RU2727392C1 - Optical head for laser cutting, welding - Google Patents

Optical head for laser cutting, welding Download PDF

Info

Publication number
RU2727392C1
RU2727392C1 RU2020102090A RU2020102090A RU2727392C1 RU 2727392 C1 RU2727392 C1 RU 2727392C1 RU 2020102090 A RU2020102090 A RU 2020102090A RU 2020102090 A RU2020102090 A RU 2020102090A RU 2727392 C1 RU2727392 C1 RU 2727392C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nozzle
optical head
welding
channel
laser
Prior art date
Application number
RU2020102090A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Люция Раисовна Хайруллина
Федор Кузьмич Смородин
Раис Идрисович Хайруллин
Сергей Усманович Сайфеев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2020102090A priority Critical patent/RU2727392C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2727392C1 publication Critical patent/RU2727392C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20Bonding
    • B23K26/21Bonding by welding
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/38Removing material by boring or cutting

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: optics; technological processes.SUBSTANCE: invention relates to an optical head for processing materials by a laser beam, specifically to laser welding and cutting processes. Optical head comprises outer fixed housing (1) and inner movable housing (3). Cylindrical nozzle (4) is attached to inner movable housing (3), which moves downwards or upwards depending on machining mode by means of mechanical or electric drive (5). Focusing lens (6) is installed in cylindrical nozzle (4). On side surface of cylindrical nozzle (4) there are through holes (7) located under focusing lens (6). Along outer cylindrical nozzle (4) outer contour there are annular plates (8) and (9) enveloping it along circumference. Circular plates (8) and (9) simultaneously cover channel (10) of active or protective gas channel (11) and accordingly open or close channel (11) of protective or channel (10) of active gases. Movement of annular plates (8) and (9) is fixed by limiting rings (15) until it stops.EFFECT: optical head for laser cutting and welding is proposed.5 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно к процессам лазерной сварки, резки, сверления отверстий.The invention relates to the field of processing materials with a laser beam, namely, to the processes of laser welding, cutting, drilling holes.

Известна оптическая головка для лазерной резки листового металла (патент RU №151792, МПК B23K 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.Known optical head for laser cutting of sheet metal (patent RU No. 151792, IPC B23K 26/38, published on 20.04.2015), in which the unit for moving the focusing system along the optical axis relative to the telescopic system is made in the form of two cylinders interconnected by a threaded connection of different diameter with the ability to move relative to each other along the optical axis, while the focusing system is installed on the side of the free end of the cylinder of a smaller diameter, and the telescopic system is installed on the side of the free end of the second cylinder of a larger diameter, and the unit for simultaneous movement along the optical axis of the focusing and telescopic systems is made in the form of a cylinder with a thread on the outer surface, while a thread is made on the inner surface of the optical head housing, corresponding to the thread of the specified cylinder, and the cylinder itself is rigidly fixed on the outer side of the cylinder with the focusing system of the unit for moving the focusing systems along the optical axis relative to the telescopic system.

Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность обработки материалов, имеет сложную конструкцию. Это приводит к потере времени, малой точности.However, the known device does not provide sufficient precision in material processing and has a complex structure. This leads to a loss of time, low accuracy.

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 устройства 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.Known optical head for laser processing (patent RU No. 34427, IPC B23K 26/00, B23K 26/02, B23K 26/03, published 10.12.2003). The optical head for laser processing contains a device for outputting laser radiation from an optical fiber, a rotatable interference mirror, a telescopic system consisting of a negative component and a positive component, a focusing system, a visual observation system including a video camera optically coupled with a rotary interference mirror with a focusing system, and a monitor ... To control radiation between the device for outputting laser radiation and the focusing system, one of the optical elements of the telescopic system (for example, an optical element) is installed with the ability to move along its optical axis. The radiation output device, rotary interference mirror, telescopic system, focusing system, visual observation system are located in a single housing.

Однако известное устройство не обеспечивает выполнение различных технологических операций (резки, сварки, сверления отверстий) и имеет сложную конструкцию.However, the known device does not provide for the implementation of various technological operations (cutting, welding, drilling holes) and has a complex structure.

Известна оптическая лазерная головка (патент RU №2578885, МПК B23K 26/14, опубликованный 27.03.2016), 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.Known optical laser head (patent RU No. 2578885, IPC B23K 26/14, published 03/27/2016), containing external and internal gas nozzles with channels for supplying active and protective gases, installed concentrically and with a gap, a focusing lens placed in the internal nozzle , and through holes made on the side surface of the inner nozzle. The inner nozzle is made like a Laval nozzle, and the focusing lens is placed in the inner nozzle to ensure that its cylindrical surface is located along the cylindrical surface of the inner nozzle with the ability to move along the axis, while the channel for supplying active gas to the inner nozzle is located between the focusing lens and the Laval nozzle, and the through holes in the inner nozzle are located above the lens. The optical laser head is equipped with locks with the ability to limit the movement of the focusing lens along the axis, located below the through holes and above the lower channel for supplying the process gas.

