Универсальная лазерная оптическая головка Российский патент 2018 года по МПК B23K26/14 

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно к процессам лазерной сварки, резки, сверления отверстий.

Известна оптическая головка для лазерной резки листового металла (патент RU №151792, МПК В23К 26/38, опубликованный 20.04.2015), в которой узел для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы выполнен в виде двух связанных между собой резьбовым соединением цилиндров разного диаметра с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль оптической оси, при этом фокусирующая система установлена со стороны свободного торца цилиндра меньшего диаметра, а телескопическая система установлена со стороны свободного торца второго цилиндра большего диаметра, причем узел для одновременного перемещения вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы выполнен в виде цилиндра с резьбой на внешней поверхности, при этом на внутренней поверхности корпуса оптической головки выполнена резьба, ответная резьбе указанного цилиндра, а сам цилиндр жестко закреплен на внешней стороне цилиндра с фокусирующей системой узла для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы.

Известна оптическая головка для лазерной обработки (патент RU №34427, МПК B23K 26/00, B23K 26/02, B23K 26/03, опубликованный 10.12.2003). Оптическая головка для лазерной обработки содержит устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна, поворотное интерференционное зеркало, телескопическую систему, состоящую из отрицательного компонента и положительного компонента, фокусирующую систему, систему визуального наблюдения, включающую видеокамеру, оптически сопряженную поворотным интерференционным зеркалом с фокусирующей системой, и монитор для управления излучением между устройством вывода лазерного излучения и фокусирующей системой, причем один из оптических элементов телескопической системы (например, оптический элемент) установлен с возможностью перемещения вдоль ее оптической оси. Устройство вывода излучения, поворотное интерференционное зеркало, телескопическая система, фокусирующая система, система визуального наблюдения расположены в едином корпусе.

Известна оптическая лазерная головка (патент RU №2578885, МПК B23K 26/14, опубликованный 27.03.2016), ближайшая по технической сущности и принятая за прототип, содержащая наружное и внутреннее газовые сопла с каналами для подвода активного и защитного газов, установленные концентрично и с зазором, фокусирующую линзу, размещенную во внутреннем сопле, и сквозные отверстия, выполненные на боковой поверхности внутреннего сопла. Внутреннее сопло выполнено по типу сопла Лаваля, а фокусирующая линза размещена во внутреннем сопле с обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего сопла с возможностью перемещения вдоль оси, при этом канал для подвода активного газа к внутреннему соплу расположен между фокусирующей линзой и соплом Лаваля, а сквозные отверстия во внутреннем сопле расположены над линзой. Оптическая лазерная головка снабжена фиксаторами с возможностью ограничения движения фокусирующей линзы вдоль оси, расположенными ниже сквозных отверстий и выше нижнего канала подвода технологического газа.

Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность обработки материалов за счет поршневого перемещения сопла, смены специализированных оптических головок для выполнения различных технологических операций (резки, сварки, сверления отверстий). Это приводит к потере времени, малой точности и простою оборудования на время его переоснастки.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание универсальной лазерной головки для использования ее для сварки, резки, а также для сверления отверстий.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности обработки, экономичности, в уменьшении энергозатрат.

Технический результат достигается тем, что в универсальной лазерной оптической головке, содержащей наружный неподвижный корпус с соплом и внутренний подвижный корпус с соплом с каналами для подвода активного или пассивного газа, установленные концентрично и с зазором, фокусирующая линза базируется своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего корпуса с возможностью перемещения вдоль оси, канал для подвода активного газа к внутреннему соплу расположен между фокусирующей линзой и внутренним соплом, на боковой поверхности внутреннего сопла фокусирующей линзы выполнены сквозные отверстия, новым является то, что внутренний подвижный корпус с соплом перемещается с помощью сжатого воздуха, для чего зазор между внутренним подвижным и наружным неподвижным корпусами разделен на верхнюю и нижнюю замкнутые полости, сообщающиеся с источником сжатого воздуха, наружное сопло разделено мембраной на верхнюю полость, сообщенную с источником активного газа и на нижнюю полость, сообщенную с источником защитного газа,

На выходе внутреннего сопла имеется съемная цилиндрическая насадка с сужающимся начальным участком.

