RU2139783C1 - Device for laser cutting - Google Patents
Device for laser cutting Download PDFInfo
- Publication number
- RU2139783C1 RU2139783C1 RU97121913A RU97121913A RU2139783C1 RU 2139783 C1 RU2139783 C1 RU 2139783C1 RU 97121913 A RU97121913 A RU 97121913A RU 97121913 A RU97121913 A RU 97121913A RU 2139783 C1 RU2139783 C1 RU 2139783C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nozzle
- distance
- differential pressure
- static
- radial
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области обработки материалов, а более конкретно к области лазерной резки. The invention relates to the field of material processing, and more particularly to the field of laser cutting.
Изобретение может быть использовано в лазерных станках для раскроя листовых материалов. The invention can be used in laser machines for cutting sheet materials.
В процессе лазерной резки лазерное излучение фокусируют на материал образца с помощью линзового или зеркального объектива. In the process of laser cutting, laser radiation is focused on the sample material using a lens or mirror lens.
Под действием сфокусированного в небольшое пятно излучения материал расплавляется, расплавленный материал выносится из образца с помощью соосной с лучом струи режущего газа, которая формируется соплом, срез которого находится на некотором расстоянии Δ от поверхности образца. Режущий газ может являться окислителем, в этом случае происходит реакция горения материала образца с выделением дополнительной энергии, а может являться инертным газом. Для увеличения производительности лазерной резки стремятся увеличить напорное давление в струе до давлений 10 и даже 20 атм. Напорное давление в струе режущего газа быстро падает с расстоянием от среза сопла. Практически для производительной и высококачественной резки необходимо поддерживать расстояние от среза сопла до поверхности материала с точностью ≈ 0,1 dсопла на расстоянии (0,2-0,5)dсопла.Under the action of radiation focused into a small spot, the material is melted, the molten material is removed from the sample by means of a cutting gas jet coaxial with the beam, which is formed by a nozzle, the cut of which is at a certain distance Δ from the surface of the sample. The cutting gas may be an oxidizing agent, in this case, the combustion of the sample material with the release of additional energy occurs, and may be an inert gas. To increase the productivity of laser cutting, they strive to increase the pressure head in the jet to pressures of 10 and even 20 atm. The pressure in the cutting gas stream drops rapidly with distance from the nozzle exit. In practice, for productive and high-quality cutting, it is necessary to maintain the distance from the nozzle exit to the surface of the material with an accuracy of ≈ 0.1 d nozzle at a distance of (0.2-0.5) d nozzle .
Известны контактные и бесконтактные способы и устройства стабилизации нужного расстояния между соплом и образцом. Known contact and non-contact methods and devices for stabilizing the desired distance between the nozzle and the sample.
Достоинство контактных способов и устройств в том, что они позволяют работать как с металлическими, так и неметаллическими материалами. Недостатками контактных способов является опасность соударения фокусирующей головки с образцом, особенно при наличии уже вырезанных в образце отверстий или выступов. Это приводит к разъюстировке фокусирующей головки и попаданию сфокусированного излучения на стенки сопла и вследствие этого к разрушению сопла. The advantage of contact methods and devices is that they allow you to work with both metallic and non-metallic materials. The disadvantages of the contact methods is the danger of the focusing head colliding with the sample, especially if there are already holes or protrusions in the sample. This leads to misalignment of the focusing head and hit of focused radiation on the walls of the nozzle and, as a result, to destruction of the nozzle.
Известен также способ измерения расстояния от сопла до поверхности детали путем измерения емкости между металлической деталью и металлическим изолированным соплом. При изменении искомого расстояния изменяется емкость зазора между соплом и деталью, вырабатывается сигнал, пропорциональный емкости, и по нему вырабатывается сигнал управления приводом, регулирующим это расстояние. Устройство, реализующее этот способ, является прототипом предлагаемого изобретения [1]. There is also a method of measuring the distance from the nozzle to the surface of the part by measuring the capacitance between the metal part and the metal insulated nozzle. When the desired distance changes, the gap capacitance between the nozzle and the part changes, a signal proportional to the capacitance is generated, and a drive control signal is generated from it that regulates this distance. A device that implements this method is a prototype of the invention [1].