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.However, the known device does not provide sufficient accuracy of material processing due to piston movement of the nozzle, change of specialized optical heads for performing various technological operations (cutting, welding, drilling holes). This leads to loss of time, low accuracy and equipment downtime during its retooling.

Известна лазерная оптическая головка (патент RU №2641213, МПК B23K 26/14, опубликованный 16.01.2018), ближайшая по технической сущности и принятая за прототип, где внутренний подвижный корпус с соплом установлен в неподвижном наружном корпусе с возможностью перемещения посредством зубчатой передачи, выполненной в виде зубчатой рейки, установленной на внутреннем корпусе, и вала-шестерни, установленной на кронштейне, закрепленном на наружном неподвижном корпусе и связанным с электрическим приводом, причем в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостной датчик для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью, а на выходе сопла размещена съемная насадка с сужающе-расширяющимся каналом на выходе. Для обеспечения резки, сварки или пробивки отверстий металлов от 1 мм до 20 мм съемная насадка выполнена с диаметром в узком сечении 0,2±0,02 мм и с углом расширения 30°. Для обеспечения резки металлов от 20 мм до 40 мм съемная насадка выполнена с диаметром в узком сечении 0,5±0,02 мм и с углом расширения 15°.Known laser optical head (patent RU No. 2641213, IPC B23K 26/14, published on January 16, 2018), the closest in technical essence and taken as a prototype, where the inner movable body with a nozzle is installed in a stationary outer body with the ability to move by means of a gear transmission made in the form of a toothed rack mounted on the inner casing and a pinion shaft mounted on a bracket fixed on the outer stationary casing and connected to an electric drive, and a capacitive sensor is installed in the lower part of the outer stationary casing to install and control the size between the nozzle exit and the processed part, and at the nozzle outlet there is a removable nozzle with a converging-expanding channel at the outlet. To ensure cutting, welding or punching of metal holes from 1 mm to 20 mm, a removable nozzle is made with a narrow section diameter of 0.2 ± 0.02 mm and an expansion angle of 30 °. To ensure cutting of metals from 20 mm to 40 mm, a removable nozzle is made with a diameter in a narrow section of 0.5 ± 0.02 mm and an expansion angle of 15 °.

Однако для работы известного устройства требуется большее количество оборудования и обслуживающего персонала. Наличие электродвигателя для запуска перемещения внутреннего подвижного корпуса с внутренним соплом усложняет конструкцию лазерной головки, несколько увеличивает стоимость устройства и усложняет его эксплуатацию.However, the known device requires more equipment and maintenance personnel to operate. The presence of an electric motor for starting the movement of the inner movable body with an inner nozzle complicates the design of the laser head, somewhat increases the cost of the device and complicates its operation.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание оптической головки, для использования ее для лазерной резки, сварки, а также для сверления отверстий, при достижении высоких технологических показателей - минимальной ширины реза и шероховатости поверхности, а также минимальной зоны термического влияния.The technical problem to be solved by the claimed invention is the creation of an optical head, for using it for laser cutting, welding, as well as for drilling holes, when high technological indicators are achieved - the minimum cutting width and surface roughness, as well as the minimum heat-affected zone.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении точности обработки, уменьшении энергозатрат, упрощении оборудования, надежности конструкции, уменьшении времени на замену режимов между резкой и сваркой.The technical result, which the present invention is aimed at, is to increase the processing accuracy, reduce energy consumption, simplify equipment, design reliability, and reduce the time for changing modes between cutting and welding.

Технический результат достигается тем, что оптическая головка для лазерной резки, сварки, содержащая наружный неподвижный корпус с каналами для подвода активного или защитного газов, внутри которого концентрично и с зазором расположен внутренний подвижный корпус с соплом с возможностью перемещения вдоль оси, фокусирующая линза, установленная в сопле, на боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, расположенные под фокусирующей линзой, а на выходе сопла размещена съемная насадка, новым является то, что корпус сопла выполнен цилиндрическим, при этом по его высоте расположены две кольцевые пластины для перекрытия каналов подачи активного и защитного газов при его перемещении, на наружных торцевых поверхностях кольцевых пластин имеются уплотнительные манжеты с гладкой поверхностью, а между наружным неподвижным корпусом и внутреннем подвижным корпусом имеются ограничительные кольца.The technical result is achieved by the fact that an optical head for laser cutting, welding, containing an outer stationary body with channels for supplying active or shielding gases, inside of which an inner movable body with a nozzle is arranged concentrically and with a gap with the ability to move along an axis, a focusing lens installed in a nozzle, on the lateral surface of which through holes are made, located under the focusing lens, and a removable nozzle is placed at the nozzle outlet, the novelty is that the nozzle body is cylindrical, while along its height there are two annular plates to block the active and protective gas supply channels when moving, there are sealing collars with a smooth surface on the outer end surfaces of the annular plates, and there are limit rings between the outer stationary body and the inner movable body.

