RU2172233C2 - Method and apparatus for cutting materials by laser beam - Google Patents
Method and apparatus for cutting materials by laser beam Download PDFInfo
- Publication number
- RU2172233C2 RU2172233C2 RU99114386/02A RU99114386A RU2172233C2 RU 2172233 C2 RU2172233 C2 RU 2172233C2 RU 99114386/02 A RU99114386/02 A RU 99114386/02A RU 99114386 A RU99114386 A RU 99114386A RU 2172233 C2 RU2172233 C2 RU 2172233C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cut
- nozzle
- cutting
- laser beam
- along
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области резки материалов путем местного нагрева. The invention relates to the field of cutting materials by local heating.
Известно большое количество способов и устройств для резки лазерным лучом с использованием вспомогательного газа с применением разнообразных типов сопел для выдува этого газа в область воздействия лазерного луча или в зону его термического влияния. A large number of methods and devices are known for cutting with a laser beam using auxiliary gas using various types of nozzles for blowing this gas into the area of the laser beam or into the zone of its thermal influence.
Общим недостатком таких способов и устройств является:
либо сильное снижение скорости и качества резания и быстрое возрастание лазерной мощности при увеличении толщины разрезаемого материала [Fieret J., Terry M.J., Overview of flow dynamics in gas as sisted laser cutting. Proc. SPIE, vol. 801, 1987, p. 243],
либо невозможность проводить лазерную резку листов с шероховатой или неровной поверхностью [патент ЕР N 0615481, МКИ B 23 K 2/14], когда предусматривается использование в качестве вспомогательного газа кислород и когда основным условием реализации предлагаемого способа подвода газа является плотный контакт сопла с разрезаемой поверхностью для устранения возможности взаимодействия кислорода с атмосферным воздухом.A common disadvantage of such methods and devices is:
or a strong decrease in cutting speed and quality and a rapid increase in laser power with increasing thickness of the material being cut [Fieret J., Terry MJ, Overview of flow dynamics in gas as sisted laser cutting. Proc. SPIE, vol. 801, 1987, p. 243],
or the inability to perform laser cutting of sheets with a rough or uneven surface [patent EP N 0615481, MKI B 23
Из известных способов и предложенных для их реализации устройств подвода вспомогательного газа наиболее близкими по технической сути к предлагаемому ниже способу является изобретение по патенту ФРГ N 4407755, МКИ B 23 K 2/14. Of the known methods and the auxiliary gas supply devices proposed for their implementation, the closest in technical essence to the method proposed below is the invention according to the patent of Germany N 4407755, MKI B 23
В этом изобретении предлагается осуществлять подвод вспомогательного газа (в том числе воздуха) таким образом, чтобы между соплом и разрезаемой поверхностью имелся бы достаточно большой зазор, позволяющий разрезать неровные и шероховатые поверхности и чтобы над резом вдоль него создавалась бы область повышенного давления, начинающаяся от передней кромки реза и выходящая за пределы луча и зоны его термического влияния в направлении, противоположном направлению резания. При этом сопло для подачи вспомогательного газа имеет вытянутое вдоль реза выходное сечение с размером вдоль реза, равным 0.4 - 0.6 толщины обрабатываемого материала. Предложено два варианта устройств: одиночное сопло (когда лазерный луч проходит через сопло вблизи его передней кромки) и пара зеркально-симметричных сопел, расположенных под углом 15 - 30o к плоскости симметрии реза (когда лазерный луч проходит между соплами).In this invention, it is proposed to supply auxiliary gas (including air) in such a way that there is a sufficiently large gap between the nozzle and the surface to be cut, which makes it possible to cut uneven and roughened surfaces and that an area of increased pressure is created above the cut along it, starting from the front edges of the cut and extending beyond the beam and the zone of its thermal influence in the direction opposite to the cutting direction. In this case, the nozzle for supplying auxiliary gas has an outlet section elongated along the cut with a size along the cut equal to 0.4 - 0.6 of the thickness of the processed material. Two types of devices are proposed: a single nozzle (when the laser beam passes through the nozzle near its leading edge) and a pair of mirror-symmetric nozzles located at an angle of 15 - 30 o to the plane of symmetry of the cut (when the laser beam passes between the nozzles).