Устройство - прототип включает в себя сопло, формирующее струю режущего газа соосно с сфокусированным лазерным лучом, причем сопло электрически изолировано с помощью диэлектрической втулки от корпуса объектива, а значит и от разрезаемого металлического образца, и измеритель емкости между соплом и металлическим образцом. Сигнал с измерителя емкости, обратно пропорциональный расстоянию между соплом и деталью, подается на устройство, управляющее приводом вертикального перемещения объектива. В результате поддерживается определенное заданное расстояние между соплом и обрабатываемым металлическим образцом. The prototype device includes a nozzle forming a jet of cutting gas coaxially with a focused laser beam, and the nozzle is electrically isolated from the lens housing by means of a dielectric sleeve, and hence from the metal sample being cut, and a capacitance meter between the nozzle and the metal sample. The signal from the capacitance meter, inversely proportional to the distance between the nozzle and the part, is fed to a device that controls the drive for vertical movement of the lens. As a result, a certain predetermined distance between the nozzle and the metal sample being processed is maintained.
Недостатками известного устройства является низкая помехозащищенность от брызг металла и плазмы приводящая к снижению точности слежения, а также невозможность работы с неметаллической деталью (пластик, стекло, дерево, керамика и т. д.). The disadvantages of the known device is the low noise immunity from splashes of metal and plasma, which leads to a decrease in tracking accuracy, as well as the inability to work with non-metallic parts (plastic, glass, wood, ceramics, etc.).
Задачей изобретения является повышение надежности отслеживания расстояния до поверхности детали при лазерной резке, в том числе и неметаллической. The objective of the invention is to increase the reliability of tracking the distance to the surface of the part during laser cutting, including non-metal.
Поставленная цель достигается тем, что измерение расстояния производится измерением скорости радиальной струи в зазоре между соплом и деталью. Скорость струи, в свою очередь, измеряется через разность полного и статического давления в радиальной струе, например, с помощью трубки Пито. This goal is achieved in that the distance is measured by measuring the speed of the radial jet in the gap between the nozzle and the part. The jet velocity, in turn, is measured through the difference between the total and static pressure in the radial jet, for example, using a Pitot tube.
Скорость струи можно оценить из выражения
где Δp - динамическое давление в струе, ρ - плотность газа в струе, C - константа, измеряемая в эксперименте.Jet velocity can be estimated from the expression
where Δp is the dynamic pressure in the jet, ρ is the density of the gas in the jet, C is the constant measured in the experiment.
Величина зазора h определяется из формулы
где V-полный расход газа в струе, r-координата точки измерения скорости (расстояние от оси сопла до места измерения). Для повышения достоверности измерения скорости и величины зазора необходимо измерения проводить на расстоянии от оси сопла, существенно превышающем величину измеряемого зазора, т.е. r >> h.The gap h is determined from the formula
where V is the total gas flow in the jet, the r-coordinate of the velocity measurement point (distance from the axis of the nozzle to the measurement location). To increase the reliability of measuring the speed and the size of the gap, it is necessary to carry out measurements at a distance from the axis of the nozzle significantly exceeding the size of the measured gap r >> h.
Согласно изобретению устройство для лазерной резки состоит (фиг. 1) из фокусирующего объектива, имеющего корпус 1, с одной стороны герметично закрытый линзой 2, а с другой стороны имеющий сопло 4, через которое истекает сжатый газ 6 на образец 5. При истекании осевой струи 6 она тормозится и, радиально разворачиваясь, превращается в радиально распространяющуюся струю 8. According to the invention, the laser cutting device consists (Fig. 1) of a focusing lens having a
При распространении в радиальном канале, образованном передней стенкой сопла 4 и поверхностью образца 5, скорость струи уменьшается при удалении от оси сопла. На пути радиальной струи 8 установлены датчики напорного 9 или статического давления 10. Разность полного и статического давления измеряется дифференциальным манометром 11. Датчики полного и статического давления могут быть объединены, например, в трубке Пито. When propagating in the radial channel formed by the front wall of the
При изменении сигнала дифференциального манометра 11 вырабатывается сигнал, управляющий приводом 13, в результате чего расстояние Δ между передней стенкой сопла 4 и поверхностью образца 5 поддерживается стабильным. Установка двух и более дифференциальных датчиков давления позволяет судить о наклоне поверхности детали (фиг. 2). Здесь 11 - диф. манометр, измеряющий расстояние, а 12 - диф. манометр, измеряющий наклон образца. When the signal of the
Пример: зазор h= 0,5 мм, режущий газ: воздух или азот, его давление 2 атм., расстояние до места измерения r=3 мм в этом случае
здесь r0=0,5 мм - радиус сопла; vзв - скорость звука;
измеряемый перепад Δp ≈ 10,5 мм рт.ст.Example: clearance h = 0.5 mm, cutting gas: air or nitrogen, its pressure is 2 atm., The distance to the measurement site is r = 3 mm in this case
here r 0 = 0.5 mm is the radius of the nozzle; v sv is the speed of sound;
measured difference Δp ≈ 10.5 mm Hg
В качестве варианта устройства возможно также такое, в котором происходит измерение разницы между статическими давлениями в радиальной струе (фиг. 3) на разных расстояниях от осевой линии, находящихся на одном диаметре. В этом случае отсутствуют выступающие в зазор детали и повышается надежность устройства, поскольку статическое давление можно измерить, измеряя давление в отверстии в стенке сопла, если одно из отверстий находится достаточно далеко от оси сопла, то скорость потока вблизи него мала и можно измерять просто разницу между статистическим давлением в радиальной струе и атмосферой, в этом случае устройство будет предельно простым, оно будет состоять из отверстия в передней поверхности сопла и дифференциального манометра (фиг.4). As a variant of the device, it is also possible that in which the difference between the static pressures in the radial stream (Fig. 3) is measured at different distances from the axial line located on the same diameter. In this case, there are no protruding parts in the gap and the reliability of the device increases, since the static pressure can be measured by measuring the pressure in the hole in the nozzle wall, if one of the holes is far enough from the nozzle axis, then the flow velocity near it is small and you can simply measure the difference between statistical pressure in the radial stream and the atmosphere, in this case the device will be extremely simple, it will consist of a hole in the front surface of the nozzle and a differential pressure gauge (figure 4).