Съемная насадка выполнена сужающейся.The removable nozzle is made tapering.

Съемная насадка выполнена сужающе-расширяющейся.The detachable nozzle is made converging-expanding.

Манжеты выполнены уплотненной структуры с композитными подкладками, обеспечивающие оптимальное скольжение.Cuffs are made of a sealed structure with composite linings for optimal gliding.

В нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостный датчик для определения расстояния между срезом цилиндрического сопла и обрабатываемой деталью.A capacitive sensor is installed in the lower part of the outer stationary body to determine the distance between the cylindrical nozzle exit and the workpiece.

На фигуре 1 представлено продольное сечение оптической головки для лазерной резки, сварки в режиме резки и сверления отверстий.Figure 1 shows a longitudinal section of an optical head for laser cutting, welding in cutting mode and drilling holes.

На фиг. 2 представлено продольное сечение оптической головки для лазерной резки, сварки в режиме сварки.FIG. 2 shows a longitudinal section of an optical head for laser cutting, welding in welding mode.

На фиг. 3 - вид А фиг. 1.FIG. 3 - view And Fig. 1.

На фиг. 4 - разрез Б-Б фиг. 1.FIG. 4 - section b-b Fig. 1.

На фиг. 5 - вид Г фиг. 2.FIG. 5 - view D of FIG. 2.

На фиг. 6 - разрез В-В фиг. 1.FIG. 6 - section b-b of Fig. 1.

На фиг. 7 - увеличенный вид Д (фиг. 2) съемной насадки в режиме резки и сверления отверстий металлов толщиной от 1 мм до 40 мм.FIG. 7 is an enlarged view of D (Fig. 2) of a removable nozzle in the mode of cutting and drilling metal holes with a thickness of 1 mm to 40 mm.

На фиг. 8 представлен увеличенный вид Е (фиг. 1) съемной насадки в режиме сварки металлов толщиной от 1 мм до 10 мм.FIG. 8 shows an enlarged view E (Fig. 1) of a removable nozzle in the mode of welding metals with a thickness of 1 mm to 10 mm.

Оптическая головка для лазерной резки, сварки 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 соплом, корпус которого выполнен цилиндрическим (цилиндрическое сопло) 4 с возможностью перемещения вниз (фиг. 1) или вверх (фиг. 2) в зависимости от режима обработки с помощью механического или электрического привода 5 (фиг. 3). На фигуре 4 показан разрез Б-Б места расположения механического или электрического привода 5 для приведения в движение (фиг. 4). В цилиндрическом сопле 4 установлена фокусирующая линза 6 (фиг. 1 и фиг. 2). На боковой поверхности сопла 4 выполнены сквозные отверстия 7, расположенные под фокусирующей линзой 6 (фиг. 1 и фиг. 2). По высоте наружного контура наружного контура сопла 4 расположены кольцевые пластины 8 и 9, охватывающие его по окружности. Кольцевые пластины 8 и 9 расположены друг относительно друга таким образом, что они разделяют канал 10 подачи активного и канал 11 подачи защитного газов. Одновременно кольцевые пластины 8 и 9 перекрывают канал 10 активного или канал 11 защитного газов и соответственно открывают или закрывают канал 11 защитного или канал 10 активного газов при движении вверх (фиг. 2) и вниз (фиг. 1) поочередно соответственно.The optical head for laser cutting, welding contains an outer fixed body 1, which is equipped with a cover 2 (Fig. 1 and Fig. 2). Inside the outer stationary body 1 there is an inner movable body 3 with a nozzle, the body of which is cylindrical (cylindrical nozzle) 4 with the ability to move down (Fig. 1) or up (Fig. 2) depending on the processing mode using a mechanical or electric drive 5 (Fig. 3). Figure 4 shows a section BB of the location of the mechanical or electrical drive 5 for driving (Fig. 4). A focusing lens 6 (Fig. 1 and Fig. 2) is installed in the cylindrical nozzle 4. On the side surface of the nozzle 4 there are through holes 7 located under the focusing lens 6 (Fig. 1 and Fig. 2). Along the height of the outer contour of the outer contour of the nozzle 4, there are annular plates 8 and 9, covering it around the circumference. The annular plates 8 and 9 are located relative to each other in such a way that they separate the active gas supply channel 10 and the protective gas supply channel 11. At the same time, the annular plates 8 and 9 overlap the active gas channel 10 or the protective gas channel 11 and, respectively, open or close the protective gas channel 11 or the active gas channel 10 when moving upward (Fig. 2) and down (Fig. 1) alternately, respectively.