Недостатком такого способа и предложенных устройств является невозможность получения хорошего качества реза при толщинах разрезаемого материала, превышающих 35 - 40 мм, из-за плохой структуры течения, которая выражается в наличии областей с тормозящим градиентом давления в нижней части реза. Это происходит потому, что входящий в рез газ расширяется в сторону начала реза до давления ниже атмосферного, а затем тормозится перед выходом из реза в атмосферу. Такой характер течения при толщинах разрезаемого материала больших 35 - 40 мм и является причиной неблагоприятного характера изменения давления в нижней части реза, снижающего качество газолазерной резки материалов. К недостаткам устройства для реализации предложенного способа можно также отнести необходимость обеспечения прохода лазерного луча сквозь сопло или создание двух сопел, расположенных под углом друг к другу, чтобы луч мог проходить между ними. Все это не только усложняет конструкцию, но и ухудшает подвод высоконапорного газа к резу. The disadvantage of this method and the proposed devices is the impossibility of obtaining a good cut quality with thicknesses of the cut material exceeding 35 - 40 mm, due to the poor flow structure, which is expressed in the presence of areas with an inhibitory pressure gradient in the lower part of the cut. This is because the gas entering the cut expands toward the beginning of the cut to a pressure below atmospheric, and then slows down before exiting the cut into the atmosphere. Such a flow pattern at cut material thicknesses of large 35–40 mm is the reason for the adverse nature of the pressure change in the lower part of the cut, which reduces the quality of gas-laser cutting of materials. The disadvantages of the device for implementing the proposed method can also include the need to ensure the passage of the laser beam through the nozzle or the creation of two nozzles located at an angle to each other so that the beam can pass between them. All this not only complicates the design, but also worsens the supply of high-pressure gas to the cut.
Задачей данного изобретения является повышение качества резания при толщинах разрезаемого материала, превышающих 40 мм, и получение оптимальных параметров устройства, реализующего предложенный способ. The objective of the invention is to improve the quality of cutting with thicknesses of the cut material exceeding 40 mm, and obtain optimal parameters of the device that implements the proposed method.
Техническим результатом данного способа и реализующего его устройства является сдвигание области с тормозящим градиентом давления в нижней части реза за пределы 40 мм по глубине реза или полное его устранение по всей толщине разрезаемого материала. The technical result of this method and the device that implements it is to shift the area with the inhibitory pressure gradient in the lower part of the cut beyond 40 mm along the depth of the cut or to completely eliminate it throughout the thickness of the cut material.
Указанный технический результат достигается тем, что для резки материалов лазерным лучом используют вспомогательный газ, удаляющий из реза продукты разрушения, когда над резом имеется область повышенного давления, причем согласно изобретению вдуваемый в область повышенного давления газ имеет составляющую скорости, направленную вдоль реза в сторону его фронта. The specified technical result is achieved by the fact that for cutting materials with a laser beam, auxiliary gas is used to remove the destruction products from the cut when there is a high pressure region above the cut, and according to the invention, the gas injected into the high pressure region has a velocity component directed along the cut towards its front .
Указанный технический результат достигается и тем, что в устройстве для резки материалов лазерным лучом используют вспомогательный газ, проходящий через сопло, у которого для создания области повышенного давления над резом выходное сопло расположено параллельно поверхности обрабатываемого материала и вытянуто вдоль направления реза, а в выходном сечении сопла согласно изобретению имеются направляющие перегородки, расположенные под углом 45 - 60o к направлению фронта реза для получения составляющей скорости вспомогательного газа, направленной вдоль реза в сторону его фронта.The specified technical result is achieved by the fact that in the device for cutting materials with a laser beam, auxiliary gas is used passing through the nozzle, in which the output nozzle is parallel to the surface of the processed material and elongated along the direction of cut to create a region of increased pressure above the cut, and in the exit section of the nozzle according to the invention there are guide baffles located at an angle of 45-60 ° to the direction of the cutting front to obtain a component of the auxiliary gas velocity, for example avlennoy along the cut towards his front.
В результате этого на поверхности разрезаемого материала над резом образуется вытянутая область повышенного давления, имеющая составляющую скорости по направлению к фронту реза. Длина выходного сечения сопла вдоль реза должна составлять более 0.6 толщины обрабатываемого материала. Это дает возможность увеличить размер области повышенного давления над резом. As a result of this, an elongated region of increased pressure is formed above the cut on the surface of the material being cut, having a velocity component towards the cutting front. The length of the nozzle exit section along the cut should be more than 0.6 of the thickness of the processed material. This makes it possible to increase the size of the area of high pressure above the cut.