Возможна также замена круглого отверстия кольцевым отверстием (каналом) (фиг. 5). Кольцевое отверстие, соосное с соплом, является датчиком статического давления. По сравнению с упомянутыми выше датчиками статического давления надежность кольцевого датчика значительно выше по отношению к загрязнению его каплями расплавленного металла или пыли. It is also possible to replace the round hole with an annular hole (channel) (Fig. 5). The annular hole coaxial with the nozzle is a static pressure sensor. Compared to the above-mentioned static pressure sensors, the reliability of the ring sensor is significantly higher with respect to contamination by drops of molten metal or dust.
Замена Г-образной трубки на кольцевую насадку на сопло также повышает надежность измерения полного давления от загрязнения каплями металла или пыли. Одновременное использование кольцевого отверстия (канала) и кольцевой насадки на сопло в качестве датчиков статического и полного давления позволяет при подключении их к дифференциальному манометру непосредственно измерять скоростной напор и определять скорость радиально-расширяющейся струи, а значит и судить о расстоянии между передней стенкой сопла и поверхностью обрабатываемой детали. Replacing the L-shaped tube with an annular nozzle on the nozzle also increases the reliability of measuring the total pressure from contamination with metal drops or dust. The simultaneous use of an annular hole (channel) and an annular nozzle on the nozzle as static and total pressure sensors allows you to directly measure the velocity head and determine the speed of a radially expanding jet when connecting them to a differential pressure gauge, and therefore judge the distance between the nozzle front wall and the surface the workpiece.
Для расширения функциональных возможностей устройства целесообразно его выполнить в виде 4-х секторов, в этом случае возможно отслеживание не только расстояния между соплом и деталью, но и направления наклона поверхности детали относительно оси луча. Для этого 2 дифференциальных манометра подключаются между противоположными секциями датчика. Знак и амплитуда сигнала указывают на величину угла между передней стенкой сопла и поверхностью детали. Величина зазора определяется сигналом от дополнительного дифференциального манометра, подсоединенного между соответствующими датчиками статического и полного давления. To expand the functionality of the device, it is advisable to perform it in the form of 4 sectors, in this case, it is possible to track not only the distance between the nozzle and the part, but also the direction of inclination of the surface of the part relative to the axis of the beam. To do this, 2 differential pressure gauges are connected between opposite sections of the sensor. The sign and amplitude of the signal indicate the angle between the front wall of the nozzle and the surface of the part. The gap is determined by the signal from an additional differential pressure gauge connected between the respective static and total pressure sensors.
Знание того, как наклонена поверхность детали в зоне реза, ориентировка оси объектива (оси луча) перпендикулярно поверхности обрабатываемой детали необходимы для качественной лазерной резки объемных конструкций, таких как трубы, короба, сферические и другие оболочки. Knowledge of how the surface of the part is tilted in the cutting zone, orientation of the lens axis (beam axis) perpendicular to the surface of the workpiece is necessary for high-quality laser cutting of bulk structures such as pipes, ducts, spherical and other shells.
Литература
1. M.Jagiella, G.Sporl, A.Topkaya. Lasermatic II - A new Developed Noncontact Capacitive Clearance Control System for Laser Cutting Machines. 10 Int. Congres "Lasers in engineering", Munich, 1991, p 238-244.Literature
1. M. Jagiella, G. Sporl, A. Topkaya. Lasermatic II - A new Developed Noncontact Capacitive Clearance Control System for Laser Cutting Machines. 10 Int. Congres "Lasers in engineering", Munich, 1991, p 238-244.