Во время резки или сверления отверстий внутренний подвижный корпус 3 с цилиндрическим соплом 4 и фокусирующей линзой 6 перемещается вниз для установления заданного (минимального) размера фокального пятна (фиг. 1), при этом кольцевая пластина 8 открывает канал 10 для подвода активного газа - кислорода, а кольцевая пластина 9 закрывает канал 11 для подвода защитного газа - азота, аргона или гелия. Образуется полость 12, в которую через канал 10 подается активный газ - кислород. В режиме резки или сверлении отверстий при нижнем положении цилиндрического сопла 4 оси сквозных отверстий 7 совпадают с осью канала 10 для подачи активного газа и эта ось становится перпендикулярной оси лазерного луча. При нижнем положении цилиндрического сопла 4 ось канала 10 для подачи активного газа перпендикулярна оси лазерного луча (фиг. 1). На режимах резки и сверлении отверстий к цилиндрическому соплу 4 крепится сужающе-расширяющаяся съемная насадка 16 (фиг. 1, 5), которая для резки металлов толщиной от 1 мм до 40 мм имеет диаметр в узком сечении 0,5±0,02 мм и угол расширения 15° (фиг. 7).During cutting or drilling holes, the inner movable body 3 with a cylindrical nozzle 4 and a focusing lens 6 moves downward to establish a predetermined (minimum) size of the focal spot (Fig. 1), while the annular plate 8 opens the channel 10 for supplying the active gas - oxygen, and the annular plate 9 closes the channel 11 for supplying a protective gas - nitrogen, argon or helium. A cavity 12 is formed, into which an active gas, oxygen, is supplied through channel 10. In the mode of cutting or drilling holes at the lower position of the cylindrical nozzle 4, the axes of the through holes 7 coincide with the axis of the channel 10 for supplying the active gas, and this axis becomes perpendicular to the axis of the laser beam. In the lower position of the cylindrical nozzle 4, the axis of the channel 10 for supplying the active gas is perpendicular to the axis of the laser beam (Fig. 1). In cutting modes and drilling holes, a converging-expanding removable nozzle 16 is attached to the cylindrical nozzle 4 (Figs. 1, 5), which for cutting metals with a thickness of 1 mm to 40 mm has a diameter in a narrow section of 0.5 ± 0.02 mm and expansion angle 15 ° (fig. 7).

В режиме сварки внутренний подвижный корпус 3 с цилиндрическим соплом 4 и фокусирующей линзой 6 перемещается вверх для установления заданного (максимального) размера фокального пятна (фиг. 2), при этом кольцевая пластина 9 открывает канал 11 для подвода защитного газа - азота, аргона или гелия, а кольцевая пластина 8 закрывает канал 10 для подвода активного газа - кислорода. Образуется полость 13, в которую через канал 11 подается защитный газ - азот, аргон или гелий. В режиме сварки к цилиндрическому соплу 4 крепится сужающаяся съемная насадка 17 (фиг. 2, 5), которая для сварки металлов толщиной от 1 мм до 10 мм имеет диаметр в узком сечении 1±0,02 мм (фиг. 8). Эта особенность при сварке дозвуковой скоростью позволит одновременно очищать место обработки металлов от шлаков и улучшать качество сварки, увеличивать прочность обрабатываемых деталей 19.In welding mode, the inner movable body 3 with a cylindrical nozzle 4 and a focusing lens 6 moves upward to establish a given (maximum) size of the focal spot (Fig. 2), while the annular plate 9 opens the channel 11 for supplying a protective gas - nitrogen, argon or helium , and the annular plate 8 closes the channel 10 for supplying the active gas - oxygen. A cavity 13 is formed, into which a protective gas - nitrogen, argon or helium - is supplied through channel 11. In the welding mode, a converging removable nozzle 17 is attached to the cylindrical nozzle 4 (Figs. 2, 5), which for welding metals with a thickness of 1 mm to 10 mm has a diameter in a narrow section of 1 ± 0.02 mm (Fig. 8). This feature during welding at subsonic speed will simultaneously cleanse the metal processing area from slags and improve the quality of welding, increase the strength of the workpieces 19.