На выходе внутреннего сопла имеется съемная насадка с сужающе-расширяющимся каналом.

В нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостной датчик для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью.

Для режимов резки, сварки, сверления отверстий в металле толщиной до 20 мм съемная цилиндрическая насадка с сужающимся начальным участком имеет диаметр в узком сечении 0,2 ± 0,02 мм.

Для режима резки металла толщиной до 40 мм съемная насадка с сужающе-расширяющимся каналом имеет диаметр в узком сечении 0,5 ± 0,02 мм.

На фиг.ре 1 представлено продольное сечение универсальной лазерной оптической головки в режиме резки и сверления отверстий.

На фиг. 2 показано продольное сечение универсальной лазерной оптической головки в режиме сварки.

На фиг. 3 представлен разрез А-А фиг. 1.

На фиг. 4 представлен разрез Б-Б фиг. 1.

На фиг. 5 представлен вид снизу В фиг. 1.

На фиг. 6 представлен увеличенный вид Е фиг. 5.

На фиг. 7 представлен увеличенный вид Г (фиг. 2) съемной с сужающимся начальным участком насадки коническим каналом с цилиндрической частью на выходе в режиме резки, сварки, сверления отверстий металлов толщиной до 20 мм.

На фиг. 8 представлен увеличенный вид Д (фиг. 1) сужающе-расширяющейся съемной насадки в режиме резки металлов толщиной до 40 мм.

На фиг. 9 представлена схема пневмоцилиндра.