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97121913A RU2139783C1 (en) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Device for laser cutting |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97121913A RU2139783C1 (en) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Device for laser cutting |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU97121913A RU97121913A (en) | 1999-10-10 |
RU2139783C1 true RU2139783C1 (en) | 1999-10-20 |
Family
ID=20200683
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97121913A RU2139783C1 (en) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Device for laser cutting |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2139783C1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459690C1 (en) * | 2011-01-17 | 2012-08-27 | Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" | Method of metal sheet laser cutting |
RU2578885C2 (en) * | 2014-08-21 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Optical laser head |
RU2603737C2 (en) * | 2011-05-20 | 2016-11-27 | Снекма | Installation for fabricating part by selectively melting powder |
RU2607889C2 (en) * | 2011-05-16 | 2017-01-11 | Л'Эр Ликид, Сосьете Аноним Пур Л'Этюд Э Л'Эксплуатасьон Де Проседе Жорж Клод | Laser nozzle having moving element |
RU2624568C2 (en) * | 2015-10-02 | 2017-07-04 | Открытое акционерное общество "558 Авиационный ремонтный завод" | Method of laser material processing (versions) |
RU2732256C1 (en) * | 2019-03-27 | 2020-09-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method of laser welding of metals and device for implementation of method |
RU2751501C1 (en) * | 2020-08-11 | 2021-07-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Волоконно-Оптического и Лазерного Оборудования" | Method for underwater laser cutting of metal structures |
-
1997
- 1997-12-30 RU RU97121913A patent/RU2139783C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1. M.Jagiella, G.Sporl, A.Topkaya. Lasermatic II-A new Developed Noncontact Capacitive Clearanco Control System for Laser Cutting Machines. 10 Int. Congres "Lasers in ingenering", Munich, 1991, p.238-244. * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459690C1 (en) * | 2011-01-17 | 2012-08-27 | Открытое акционерное общество "Машиностроительный завод" | Method of metal sheet laser cutting |
RU2607889C2 (en) * | 2011-05-16 | 2017-01-11 | Л'Эр Ликид, Сосьете Аноним Пур Л'Этюд Э Л'Эксплуатасьон Де Проседе Жорж Клод | Laser nozzle having moving element |
RU2603737C2 (en) * | 2011-05-20 | 2016-11-27 | Снекма | Installation for fabricating part by selectively melting powder |
RU2578885C2 (en) * | 2014-08-21 | 2016-03-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Optical laser head |
RU2624568C2 (en) * | 2015-10-02 | 2017-07-04 | Открытое акционерное общество "558 Авиационный ремонтный завод" | Method of laser material processing (versions) |
RU2732256C1 (en) * | 2019-03-27 | 2020-09-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method of laser welding of metals and device for implementation of method |
RU2751501C1 (en) * | 2020-08-11 | 2021-07-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие Волоконно-Оптического и Лазерного Оборудования" | Method for underwater laser cutting of metal structures |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US3633010A (en) | Computer-aided laser-based measurement system | |
US5916460A (en) | Method and apparatus for dicing a substrate | |
KR101321453B1 (en) | Real time target topography tracking during laser processing | |
RU2139783C1 (en) | Device for laser cutting | |
US8263901B2 (en) | Method for laser micromachining | |
US7117741B2 (en) | Method and device for ultrasonic vibration detection during high-performance machining | |
US5955660A (en) | Method of controlling probe microscope | |
KR20030036773A (en) | Method and device for applying a solder to a substrate | |
US6419752B1 (en) | Structuring device for processing a substrate | |
JP2002310605A (en) | Sensor device for burr inspection | |
TW200805369A (en) | Electron beam recording apparatus | |
EP0252082A1 (en) | Laser apparatus | |
Elfurjani et al. | Micro-scale hole profile measurement using rotating wire probe and acoustic emission contact detection | |
RU97121913A (en) | DEVICE FOR LASER CUTTING | |
RU2205096C1 (en) | Method for keeping predetermined distance between nozzle and worked surface at laser working and apparatus for performing the same | |
GB2281393A (en) | Gas acoustic distance measuring probe | |
CN110167710B (en) | Laser tool with focus adjustment unit | |
Hedley et al. | Development of a workstation for optical testing and modification of IMEMS on a wafer | |
JPH0288152A (en) | Positioning device | |
JPH03198993A (en) | Laser beam machining nozzle | |
KR100376491B1 (en) | Nozzle head for laser material processing | |
JPH10202386A (en) | Laser beam machining nozzle | |
RU2112636C1 (en) | Method and apparatus for laser cutting | |
JPS6056494A (en) | Laser working device | |
JP2005249710A (en) | Shape-measuring machine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091231 |