На наружных торцевых поверхностях кольцевых пластин 8 и 9 вставлены манжеты 14 с гладкой поверхностью, с уплотненной структурой и с композитными подкладками, обеспечивающие оптимальное скольжение и плотно прилегающие к внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса 1. Манжеты 14 обеспечивают уплотнение кольцевых пластин 8 и 9 по внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса 1. Перемещение кольцевых пластин 8 и 9 фиксируется ограничительными кольцами 15 до упора (фиг. 6). Манжеты 14 обеспечивают герметичное перекрытие соответствующего канала 10 с активным или канала 11 с защитным газом, следовательно, происходит 100% подача активного или защитного газов в соответствующий канал.On the outer end surfaces of the annular plates 8 and 9, cuffs 14 with a smooth surface, with a sealed structure and with composite linings are inserted, providing optimal sliding and tightly fitting to the inner surface of the outer stationary body 1. Cuffs 14 ensure the seal of the annular plates 8 and 9 along the inner surface the outer stationary body 1. The movement of the annular plates 8 and 9 is fixed by the limit rings 15 to the stop (Fig. 6). The cuffs 14 provide a hermetic overlap of the corresponding channel 10 with the active or channel 11 with the protective gas, therefore, 100% of the active or protective gases are supplied to the corresponding channel.

На наружном неподвижным корпусе 1 жестко закреплен емкостный датчик 18 (фиг. 1 и фиг. 2) для определения расстояния между срезом цилиндрического сопла 4 и обрабатываемой деталью 19, который устанавливается на кронштейн 20 в нижней части наружного неподвижного корпуса 1, что обеспечивает работоспособность оптической головки. Для крепления съемной насадки 16 и 17 винтами диаметром 3 мм (фиг. 1) имеется отверстие под ключ 21 (фиг. 5). В зону лазерного реза 22 (фиг. 1) или сварного шва 23 (фиг. 2) через фокусирующую линзу 6 поступает лазерный луч.On the outer stationary body 1, a capacitive sensor 18 is rigidly fixed (Fig. 1 and Fig. 2) to determine the distance between the cut of the cylindrical nozzle 4 and the workpiece 19, which is mounted on the bracket 20 in the lower part of the outer stationary body 1, which ensures the operability of the optical head ... For fastening removable nozzles 16 and 17 with screws with a diameter of 3 mm (Fig. 1) there is a key hole 21 (Fig. 5). A laser beam enters the area of the laser cut 22 (Fig. 1) or weld 23 (Fig. 2) through the focusing lens 6.

Оптическая головка для лазерной резки, сварки работает следующим образом.Optical head for laser cutting, welding works as follows.

При резке и сверлении отверстий металлов толщиной от 1 мм до 40 мм в цилиндрическое сопло 4 устанавливают сужающе-расширяющуюся съемную насадку 16, в которой скорость течения струи газов сверхзвуковая, что позволит одновременно очищать место обработки материалов от шлаков и улучшать качество обработки. Для достижения наименьшего размера фокального пятна при выполнении режимов резки или сверления отверстий внутренний подвижный корпус 3 с цилиндрическим соплом 4 перемещают вниз механическим или электрическим приводом 5 до упора ограничительными кольцами 15, при этом ось канала 10, через который подают активный газ - кислород в полость 12 располагается перпендикулярно к оси лазерного луча и, следовательно, перпендикулярно оси цилиндрического сопла 4. Далее кислород проходит через сквозные отверстия 7 цилиндрического сопла 4 и вместе с лазерным лучом через фокусирующую линзу 6 поступает коаксиально лазерному лучу в зону лазерного реза 22 (фиг. 1). Кольцевая пластина 8 открывает канал 10 для подвода активного газа - кислорода (фиг. 1), а кольцевая пластина 9 закрывает канал 11 для подвода защитного газа - азота, аргона или гелия. Одновременно под действием избыточного давления в полости 12 наружного неподвижного корпуса 1, перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с цилиндрическим соплом 4 вниз происходит до тех пор, пока подвижный кронштейн 24, на котором закреплен подвижный корпус 3 (фиг. 1), не коснется ограничительного кольца 15, выполняющего роль упора. Сверхзвуковая струя, вдуваемая в зону лазерного реза 22 через сужающе-расширяющуюся насадку 16, удаляет образующийся расплав металла из узкого лазерного реза 22 (b=0,1-0,35 мм) с высокой эффективностью, что позволяет осуществлять режим резки металлов больших толщин до 40 мм с высокой скоростью резки, что приведет в целом к повышению производительности режима лазерной резки.When cutting and drilling holes in metals with a thickness of 1 mm to 40 mm, a converging-expanding removable nozzle 16 is installed in the cylindrical nozzle 4, in which the flow rate of the gas jet is supersonic, which will simultaneously clean the material processing site from slags and improve the processing quality. To achieve the smallest focal spot size when performing cutting or drilling modes, the inner movable body 3 with a cylindrical nozzle 4 is moved downward by a mechanical or electric drive 5 until it stops by restricting rings 15, while the axis of the channel 10 through which the active gas - oxygen is fed into the cavity 12 is located perpendicular to the axis of the laser beam and, therefore, perpendicular to the axis of the cylindrical nozzle 4. Next, oxygen passes through the through holes 7 of the cylindrical nozzle 4 and together with the laser beam through the focusing lens 6 enters the laser beam coaxially into the laser cut zone 22 (Fig. 1). The annular plate 8 opens the channel 10 for supplying the active gas - oxygen (Fig. 1), and the annular plate 9 closes the channel 11 for supplying the protective gas - nitrogen, argon or helium. At the same time, under the action of excess pressure in the cavity 12 of the outer stationary body 1, the movement of the inner movable body 3 with the cylindrical nozzle 4 downward occurs until the movable arm 24, on which the movable body 3 is fixed (Fig. 1), touches the limit ring 15 acting as a stop. A supersonic jet, blown into the laser cut zone 22 through a converging-expanding nozzle 16, removes the resulting metal melt from a narrow laser cut 22 (b = 0.1-0.35 mm) with high efficiency, which makes it possible to cut metals of large thicknesses up to 40mm with high cutting speed, which will generally improve the productivity of the laser cutting mode.