Целесообразно сопло располагать позади лазерного луча. Это позволяет упростить конструкцию и повысить эффективность предлагаемого способа. It is advisable to place the nozzle behind the laser beam. This allows us to simplify the design and increase the efficiency of the proposed method.
Предлагаемый способ и устройство для его реализации поясняется следующими чертежами:
фиг. 1 - схема расположения сопла, лазерного луча и разрезаемого материала;
фиг. 2 - пример распределения статического давления по фронту реза.The proposed method and device for its implementation is illustrated by the following drawings:
FIG. 1 is a diagram of an arrangement of a nozzle, a laser beam, and a cut material;
FIG. 2 is an example of the distribution of static pressure along the cutting front.
На фиг. 1 показана схема располагаемого за лазерным лучом (1) сопла (2) с направляющими перегородками (3), обеспечивающими горизонтальную составляющую скорости выдуваемого газа, направленную в сторону фронта реза (4) у разрезаемого листа (5). In FIG. 1 shows a diagram of a nozzle (2) located behind the laser beam (1) with guide baffles (3) providing a horizontal component of the velocity of the blown gas directed toward the cut front (4) near the cut sheet (5).
Над резом вдоль него создают область повышенного давления от передней кромки реза, вспомогательный газ вдувают в эту область таким образом, чтобы в зоне повышенного давления и во втекаемом в рез из этой зоны газе имелась бы составляющая скорости, направленная в сторону фронта реза. При этом входящий в рез газ прижимается к фронту реза, что препятствует его расширению в сторону начала реза, и ликвидируется область торможения перед выходом газа из реза в атмосферу. Как показали исследования, наличие составляющей скорости, направленной в сторону фронта реза, обеспечивает монотонное ускорение вспомогательного газа в области действия лазерного луча на большую или даже на всю глубину реза (а следовательно, и монотонное падение статического давления, при котором обеспечивается эффективный отвод расплава в виде стекающей вниз пленки). Above the cut along it, an area of increased pressure is created from the leading edge of the cut, auxiliary gas is blown into this region so that in the zone of increased pressure and in the gas flowing into the cut from this zone there would be a velocity component directed towards the front of the cut. In this case, the gas entering the cut is pressed against the front of the cut, which prevents its expansion towards the beginning of the cut, and the braking region is eliminated before the gas exits from the cut into the atmosphere. Studies have shown that the presence of a velocity component directed towards the cutting front provides monotonic acceleration of the auxiliary gas in the region of the laser beam to a large or even the entire depth of the cut (and, consequently, a monotonic drop in static pressure, which ensures effective removal of the melt in the form film falling down).
Для реализации предложенного способа большая ось выходного сечения сопла сориентирована вдоль реза и может быть прямой или иметь постоянную кривизну. Размер ее составляет более 0.6 от толщины разрезаемого материала. Размер малой оси должен превышать поперечный размер луча. Выходное сечение сопла приблизительно параллельно поверхности разрезаемого листа, что обеспечивает торможение струи над резом и создание требуемой области повышенного давления. Направление выдуваемой струи должно составлять угол α =45 - 60o к направлению лазерного луча. Расстояние s от фронта реза до переднего (по направлению резания) края сопла должно быть достаточным для прохода луча лазера и удовлетворять условию s<h•tgα (фиг. 1), где h - расстояние от выходного сечения сопла до поверхности разрезаемого материала.To implement the proposed method, the large axis of the exit section of the nozzle is oriented along the cut and can be straight or have constant curvature. Its size is more than 0.6 of the thickness of the material being cut. The size of the minor axis should exceed the transverse dimension of the beam. The output section of the nozzle is approximately parallel to the surface of the cut sheet, which ensures the deceleration of the jet over the cut and the creation of the desired region of high pressure. The direction of the blown jet should be an angle α = 45 - 60 o to the direction of the laser beam. The distance s from the cutting front to the front (along the cutting direction) nozzle edge should be sufficient for the laser beam to pass and satisfy the condition s <h • tgα (Fig. 1), where h is the distance from the nozzle exit section to the surface of the material being cut.