Универсальная лазерная оптическая головка содержит наружный неподвижный корпус 1, который снабжен крышкой 2 (фиг. 1 и фиг. 2). Внутри наружного неподвижного корпуса 1 расположен внутренний подвижный корпус 3 с прикрепленным внутренним соплом 4, который перемещается в режиме сварки вверх под действием сжатого воздуха (фиг. 2), подаваемого через компрессор 5 (фиг. 8) в верхнюю замкнутую полость 6 через верхний ниппель 7, которая образует объем под давлением. При этом режиме замкнутая нижняя полость 8 не заполнена сжатым воздухом. Верхняя 6 и нижняя 8 замкнутые полости разделены жестко закрепленным разделительным кольцом 9, закрепленным к наружному неподвижному корпусу 1 болтами и со вставленными манжетными уплотнителями 10. Разделительное кольцо 9 и манжетные уплотнители 10 разделяют обе замкнутые полости и одновременно их герметизируют. В режимах резки и сверления отверстий сжатый воздух подается через нижний ниппель 11 в нижнюю полость 8, в которой создается давление. Под действием давления внутренний подвижный корпус 3 с внутренним соплом 4 перемещается вниз (фиг. 1). Одновременно из верхней замкнутой полости 6 выпускается сжатый воздух. Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 в режиме сварки вверх, а в режимах резки и сверления отверстий вниз происходит по скользящим манжетам 12, закрепленным на подвижном кронштейне 13 (фиг. 1), при этом перемещение происходит до момента его касания с прокладкой 14 ограничительного кронштейна 15 (фиг. 2), выполняющего роль упора. Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 вниз в режимах резки и сверлении отверстий происходит аналогичным образом до момента касания его с прокладкой 14, приклеенной на ограничительное кольцо 16, выполняющее роль упора. Ограничительный кронштейн 15 (фиг. 1) служит опорой при установке универсальной лазерной оптической головки в нижнем положении (в режимах резки, сверлении отверстий). Ограничительное кольцо 16 с заклеенной прокладкой 14 (фиг. 1, 2) служит упором в верхнем положении (в режиме сварки). Манжеты 10, 12 (фиг. 1, 2) и прокладки 14 служат для герметизации пневмоцилиндра. К внутреннему соплу 4 крепится съемная цилиндрическая насадка 17 с сужающимся начальным участком под углом сужения до прямой части 60° (фиг. 1, 2), которая для режимов резки, сварки, сверления отверстий в металлах толщиной до 20 мм имеет диаметр в узком сечении 0,2 ± 0,02 мм. Для режима резки металлов толщиной до 40 мм используется съемная насадка 17 с сужающе-расширяющимся каналом под углом сужения до прямой части 60° и с углом расширения 30° (фиг. 1, 2), которая имеет диаметр в узком сечении 0,5 ± 0,02 мм, служащая для увеличения скорости струи. Эта особенность при резке дозвуковой скоростью позволит одновременно очищать место обработки металлов от шлаков и улучшать качество обработки. На наружном неподвижном корпусе 1 жестко закреплен емкостной датчик 18 (фиг. 1 и фиг. 2) для установки и контроля размера между срезом внутреннего сопла 4 и обрабатываемой деталью 19, который устанавливается на кронштейн датчика 20 в нижней части наружного неподвижного корпуса 1. В режимах резки, сверлении отверстий через наружное неподвижное сопло 21 подается активный газ - кислород через верхний штуцер 22 (фиг. 1). В режиме сварки подается защитный газ - азот, аргон или гелий в наружное неподвижное сопло 21 через нижний штуцер 23. На фигуре 3 в разрезе А-А представлено закрепленное разделительное кольцо 9, которое разделяет зазор между наружным неподвижным корпусом 1 и внутренним подвижным корпусом 3 на верхнюю 6 и нижнюю 8 замкнутые полости, при этом манжетные уплотнители 10 дополнительно герметизируют эти полости. К ограничительному кольцу 16 также прикрепляются прокладки 14. На фигуре 4 в разрезе Б-Б показаны верхний ниппель 7 и верхняя замкнутая полость 6, в которой нагнетается сжатый воздух под давлением и поднимает внутренний подвижный корпус 3 с внутренним соплом 4 вверх в режиме сварки. Одновременно из нижней замкнутой полости 8 сжатый воздух выходит через нижний ниппель 11. На фиг. 5 представлен вид снизу В, где вставляется съемная насадка 17 в зависимости от толщины металлов. Также здесь показано отверстие под ключ 24 для вставки съемной насадки 17. На фиг. 6 представлен увеличенный вид Е (фиг. 5), где показано место крепления съемной насадки 17. На фиг. 7 представлен увеличенный вид Г (фиг. 1) съемной насадки 17 в режиме резки, сварки, сверлении отверстий металлов толщиной до 20 мм. На фиг. 8 представлен увеличенный вид Д (фиг. 2) съемной насадки 17 в режиме резки металлов толщиной до 40 мм. Наружное неподвижное сопло 21 разделено на две полости 25, 26 (фиг. 1, 2), которые разделяет мембрана 27, необходимая для предотвращения утечки газов. Мембрана 27 прикреплена уплотнителями 28 (фиг. 1) к внутренней поверхности наружного неподвижного сопла 21 и внешней поверхности внутреннего сопла 4. При резке и сверлении отверстий активный газ - кислород подается в верхнюю полость 25 наружного неподвижного сопла 21 через верхний штуцер 22. Далее он проходит через сквозные отверстия внутреннего сопла 4 и вместе с лазерным лучом через фокусирующую линзу 29 поступает в зону лазерного реза 30 (фиг. 1). При сварке защитный газ - азот, аргон или гелий поступает через нижний штуцер 23 в нижнюю полость 26 наружного неподвижного сопла 21, который в процессе сварки подается одновременно с лазерным лучом и защищает сварной шов 31 от брызг и воздействия окружающей среды (фиг. 2). На фиг. 9 представлена схема пневмоцилиндра, состоящая из канала 32 диаметром 10 мм для подвода и отвода сжатого воздуха, из канала 33 диаметром 16 мм для соединения рабочих механизмов (компрессора 5, блока подготовки воздуха 34 (G 804 1/2'', G ross 57451), регулятора давления 35 (CLR - 0,1-6), распределителя 36 (SV-S-H-52-08), ниппеля 37 в количестве семи штук диаметром 16 мм) пневмосистемы.

Универсальная лазерная оптическая головка работает следующим образом.

Устанавливается регулирующая система подачи воздуха для конкретного режима: резки, сварки, сверления отверстий.