В режиме сверлении отверстий металлов от 1 мм до 40 мм процесс происходит аналогично режиму лазерной резки металлов от 1 мм до 40 мм, но при этом дополнительно необходима большая мощность лазерного излучения.In the mode of drilling metal holes from 1 mm to 40 mm, the process proceeds similarly to the mode of laser cutting of metals from 1 mm to 40 mm, but in addition, a high power of laser radiation is required.

При переходе на режим сварки необходимо заменять сужающе-расширяющуюся съемную насадку 16 на сужающуюся съемную насадку 17 для сварки металлов толщиной от 1 мм до 10 мм. Отведя оптическую головку на свободное место от обрабатываемой детали 19, оператор производит специальным инструментом смену сужающе-расширяющейся съемной насадки 16 на сужающуюся съемную насадку 17. Съемные насадки 16, 17 фиксируются на цилиндрическом сопле 4. Движение внутреннего подвижного корпуса 3 с цилиндрическим соплом 4 направляется вверх (фиг. 2) для достижения необходимого увеличенного размера фокального пятна, при этом кольцевая пластина 9 открывает канал 11 для подвода защитного газа - азота, аргона или гелия, а кольцевая пластина 8 закрывает канал 10 для подвода активного газа - кислорода. На обрабатываемую деталь 19 (фиг. 2) подается защитный газ - азот, аргон или гелий через канал 11 наружного неподвижного корпуса 1 (фиг. 2), который поступает в полость 13. Защитный газ подается одновременно с лазерным лучом в зону сварного шва 23 и защищает его от брызг и воздействия окружающей среды (фиг. 2). В режиме сварки металлов толщиной от 1 мм до 10 мм интенсивность лазерного луча устанавливается в зависимости от выполняемого режима.When switching to the welding mode, it is necessary to replace the converging-expanding removable nozzle 16 with a converging removable nozzle 17 for welding metals with a thickness of 1 mm to 10 mm. Removing the optical head to a free space from the workpiece 19, the operator makes a special tool to change the converging-expanding removable nozzle 16 to the converging removable nozzle 17. The removable nozzles 16, 17 are fixed on the cylindrical nozzle 4. The movement of the inner movable body 3 with the cylindrical nozzle 4 is directed upwards (Fig. 2) to achieve the required increased size of the focal spot, while the annular plate 9 opens the channel 11 for supplying a protective gas - nitrogen, argon or helium, and the annular plate 8 closes the channel 10 for supplying the active gas - oxygen. The workpiece 19 (Fig. 2) is supplied with a protective gas - nitrogen, argon or helium through the channel 11 of the outer stationary body 1 (Fig. 2), which enters the cavity 13. The shielding gas is supplied simultaneously with the laser beam to the weld zone 23 and protects it from splashes and environmental influences (Fig. 2). In the mode of welding metals with a thickness of 1 mm to 10 mm, the intensity of the laser beam is set depending on the mode being performed.