В сопло подается газ, который истекает из него в сторону обрабатываемого материала для создания области повышенного давления над резом. Благодаря направляющим перегородкам, расположенным под углом 45 - 60o к направлению лазерного луча, истекающий газ отклоняется в сторону фронта реза так, чтобы в создаваемой области повышенного давления он имел составляющую скорости, направленную к фронту реза. Чем больше угол наклона перегородок, тем большая составляющая скорости образуется, как показали эксперименты, при углах наклона не менее 45o способ позволяет обеспечить благоприятное распределение давления на толщине разрезаемого материала более 40 мм. Однако увеличение угла более 60o приводит к тому, что снижается давление в образуемой области повышенного давления газа, что уменьшает эффективность предложенного способа.Gas is supplied to the nozzle, which flows out of it towards the material to be processed to create an area of increased pressure above the cut. Due to the guide walls, located at an angle of 45-60 o to the direction of the laser beam, the outgoing gas is deflected towards the front of the cut so that in the created high pressure region it has a velocity component directed towards the front of the cut. The greater the angle of inclination of the partitions, the greater the velocity component is formed, as shown by experiments, with inclination angles of at least 45 o the method allows for a favorable pressure distribution over the thickness of the material being cut over 40 mm. However, an increase in the angle of more than 60 o leads to the fact that the pressure in the formed region of the increased gas pressure decreases, which reduces the effectiveness of the proposed method.
Увеличение длины сопла более 0.6 толщины разрезаемого материала увеличивает размер области повышенного давления над резом. Увеличение размеров такой области повышает эффективность предложенного метода. An increase in nozzle length over 0.6 of the thickness of the material being cut increases the size of the region of increased pressure above the cut. An increase in the size of such an area increases the efficiency of the proposed method.
Истечение газа из сопла под углом создает область повышенного давления не непосредственно под соплом, а несколько смещенную вперед по направлению к фронту реза, что позволяет лазерному лучу проходить впереди сопла. Это упрощает конструкцию, что в свою очередь повышает эффективность предложенного способа. The outflow of gas from the nozzle at an angle creates a high pressure region not directly below the nozzle, but slightly shifted forward towards the cutting front, which allows the laser beam to pass in front of the nozzle. This simplifies the design, which in turn increases the efficiency of the proposed method.
На фиг. 2 представлены результаты экспериментов по изучению течения в имитаторе реза сжатого воздуха, выдуваемого из сопла, выполненного по фиг. 1 (α = 45°, толщина разрезаемого листа H = 50 мм, длина выходного сечения сопла L = 40 мм, расстояние от фронта реза до переднего края сопла s = 3 мм, ширина сопла 3 мм). На фиг. 2 представлено изменение статического давления на фронте реза по глубине реза - даны зависимости P/PA=f(y/H), где P и PA - соответственно статическое давление на фронте реза на расстоянии y от поверхности разрезаемого листа и атмосферное давление. Зависимости P/PA=f(y/H) приведены для нескольких значений P0/PA, где P0 - полное давление выдуваемого газа. Видно, что статическое давление плавно падает по всей глубине реза, что доказывает эффективность предложенного метода.In FIG. 2 presents the results of experiments to study the flow in a simulator of a cut of compressed air blown from a nozzle made in FIG. 1 (α = 45 ° , the thickness of the cut sheet H = 50 mm, the length of the exit section of the nozzle L = 40 mm, the distance from the cutting front to the front edge of the nozzle s = 3 mm, the width of the
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99114386/02A RU2172233C2 (en) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | Method and apparatus for cutting materials by laser beam |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99114386/02A RU2172233C2 (en) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | Method and apparatus for cutting materials by laser beam |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99114386A RU99114386A (en) | 2001-04-27 |
RU2172233C2 true RU2172233C2 (en) | 2001-08-20 |
Family
ID=35364748
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99114386/02A RU2172233C2 (en) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | Method and apparatus for cutting materials by laser beam |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2172233C2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005110665A1 (en) * | 2004-05-18 | 2005-11-24 | Yuri Konstantinovich Nizienko | Method for material laser cutting |