Устанавливается съемная цилиндрическая насадка с сужающимся начальным участком под углом сужения до прямой части 60° при резке, сварке и сверлении отверстий металлов до 20 мм, которую необходимо заменять на съемную насадку с сужающе-расширяющимся каналом под углом сужения до прямой части 60° и с углом расширения 30° для резки металлов до 40 мм для увеличения скорости струи при резке с дозвуковой скоростью, что позволит одновременно очищать место обработки материалов от шлаков и улучшать качество обработки. Отведя головку на свободное место от обрабатываемого металла, оператор производит специальным инструментом смену съемной насадки. Съемная насадка фиксируется сбоку внутреннего сопла.

В комплекте с лазерными технологическими комплексами, лазерная головка обеспечивает основные технологические показатели на заданном уровне: шероховатость поверхности реза на титановых сплавах не выше 20…25 мкм, на нержавеющих и высоколегированных сталях не выше 10…15 мкм при ширине реза 0,15…4 мм, глубину зоны термического влияния не более 15 мм.

Технологические характеристики предлагаемой универсальной лазерной оптической головки следующие:

Давление технологического газа, МПа до 2,5 Избыточное давление технологического газа на фокусирующей оптике, МПа не более 0,02 Мощность лазерного излучения, кВт 0,1…30 Апертурный угол лазерного излучения, °С 2…30 Экономия расхода технологического газа, % до 50

В режиме сварки металлов до 20 мм производится подача сжатого воздуха в верхнюю замкнутую полость 6, интенсивность лазерного излучения устанавливается в зависимости от выполняемого режима путем перемещения фокусирующей линзы 29 сжатым воздухом от компрессора 5. При сварке в нижний штуцер 23 наружного неподвижного сопла 21 подают защитный газ - азот, аргон или гелий в нижнюю полость 26 наружного неподвижного сопла 21, откуда газ поступает в зону сварки. Одновременно через нижний штуцер 23 наружного неподвижного сопла 21 защитный газ поступает на сварочный шов 31.

В режиме лазерной резки металлов до 20 мм в зону реза через верхний ниппель 7 вначале подают сжатый воздух в верхнюю замкнутую полость 6 и образуется объем под давлением. Затем при резке через верхний штуцер 22 подают активный газ (кислород) в наружное неподвижное сопло 21. Кислород поступает коаксиально лазерному лучу в зону резки металла 30. Одновременно под действием избыточного давления в верхней полости 25 наружного неподвижного сопла 21 мембрана 27, прикрепленная уплотнителями 28 (фиг. 1) к внутренней поверхности неподвижного наружного сопла 21 и внешней поверхности внутреннего сопла 4, начинает изгибаться вниз, побуждая к перемещению вниз (заглублению) внутреннее сопло 4 с закрепленной в нем фокусирующей линзой 29 за счет растяжения мембраны 27. Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с внутренним соплом 4 вниз происходит до тех пор, пока подвижный кронштейн 13 не коснется ограничительного кронштейна 15, выполняющего роль упора.

В режиме лазерной резки металлов толщиной до 40 мм производится переустановка съемной цилиндрической насадки 17 с сужающимся начальным участком под углом сужения до прямой части 60°, имеющей диаметр 0,2 ± 0,02 мм на съемную насадку, конструктивно выполненную с сужающе-расширяющимся книзу профилем канала реза под углом сужения до прямой части 60° и с углом расширения 30°, но которая имеет диаметр в узком сечении 0,5 ± 0,02 мм, служащая для увеличения скорости, что позволит получить сверхзвуковые скорости на выходе. Вдув сверхзвуковых струй в зону реза позволит производить с высокой эффективностью удаление образующегося расплава металла из узкого лазерного реза (b = 0,15÷0,4 мм), что позволит осуществлять режим резки металлов больших толщин до 40 мм с высокой скоростью резки, что приведет в целом к повышению производительности режима лазерной резки.

В режиме сверлении отверстий металлов до 20 мм процесс происходит аналогично режиму резки металлов до 20 мм, но при этом дополнительно необходима большая мощность лазерного излучения.

Для сварки универсальная лазерная оптическая головка позволит обеспечить основные технологические показатели на оптимальном уровне: ширину сварочного шва получат от 0,3 мм до 3 мм на металлах толщиной до 20 мм, зону термического влияния - от 1 мм до 15 мм.