В результате экспериментов, проведенных в ПАО «КАИ-Лазер» были получены следующие показатели: шероховатость поверхности реза на титановых сплавах не выше 2…6 мкм, на нержавеющих и высоколегированных сталях не выше 10…28 мкм при ширине реза 0,1…0,35 мм, глубина зоны термического влияния не более 0,2 мм.As a result of experiments carried out at PJSC "KAI-Laser", the following indicators were obtained: the roughness of the cut surface on titanium alloys is not higher than 2 ... 6 microns, on stainless and high-alloy steels not higher than 10 ... 28 microns with a cut width of 0.1 ... 0, 35 mm, the depth of the heat-affected zone is not more than 0.2 mm.

Технологические характеристики «Оптической головки для лазерной резки, сварки»:Technological characteristics of "Optical head for laser cutting, welding":

Давление технологического газа, МПаProcess gas pressure, MPa до 2,5up to 2.5 Избыточное давление технологическогоProcess overpressure газа на фокусирующей оптике, МПаgas on focusing optics, MPa не более 0,02no more than 0.02 Мощность лазерного излучения, кВтLaser power, kW 0,1…300.1 ... 30 Апертурный угол лазерного излучения, °СAperture angle of laser radiation, ° С 2…302 ... 30 Экономия расхода технологического газа, %Saving process gas consumption,% до 70up to 70

Для сварки оптическая головка позволит обеспечить основные технологические показатели на оптимальном уровне: ширину сварного шва от 0,1 мм до 5 мм на металлах толщиной от 1 мм до 10 мм, зону термического влияния около сварного шва - от 0,015 мм до 0,15 мм.For welding, the optical head will provide the main technological indicators at the optimal level: the width of the weld seam is from 0.1 mm to 5 mm on metals with a thickness of 1 mm to 10 mm, the heat affected zone near the weld seam is from 0.015 mm to 0.15 mm.

Оптическая головка для лазерной резки, сварки позволит вести прецизионную сварку металлов толщиной от 1 мм до 10 мм, резку и сверление отверстий металлов толщиной от 1 мм до 40 мм с высокой производительностью, обеспечиваемой за счет изменения режимов в процессе обработки и смещением внутреннего подвижного корпуса 3 с цилиндрическим соплом 4 вверх или вниз до упора. Технологические газы (активный или защитные) в зону лазерного реза 22, сварки, сверления отверстий подают поочередно, в зависимости от требуемой операции.The optical head for laser cutting, welding will allow for precision welding of metals with a thickness of 1 mm to 10 mm, cutting and drilling of metal holes with a thickness of 1 mm to 40 mm with high productivity, provided by changing modes during processing and displacement of the inner movable body 3 with a cylindrical nozzle 4 up or down until it stops. Process gases (active or shielding) in the zone of laser cutting 22, welding, drilling holes are supplied alternately, depending on the required operation.

Предлагаемая оптическая головка универсальная, позволяет вести следующие режимы: лазерную резку, сварку и сверление отверстий и быстро переустанавливать заданные режимы, что уменьшает энергозатраты, а также обеспечивает качество лазерного реза, прочность и надежность сварного шва.The offered optical head is universal, it allows to carry out the following modes: laser cutting, welding and drilling of holes and to quickly reset the preset modes, which reduces energy consumption, and also ensures the quality of laser cut, strength and reliability of the weld.

Claims (5)

1. Оптическая головка для лазерной резки или сварки, содержащая наружный неподвижный корпус с каналами для подвода активного или защитного газов, внутри которого концентрично с зазором и с возможностью перемещения вдоль оси расположен внутренний подвижный корпус с соплом, фокусирующая линза, установленная в сопле, на боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, расположенные под фокусирующей линзой, а на выходе сопла размещена съемная насадка, отличающаяся тем, что корпус сопла выполнен цилиндрическим, при этом по его высоте расположены две кольцевые пластины для перекрытия каналов подачи активного и защитного газов при перемещении, при этом на наружных торцевых поверхностях кольцевых пластин имеются уплотнительные манжеты с гладкой поверхностью, а между наружным неподвижным корпусом и внутренним подвижным корпусом имеются ограничительные кольца.1. An optical head for laser cutting or welding, containing an outer stationary housing with channels for supplying active or shielding gases, inside which an inner movable body with a nozzle is located concentrically with a gap and with the possibility of movement along the axis, a focusing lens installed in the nozzle on the side the surface of which there are through holes located under the focusing lens, and a removable nozzle is located at the nozzle outlet, characterized in that the nozzle body is cylindrical, while along its height there are two annular plates to block the active and protective gas supply channels during movement, while on the outer end surfaces of the annular plates there are sealing collars with a smooth surface, and there are limit rings between the outer stationary body and the inner movable body. 2. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что съемная насадка выполнена сужающейся.2. The optical head of claim. 1, characterized in that the removable nozzle is made tapering. 3. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что съемная насадка выполнена сужающе-расширяющейся.3. Optical head according to claim 1, characterized in that the detachable attachment is converging-expanding. 4. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что манжеты выполнены уплотненной структуры с композитными подкладками, обеспечивающими оптимальное скольжение.4. Optical head according to claim. 1, characterized in that the cuffs are made of a sealed structure with composite linings that provide optimal gliding. 5. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостный датчик для определения расстояния между срезом цилиндрического сопла и обрабатываемой деталью.5. An optical head according to claim 1, characterized in that a capacitive sensor is installed in the lower part of the outer fixed body to determine the distance between the cylindrical nozzle cut and the workpiece.
RU2020102090A 2019-07-02 2019-07-02 Optical head for laser cutting, welding RU2727392C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020102090A RU2727392C1 (en) 2019-07-02 2019-07-02 Optical head for laser cutting, welding

