Способ лазерной обработки материалов Советский патент 1993 года по МПК B23K26/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в процессах лазерной обработки материалов.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности обработки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе лазерной обработки материалов, при которо м осуществляют воздействие ла- .зерным и излучением, проходящим через оптическую систему, перед ней устанавливают диафрагму, внутренний диаметр которой равен:

d WVjln-, 2 дкр

где d - внутренний диаметр диафрагмы;

W - заданный диаметр лазерного излучения;

д0 - заданная плотность энергии лазерного излучения в его центре;

9кр - критическая плотность энергии для определенного материала.

Расстояние между диафрагмой и фокусирующим элементом в процессе обработки не изменяется.

При диаметре диафрагмы, равном

-d.Wvdin r

2 9кр

ширина реза связана пропорциональной зависимостью с диаметром пучка и, следовательно, при таком соотношении ширина реза изменяется с изменением диаметра лазерного пучка.

При диаметре диафрагмы, равном

d W . 2 дкр

ширина реза также связана с диаметром пучка, но с увеличением расстояния транспортировки (с увеличением диаметра пучка увеличивается ширина реза) диаметр пучка, падающего на линзу, будет ограничиваться

(Л

С

со

CJ

J

4 Ч| N5

00

диафрагмой с отверстием диаметра d, и ширина реза будет оставаться постоянной. При диаметре диафрагмы, равном

,

2 g.Kp

ширина реза будет связана с диаметром отверстия в диафрагме.

Таким образом, применение диафрагмы с диаметром..

. d w vfe,

2 дкр

в предложенном способе приводит к тому, что ширина реза при изменении диаметра пуска будет постоянной и, следовательно, повышается точность обработки.

Способ поясняется фигурами 1,2.

Способ выполняется следующим образом.

Разрезаемый материал закрепляют зажимами на неподвижном столе 1. Выходящий из лазера 2 лазерный луч попадает на плоское отклоняющее зеркало 3, отражается, проходит через отверстие в диафрагме 4 попадает на выпуклую фокусирующую линзу 5 и концентрируется на неподвижном разрезаемом материале. Под действием остросфокусированного пучка и режущего газа (обычно кислорода), вводимого в зону резки сопловым устройством, в материале образуется отверстие.

Ширина реза на поверхности обрабатываемого материала связана с величиной радиуса фокусировки пучка соотношением

b-ai + aaRf33,

где ai, 82. аз - некоторые числовые коэффициенты;

Rr-радиус фокусировки пучка.

Отсюда следует, что ширина реза тем больше, чем больше радиус пятна на поверхности материала. Радиус пятна, в свою оче- .редь, связан с расстоянием транспортировки соотношением, представленными в работе

R

.(&(г-з + е1(f-z)2

6-2р Y, v -л 1-- -jjгде Rp - радиус пучка в перетяжке;

fi, f - задний, передний фокус линзы;

Z - расстояние от линзы до расчетного сечения сфокусированного пучка;

О- угол расходимости пучка;

Zp- расстояние от перетяжки лазерного пучка до линзы.

Согласно приведенной формуле увеличение размера пятна на поверхности материала с увеличением расстояния транспортировки является следствием увеличения диаметра пучка на линзе. На фигуре

1 пунктирной линией показан ход лучом в положении I в положении II в предположении отсутствия диафрагмы и сплошной линией с диафрагмой.

Интенсивность распределения энергии в пучке подчиняется гау.ссовскому закону (2)

g g0exp(2R Wl

Ширина реза определяется исходя из величины дкр. Представляя ее вместо g и решая относительно R, получим

R W/|lr r . 2 дкр

Величина R b, где b - ширина реза в материале, для обработки которого необходим уровень энергии дкр.

Изменение диаметра пучка в процессе транспортировки от Wi до Wu ведет к увеличению ширины реза от b до b как показано на фиг,2.

Установка диафрагмы в положении, показанном пунктирными линиями, не позво- ляет ограничить изменения ширины реза.

Очевидно, что диаметр отверстия в диафрагме Должен удовлетворять условию

d w/bfi r- 9кр

и тогда ширина реза при изменении диаметра пучка будет постоянной величиной, пропорциональной диаметру диафр агмы.

При м е р. Применяется лазерный комплекс. Режимы подбирают заранее экспериментально. Подбирают комбинацию мощности излучения, скорости обработки, диаметра пятна в зависимости от вида разрезаемого материала, его толщины. Осуществляли резку листового органического стекла на различных расстояниях транспортировки лазерного луча до оптико-фокуси- рующей системы без диафрагмы и с диафрагмой.

Исследования проводились для лазерного излучателя с апертурой 20 мм. После разрезания делались замеры ширины реза.

Результаты измерений приведены в

таблице.

Таким образом, установка диафрагмы с определенным внутренним диаметром перед фокусирующим элементом позволяет получить постоянный диаметр пучка на линзе, а следовательно, постоянный размер сфокусированного пуска на поверхности материала при изменении расстояния транспортировки от до . Это приводит к тому, что ширина реза не изменяется по сравнению с прототипом.

Формула изобретения 1. Способ лазерной обработки материалов, при котором лазерное излучение пропускают через фокусирующую систему, установленную перед ней неподвижную диафрагму, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, берут диафрагму с внутренним диаметром d, определяемым из соотношения

d W 4ln-Ss-, 2 дкр

где W - заданный диаметр лазерного излучения;

д0 - заданная плотность энергии лазерного излучения в его центре; дкр - критическая плотность энергии

для определенного материала.

2. Способ по п. 1,отличающийся тем, что расстояние между диафрагмой и фокусирующей системой поддерживают постоянным.

Использование: технология лазерной резки. Сущность изобретения: при лазерной обработке непосредственно перед фокусирующей системой устанавливают диафрагму, внутренний диаметр которой подбирают в соответствии с определенным соотношением. Диафрагма позволяет получить одинаковый диаметр пучка на линзе и, следовательно, на поверхности материала. В свою очередь обеспечивается постоянная ширина реза е процессе обработки. 1 з.п.ф- лы, 2 ил., 1 табл. .

Фи г. 2