УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК B23K1/05 B23K26/00 

Изобретение относится к сварке изделий, в частности к устройству для лазерной сварки с применением светового луча и может быть использовано для сварки изделий в приборостроении, радиоэлектронной промышленности, в машиностроении, а также применяться для других видов обработки, требующих нагрев.

Известно устройство для лазерной сварки материалов, включающее источник лазерного излучения и источник предварительного подогрева (1).

Такое устройство позволяет вести предварительный нагрев, при этом уменьшается неравномерность нагрева по поверхности и объему нагреваемого тела, достигаются более высокие температуры нагрева тел.

Недостатком известного устройства является невозможность формирования пятна нагрева весьма малых размеров с высокой плотностью энергии излучения.

Изобретение решает задачу сварки деталей больших толщин за счет концентрации энергии излучения высокой плотности при формировании пятна нагрева малых размеров.

Сущность изобретения по первому варианту состоит в том, что в устройстве для лазерной сварки материалов источник предварительного подогрева состоит из эллипсоидного отражателя и газоразрядной лампы, установленной в ближнем фокусе отражателя, при этом эллипсоидный отражатель снабжен вставкой, выполненной в виде кольца с эллипсоидной поверхностью отражения и расположенной в зоне проекции пучка лучей лазерного источника излучения, ось пучка лазерного источника излучения пересекает ось отражателя в зоне дугового разряда лампы, при этом точка пересечения лучей совпадает с ближним фокусом вставки, а дальний фокус вставки совпадает с рабочим фокусом отражателя.

В данном варианте используются твердотельные лазеры с длиной волны приблизительно 1,06 мкм. Такая длина волны почти без потерь энергии проходит через оптическое стекло, в том числе кварцевую колбу лампы.

Сущность изобретения по второму варианту состоит в том, что в устройстве для лазерной сварки источник предварительного подогрева состоит из эллипсоидного отражателя, газоразрядной лампы, установленной в фокусе отражателя, лазерный источник излучения расположен вне отражатель снабжен вставкой, выполненной в виде кольца с эллипсоидной поверхностью отражения, расположенной в зоне проекции пучка лучей лазерного источника излучения, ось пучка лазерного источника излучения пересекает ось отражателя между цоколем лампы и рабочим фокусом отражателя.

Устройство по второму варианту применяется при использовании газовых лазеров на углекислом газе с длиной волны приблизительно 10,6 мкм.

Такое излучение с длиной волны приблизительно 10,6 мкм хорошо поглощается стеклянной колбой лампы и может вызвать ее разрушение, поэтому необходимо располагать газовую лазерную систему ниже колбы лампы.

На фиг.1 изображено устройство для лазерной сварки по первому варианту; на фиг.2 устройство для лазерной сварки по второму варианту.

Устройство содержит эллипсоидный отражатель 1, газоразрядную лампу 2, расположенную в фокусе отражателя F₁, лазерный источник излучения 3, расположенный вне отражателя 1.

В зоне проекции пучка лучей лазерного источника излучения 3 в отражателе 1 имеется вставка 4, выполненная в виде кольца с эллипсоидной поверхностью отражения. Ось 5 пучка лучей лазерного источника излучения 3 пересекает ось 6 отражателя 1 в зоне дугового разряда лампы 2.

Точка пресечения лучей лазерного источника излучения 3 и газоразрядной лампы 2 совпадает с ближним фокусом вставки , а дальний фокус вставки совпадает с рабочим фокусом отражателя F₂.

При этом ближний фокус вставки не совпадает с фокусом F₁ отражателя 1.

При фокусировании излучения лампа в фокусе F₁ размещается в прикатодном участке дугового разряда, имеющем наиболее энергетическую яркость.

Если совмещать луч лазера с этой точкой, которая находится на расстоянии 0,2 0,3 мм от вольфрамового катода, то можно задеть и разрушить вольфрамовый катод. Поэтому лазерный луч фокусируют на оси отражателя между катодом и анодом. При этом фокус вставки F₁ не должен совпадать с фокусом F₁ отражателя.