Предлагаемая универсальная лазерная оптическая головка позволяет вести прецизионную сварку, резку и сверление отверстий до 20 мм и до 40 мм с высокой производительностью, обеспечиваемой за счет изменения режимов в процессе обработки. Технологические газы (активный или защитные) в зону реза, сварки, сверления отверстий подают поочередно в зависимости от требуемой операции.

Универсальная лазерная оптическая головка обеспечивает экономичность за счет использования пневмоцилиндра для перемещения внутреннего подвижного корпуса с соплом, точность лазерной резки, сварки, сверления отверстий за счет перемещения внутреннего подвижного корпуса с соплом с помощью сжатого воздуха под давлением вверх и вниз и позволяет расширить функциональные возможности за счет выполнения трех режимов на одной лазерной головке: резку, сварку и сверление отверстий.

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно к лазерной оптической головке, которая может быть использована для лазерной сварки, резки и сверления отверстий. Оптическая головка содержит наружный неподвижный корпус (1). Внутри корпуса (1) расположен внутренний подвижный корпус (3) с внутренним соплом (4). При выполнении технологического режима - лазерной резки или сверления отверстий нижняя замкнутая полость (8) заполняется сжатым воздухом. При пневматическом перемещении с помощью сжатого воздуха, образующего давление в нижней замкнутой полости (8), внутренний подвижный корпус (3) с внутренним соплом (4) перемещается вниз, уменьшая размер пятна лазерного пучка до оптимальных параметров. При выполнении технологического режима - лазерной сварки верхняя замкнутая полость (6) заполняется сжатым воздухом. При пневматическом перемещении с помощью сжатого воздуха, внутренний подвижный корпус (3) с внутренним соплом (4) перемещается вверх, увеличивая размер пятна лазерного пучка до оптимальных параметров, необходимых для выполнения лазерной сварки металлов. В наружное неподвижное сопло (21) подается технологический защитный газ. Технический результат заключается в обеспечении точности лазерной сварки, резки и сверления отверстий за счет использования пневматической системы для перемещения внутреннего подвижного корпуса (3) с внутренним соплом (4) посредством сжатого воздуха под давлением вверх и вниз и в расширении функциональных возможностей за счет выполнения трех режимов на одной лазерной головке: резки, сварки и сверления отверстий. 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Лазерная оптическая головка, содержащая наружный неподвижный корпус с соплом, внутренний корпус с соплом, которые выполнены с каналами для подвода активного и защитного газов и установлены концентрично и с зазором, и фокусирующую линзу, выполненную с возможностью базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего корпуса и с возможностью перемещения вдоль оси, при этом на боковой поверхности сопла внутреннего корпуса выполнены сквозные отверстия, отличающаяся тем, что внутренний корпус с соплом выполнен подвижным с возможностью перемещения с помощью сжатого воздуха, при этом зазор между внутренним подвижным и наружным неподвижным корпусами разделен жестко закрепленным кольцом на верхнюю и нижнюю замкнутые полости, сообщающиеся с источником сжатого воздуха, а сопло наружного неподвижного корпуса разделено мембраной на верхнюю полость, сообщенную с источником активного газа, и нижнюю полость, сообщенную с источником защитного газа.

2. Лазерная оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что на выходе внутреннего сопла выполнена съемная цилиндрическая насадка с сужающимся начальным участком.

3. Лазерная оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что на выходе внутреннего сопла выполнена съемная насадка с сужающе-расширяющимся каналом.

4. Лазерная оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что в нижней части наружного неподвижного сопла установлен емкостной датчик для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью.

5. Лазерная оптическая головка по п. 2, отличающаяся тем, что для режимов резки, сварки, сверления отверстий в металле толщиной до 20 мм съемная цилиндрическая насадка с сужающимся начальным участком на выходе имеет диаметр цилиндрической части 0,2±0,02 мм.

6. Лазерная оптическая головка по п. 3, отличающаяся тем, что для режима резки металла толщиной до 40 мм съемная насадка с сужающе-расширяющимся каналом имеет диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм.