мощности, который отличается от профиля распределения плотности мощности падающего луча.

Изобретение относится к технологии получения сотовых тонкостенных энергопоглотителей. Энергопоглотитель изготавливают в виде ячеистой конструкции с ячейками произвольной формы из металлического порошка дисперсностью менее 50 мкм путем его послойного 20-40 мкм лазерного сплавления по заранее спроектированной 3-D модели.

Изобретение может быть использовано для сварки сформованных трубных заготовок из углеродистой стали диаметром от 530 до 1420 мм с толщиной стенок от 8 до 45 мм. Околошовную зону свариваемого участка трубы нагревают индуктором до и после выполнения сварки до температуры 200-350°С.

Изобретение относится к способу комбинированной газолазерно-ультразвуковой резки листового металла и устройству для его осуществления. Технический результат состоит в повышении качества лазерного реза за счет уменьшения шероховатости при увеличении толщины листа и скорости резки. Способ включает воздействие на поверхность разрезаемого листа ультразвуковыми колебаниями и потоком технологического газа, истекающего из сопла лазерного резака соосно с лазерным лучом, по которому ультразвуковые колебания предварительно генерируют в потоке технологического газа в резонирующем объеме генератора УЗК. Устройство содержит лазерный резак, форкамеру сопла, коллектор подвода технологического газа и генератор ультразвуковых колебаний. По Варианту 1 - генератор УЗК выполнен в виде резонирующего объема с несколькими свистками Гартмана, не менее трех, расположенными равномерно по его периметру. Резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и совмещен с ней. По Варианту 2 - генератор УЗК выполнен в виде резонирующего объема с несколькими свистками Гартмана, не менее трех, расположенными равномерно по его периметру, при этом резонирующий объем размещен коаксиально форкамере сопла и выполнен в виде конического кольцевого канала, вход которого связан с коллектором подвода технологического газа, а выход расположен в плоскости среза сопла. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх