СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ Советский патент 1994 года по МПК B23K26/00 

Способ относится к машиностроению и может быть использован при лазерной вырезке деталей по контуру и отверстий в них.

Известно техническое решение, в котором на поверхность разрезаемого материала подают сфокусированный непрерывный или импульсно-периодический поток лазерного излучения и поток газа и перемещают материал относительно потоков (см. Рыкалин Н. Н. и др. Лазерная обработка материалов. Машиностроение, М. , 9975, с. 233).

В этом случае происходит газолазерная резка материала. Однако происходит резка с направляемой шероховатостью боковых поверхностей реза.

Наиболее близким к предлагаемому является техническое решение, в котором используется лазерная установка фирмы "Рофин Синар" типа RS-1000 (1500).

В этом техническом решении предусмотрена работа лазерной установки в непрерывном и импульсно-периодическом режимах, что позволяет производить высококачественную контурную лазерную вырезку деталей при острых углах контура.

Однако в данном техническом решении не решена задача выбора скорости резки в зависимости от радиуса кривизны обрабатываемой детали и режимов работы лазера.

Целью изобретения является повышение точности резки на участках с радиусом кривизны менее 1 мм.

Указанная цель достигается тем, что в способе лазерной резки деталей, при котором процесс резки на прямолинейных участках контура и на участках с радиусами кривизны более 1 мм ведут в непрерывном режиме облучения, а на участках с радиусами скругления менее одного миллиметра - в импульсно-периодическом режиме, процесс ведут при скорости перемещения луча
v≅ τf , где Q - температуропроводность материала;
R - радиус кривизны контура вырезаемой детали;
τ - длительность лазерного импульса;
f - частота следования лазерных импульсов.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в определении оптимальной скорости перемещения луча относительно материала со снижением оптимальной скорости лазерной резки в скважность раз за счет использования импульсно-периодического потока лазерного излучения, на радиусах скругления контура менее 1 мм.

Способ осуществляется следующим образом (см. чертеж).

Поток излучения от лазера 1, отражается от зеркала 2, объективом 3 фокусируется на поверхность обрабатываемого материала, закрепленного на решетке 4, которая совершает круговые движения в плоскости XY по программе.

Соосно с потоком излучения подается поток газа.

Для более полного объяснения сущности оптимального выбора величины минимальной скорости резки с учетом вырезаемой лазером кривизны контура детали воспользуемся соотношением для величины времени установления стационарного распределения температуры (теплонасыщения) вблизи зоны резки, полученным расчетным способом
t_c= , (1) где V - скорость перемещения точечного источника тепла относительно исследуемого материала;
Q - температуропроводность исследуемого материала;
U - параметр вероятности для достоверности 0,9 равен 0,6.

Сущность решаемой задачи заключается в физическом моделировании, путем которого получают соотношение между скоростью лазерной резки и величиной времени разрушения материала в месте воздействия луча при неподвижном облучении, из предположения, что величина времени теплового разрушения не должна превышать величину времени теплонасыщения материала в месте воздействия луча, в противном случае процесс резки не пойдет, так как тепло от места воздействия луча успевает рассеяться, прежде чем произойдет сквозное разрушение материала.

Отсюда на основании предлагаемого вышеизложенного физического условия резки получаем соотношения величин времен теплоразрушения - и теплонасыщения
t_a ≅ t_c. (2)
Подставляя (2), t_a вместо t_c в (1) получаем, что предельная скорость лазерной резки для данного теплового воздействия, характеризуемого величиной времени проплавления t_a при неподвижном облучении, определяется соотношением
v= . (3)
Для определения величины минимального радиуса, вырезаемого лазером отверстия, рассмотрим следующую физическую задачу.

Известно, что изменение направления скорости движения луча при его движении по кругу приводит к нарушению стационарного распределения температуры вблизи места воздействия луча, вблизи зоны резки. При этом необходимо выполнять следующие условия физического моделирования, чтобы величина времени Δ t рассогласования скорости по направлению (Δ V = Δ α t, где α - центростремительное ускорение) при движении по кругу была всегда больше величины времени установки стационарного распределения температуры вблизи зоны резки Δ t ≥ t_c (4).

В этом случае тепловое поле вблизи зоны остается стационарным, несмотря на постоянно меняющуюся по направлению скорость движения луча при лазерной вырезке отверстий в листовом материале.

Качество резки при этом остается таким же, как и при лазерной резке по прямой линии.

Исходя из вышеприведенных условий физического моделирования получено соотношение для скорости лазерной резки при вырезке отверстий v≥ , где R - радиус кривизны контура вырезаемой детали в зоне резки или отверстия.

Однако при вырезке малых отверстий диаметром 2 мм и ниже, а также на радиусах скругления около 1 мм при снижении скорости из-за инерционности механизма подачи качество резки падает и для его повышения необходимо не снижение мощности лазерного излучения, а переход в импульсно-периодический режим, причем, чем меньше длительность импульса и чем меньше частота следования импульсов, тем качественней можно выполнять малые скругления (с радиусом менее 1 мм) на малой скорости лазерной резки согласно соотношению
v≥ τf.

Эксперимент проводился с использованием CO₂-лазерной установки типа "Квант-15", спаренной с системой ЧПУ типа ЭЛФА.

Производилась вырезка отверстий на двух разнородных материалах: на органите и на стали 20 толщинами 1 и 3 мм.

При этом частоты следования импульсов регулировались в пределах 0-20 Гц, при этом средняя мощность поддерживалась неизменной.

Вырезались отверстия диаметром от 2 до 0,5 мм. Меньшие отверстия целесообразно прожигать неподвижным облучением, так как лазерная резка как процесс при этом вырождается из-за того, что размеры отверстия становятся соизмеримыми с шириной реза.

Результаты экспериментов для стали 20 сведены в таблицу.

Так как у органитов температуропроводность более чем на порядок ниже, чем у стали, то вследствие очень малых расчетных скоростей перемещения эксперимент не удалось осуществить на практике при вырезке деталей. Однако на органитах удалось проверить заявленное соотношение при вырезке отверстий диаметром менее 2 мм, результаты почти аналогичные полученным при резке стали.

Таким образом, заявленное техническое решение по сравнению с прототипом (см. таблицу) позволяет оптимизировать скорость лазерной вырезки детали по контуру и повысить качество резки на 1-2 класса. (56) Проспект лазерной установки фирмы "Rofin Sinar" типа RS 15000.

Использование: лазерная контурная резка деталей и вырезка отверстий диаметром менее 1 мм. Сущность изобретения: лазерную контурную вырезку деталей с радиусом кривизны их контура более 1 мм ведут в непрерывном режиме облучения, а на радиусах кривизны менее 1 мм импульсно-периодическом режиме. При этом скорость перемещения лазерного луча V≅τfQ/0.36R где Q - температуропроводность материала; R - радиус контура резки; τ - длительность лазерного импульса; f - частота следования лазерных импульсов. 1 ил.

СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ деталей по заданному контуру перемещающимся лучом, при котором на прямолинейных участках контура и на участках с радиусом кривизны более 1 мм процесс ведут в непрерывном режиме облучения, а на участках с радиусом кривизны менее 1 мм-в импульсно-периодическом режиме, отличающийся тем, что, с целью повышения точности резки на участках с радиусом кривизны менее 1 мм, процесс ведут при скорости перемещения луча
V= τ·f ,
где Q - температуропроводность разрезаемого материала;
R - радиус кривизны контура резки;
τ - длительность лазерного импульса;
f - частота следования импульсов.