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020102090A RU2727392C1 (en) 2019-07-02 2019-07-02 Optical head for laser cutting, welding

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2727392C1 true RU2727392C1 (en) 2020-07-21

Family

ID=71741465

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020102090A RU2727392C1 (en) 2019-07-02 2019-07-02 Optical head for laser cutting, welding

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2727392C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2753066C1 (en) * 2021-01-14 2021-08-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Optical head for laser cutting

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2191434A (en) * 1985-05-09 1987-12-16 Aga Ab Methods of cutting metallic workpieces by laser
DE4016181A1 (en) * 1990-05-19 1991-11-21 Linde Ag METHOD AND DEVICE FOR LASER JET FLAME CUTTING
RU1787321C (en) * 1990-07-26 1994-07-15 Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей Method of and device for laser cutting
RU2111100C1 (en) * 1997-03-18 1998-05-20 Акционерное общество закрытого типа "Технолазер" Optical focusing system with non-coaxial focusing optics
RU2641213C2 (en) * 2016-06-09 2018-01-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Laser optic head

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2191434A (en) * 1985-05-09 1987-12-16 Aga Ab Methods of cutting metallic workpieces by laser
US4724297A (en) * 1985-05-09 1988-02-09 Aga Aktiebolag Methods in the laser cutting of metallic workpieces
DE4016181A1 (en) * 1990-05-19 1991-11-21 Linde Ag METHOD AND DEVICE FOR LASER JET FLAME CUTTING
RU1787321C (en) * 1990-07-26 1994-07-15 Научно-исследовательский институт технологии и организации производства двигателей Method of and device for laser cutting
RU2111100C1 (en) * 1997-03-18 1998-05-20 Акционерное общество закрытого типа "Технолазер" Optical focusing system with non-coaxial focusing optics
RU2641213C2 (en) * 2016-06-09 2018-01-16 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Laser optic head

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2753066C1 (en) * 2021-01-14 2021-08-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" Optical head for laser cutting

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2641213C2 (en) Laser optic head
JP2001219269A (en) Device and method for submerged working
CA2546586C (en) Orbital welding device for pipeline construction
US4223202A (en) Apparatus and method for welding boat subassemblies utilizing laser radiation
JP6205064B2 (en) Laser welding apparatus and laser welding method
CN103737176A (en) Hybrid welding method and hybrid welding equipment for laser electromagnetic pulse
CN105880833A (en) Laser wire-filling welding method for nuclear main pump shield sleeve
CN103769746A (en) Pulsed high magnetic field auxiliary laser welding method and device
RU2646515C1 (en) Universal laser optic head
RU2727392C1 (en) Optical head for laser cutting, welding
JP2010207877A (en) Welding apparatus and soldering apparatus
CN105479183A (en) High-speed milling-laser cutting/welding composite machining process and reconfigurable multi-axis numerical control machining system thereof
CN103212866B (en) A kind of femtosecond laser of Laser Processing intravascular stent
RU2753066C1 (en) Optical head for laser cutting
RU191258U1 (en) Laser optical head
RU180185U1 (en) Laser optical head
CN110548995A (en) Multifunctional laser micro-carving texture processing equipment
JP4252279B2 (en) Punch / laser compound machine
RU2615428C1 (en) Machine for laser-arc welding of parts
RU2732256C1 (en) Method of laser welding of metals and device for implementation of method
CN110328455B (en) Square tube cutting workstation
CN210498812U (en) Multifunctional laser micro-carving texture processing equipment
RU193933U1 (en) Laser head for welding inner circumferential seams of products
RU193110U1 (en) Automatic installation for 3D printing of metal products of complex shape
RU2715930C1 (en) Method of laser welding of vacuum-tight annular, spiral and rectilinear seams of metal parts and device for its implementation