Согласно второму варианту выполнения в отражателе 1 также имеется вставка 4, выполненная в виде кольца с эллипсоидной поверхностью отражения. Но расположена эта вставка в другой зоне отражателя 1, а именно между цоколем 7 лампы 2 и рабочим фокусом F₂. В этой зоне осуществляется пересечение оси 5 пучка лучей лазерного источника излучения 3 с осью 6 отражателя 1.

Устройство работает следующим образом.

Свариваемое изделие устанавливают в рабочем фокусе F₂ отражателя 1, включают источник питания, поджигают газоразрядную лампу 2, возбуждают генерацию лазера 3 и выводят их на рабочий режим. Излучение лазера 3 проходит через окно 8 в вставке 4 и, отражаясь от внутренней поверхности вставки 4, фокусируется в рабочем фокусе отражателя 1. В этой точке суммируются отраженные лучи двух источников излучения и формируют на свариваемом изделии пятно нагреве высокой плотности.

В процессе сварки обеспечивается управляемый нагрев и охлаждение при бесконтактном подводе энергии.

Устройство позволяет уменьшить поток до выходного апертурного угла отражателя и получать сварные соединения без трещин, обеспечивая высокое качество и производительность процесса при сварке деталей больших толщин.

Световой луч коротковолновый, хорошо поглощается металлом, т.е. имеет большой коэффициент поглощения.

Лазерный луч длинноволновый 1 10 мкм, он хорошо отражается металлом, эффект нагрева металла снижается, поэтому требуются большие мощности лазерного источника при нагреве.

Объединяя лучи, обеспечивается предварительный прогрев поверхности металла световым лучом и затем мощный лазерный луч обеспечивает концентрированный скоростной нагрев и глубину проплавления.

Использование: сварка изделий больших толщин в приборостроении, радиоэлектронной промышленности, в машиностроении. Сущность изобретения: устройство для лазерной сварки содержит эллипсоидный отражатель, газоразрядную лампу, установленную в фокусе отражателя, лазерный источник излучения, расположенный вне отражателя. В отражателе имеется вставка в виде кольца с эллипсоидной поверхностью отражения, расположенная в зоне проекции пучка лучей лазерного источника излучения. Ось пучка лазера пересекает ось отражателя в зоне дугового разряда лампы, при этом точка пересечения лучей совпадает с ближайшим фокусом вставки. При использовании газовых лазеров с длиной волны приблизительно 10,6 мкм вставка и лазер располагаются между цоколем лампы и рабочим фокусом отражателя. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для лазерной сварки материалов, включающее источник лазерного излучения и источник предварительного подогрева поверхности материала, отличающееся тем, что источник предварительного подогрева состоит из эллипсоидного отражателя и газоразрядной лампы с электродами, установленной в его ближнем фокусе, при этом эллипсоидный отражатель имеет кольцевую вставку с эллипсоидной поверхностью отражения, ближний фокус которой расположен в промежутке между электродами лампы, а дальний фокус в рабочем фокусе отражателя, в кольцевой вставке выполнено входное отверстие для прохождения лазерного луча, а источник лазерного излучения расположен напротив входного отверстия с возможностью совмещения его главной оптической оси с ближним фокусом вставки. 2. Устройство для лазерной сварки материалов, включающее источник лазерного излучения и источник предварительного подогрева поверхности материала, отличающееся тем, что источник предварительного подогрева состоит из эллипсоидного отражателя и газоразрядной лампы, расположенной в его ближнем фокусе, при этом эллипсоидный отражатель имеет кольцевую вставку с эллипсоидной поверхностью отражения, ближний фокус которой расположен между газоразрядной лампой и рабочим фокусом отражателя, а дальний фокус расположен в рабочем фокусе отражателя, в кольцевой вставке выполнено входное отверстие для прохождения лазерного луча, а источник лазерного излучения расположен напротив входного отверстия кольцевой вставки с возможностью совмещения его главной оптической оси с ближним фокусом кольцевой вставки.