WO2013029038A2 (en) * | 2011-08-25 | 2013-02-28 | Preco, Inc. | Method and apparatus for making a clean cut with a laser |
RU2496623C2 (en) * | 2008-01-24 | 2013-10-27 | Иаи Индастриал Системз Б.В. | Method and device for laser processing of moving substrate |
RU2537101C1 (en) * | 2013-08-08 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Precision laser-plasma chemical cutting of plates |
RU2641443C2 (en) * | 2016-07-01 | 2018-01-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Method of cutting billet, executed of magnesium or magnesium alloy |
RU2735153C1 (en) * | 2020-02-07 | 2020-10-28 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ | Device for laser cutting of materials with recuperation of removed heat energy |
RU225783U1 (en) * | 2023-10-27 | 2024-05-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Числовые программные технологии "Лиман" | DEVICE FOR AUTOMATICALLY CHANGING AIR PRESSURE DURING OPERATION OF CO2 LASER CNC MACHINE |
-
1999
- 1999-06-29 RU RU99114386/02A patent/RU2172233C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2005110665A1 (en) * | 2004-05-18 | 2005-11-24 | Yuri Konstantinovich Nizienko | Method for material laser cutting |
RU2496623C2 (en) * | 2008-01-24 | 2013-10-27 | Иаи Индастриал Системз Б.В. | Method and device for laser processing of moving substrate |
WO2013029038A2 (en) * | 2011-08-25 | 2013-02-28 | Preco, Inc. | Method and apparatus for making a clean cut with a laser |
WO2013029038A3 (en) * | 2011-08-25 | 2014-12-18 | Preco, Inc. | Method and apparatus for making a clean cut with a laser |
US9061304B2 (en) | 2011-08-25 | 2015-06-23 | Preco, Inc. | Method and apparatus for a clean cut with a laser |
RU2537101C1 (en) * | 2013-08-08 | 2014-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники Российской академии наук (ИСВЧПЭ РАН) | Precision laser-plasma chemical cutting of plates |
RU2641443C2 (en) * | 2016-07-01 | 2018-01-17 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Method of cutting billet, executed of magnesium or magnesium alloy |
RU2735153C1 (en) * | 2020-02-07 | 2020-10-28 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ | Device for laser cutting of materials with recuperation of removed heat energy |
RU225783U1 (en) * | 2023-10-27 | 2024-05-06 | Общество с ограниченной ответственностью "Числовые программные технологии "Лиман" | DEVICE FOR AUTOMATICALLY CHANGING AIR PRESSURE DURING OPERATION OF CO2 LASER CNC MACHINE |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Liu et al. | Overview on the development and critical issues of water jet guided laser machining technology | |
JP5384354B2 (en) | Laser processing method and system | |
US5728993A (en) | Laser cutting of materials with plural beams | |
US6812430B2 (en) | Glass cutting method and apparatus with controlled laser beam energy | |
JP6388986B2 (en) | Method of laser cutting using optimized gas dynamics | |
US10214441B2 (en) | Cutting device | |
US10407336B2 (en) | Method and apparatus for continuously cutting glass | |
RU2172233C2 (en) | Method and apparatus for cutting materials by laser beam | |
JP2000513318A (en) | Method and apparatus for cutting hollow glassware with a laser beam | |
KR102217968B1 (en) | Treatment machine for a flexible material web, in particular plastic film, which can be passed through a treatment furnace | |
RU2265507C2 (en) | Method for protecting laser working unit against dust and device for performing the same | |
US5640872A (en) | Process and device for cooling heated metal plates and strips | |
EP1481753B1 (en) | Reduced mist laser shock peening | |
WO2006006850A9 (en) | Laser cutting method and arrangement for performing said method | |
KR970001786B1 (en) | Linear water spray device for cooling sheet metal | |
JPH09165616A (en) | Apparatus for heat-treating metallic annealing material | |
EP2583790B1 (en) | Jet cutting device | |
RU99114386A (en) | METHOD AND DEVICE FOR CUTTING MATERIALS BY A LASER BEAM | |
JPH0453978B2 (en) | ||
JPS58157559A (en) | Removing device of cooling water from continuous casting ingot of beam blank type | |
JP3339818B2 (en) | Method and apparatus for removing scale in roller leveler | |
JPS59159260A (en) | Cooling method of mist and ejecting device of mist for cooling in continuous casting installation | |
KR100569739B1 (en) | Process for working a quartz glass component | |
KR100248371B1 (en) | Gas distribution manifold for metal scarfing apparatus | |
US6783605B2 (en) | High speed oxyacetylene cutting of a thick steel part and device therefor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20030630 |