RU2753066C1 - Optical head for laser cutting - Google Patents

Optical head for laser cutting Download PDF

Info

Publication number
RU2753066C1
RU2753066C1 RU2021100663A RU2021100663A RU2753066C1 RU 2753066 C1 RU2753066 C1 RU 2753066C1 RU 2021100663 A RU2021100663 A RU 2021100663A RU 2021100663 A RU2021100663 A RU 2021100663A RU 2753066 C1 RU2753066 C1 RU 2753066C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nozzle
optical head
inner movable
laser
movable body
Prior art date
Application number
RU2021100663A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Люция Раисовна Хайруллина
Федор Кузьмич Смородин
Раис Идрисович Хайруллин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - 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" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ"
Priority to RU2021100663A priority Critical patent/RU2753066C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2753066C1 publication Critical patent/RU2753066C1/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
    • B23K26/36Removing 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: processing materials.
SUBSTANCE: invention relates to the field of processing materials with a laser beam, and in particular to an optical head for laser cutting. The optical head contains an outer fixed body (1) and an inner movable body (3). A focusing lens (5) is rigidly fixed on the inner movable body, ensuring that its cylindrical surface is based on the cylindrical surface of the inner movable body (3). The nozzle (6) body is rigidly fixed to the inner surface of the outer stationary body (1), a sealed closed cavity (10) is formed between the nozzle (6) body and the outer stationary body (1), communicated with the active gas supply channel (9) and through holes (8) in the nozzle (6) body. The closed cavity (10) is formed by an annular plate (7) that encloses the nozzle (6) body around the circumference, and the nozzle (6) protrusion. The nozzle (6) body is cylindrical. A capacitive sensor (17) is installed in the lower part of the outer stationary body (1) to determine the distance between the nozzle (6) exit and the cut metal (18). The removable nozzle (17) is made narrowing-expanding.
EFFECT: optical head provides a minimum cutting width and minimum surface roughness, as well as a minimum heat-affected zone by setting the focal length and, accordingly, the diameter of the focal spot, depending on the thickness of the metal being cut.
4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки материалов лазерным лучом, а именно к лазерной резке и сверлению отверстий.The invention relates to the field of processing materials with a laser beam, namely, laser cutting and 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. Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность обработки материалов, имеет сложную конструкцию.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 on the inner surface of the optical head housing there is a thread 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. However, the known device does not provide sufficient precision in material processing and has a complex structure.

Известна оптическая головка для лазерной обработки (патент RU № 34427, МПК B23K26/00, B23K26/02, B23K26/03, опубликованный 10.12.2003). содержащий устройство 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 сопряжённую поворотным интерференционным зеркалом с фокусирующей системой, и монитор. Для управления излучением между устройством вывода лазерного излучения и фокусирующей системой один из оптических элементов телескопической системы (например, оптический элемент) установлен с возможностью перемещения вдоль её оптической оси. Устройство вывода излучения, поворотное интерференционное зеркало, телескопическая система, фокусирующая система, система визуального наблюдения расположены в едином корпусе. Однако известное устройство имеет сложную конструкцию. Known optical head for laser processing (patent RU No. 34427, IPC B23K26 / 00, B23K26 / 02, B23K26 / 03, published 10.12.2003). containing a device for outputting laser radiation from an optical fiber, a rotary 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 the 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. However, the known device has a complex structure.

Известна оптическая лазерная головка (патент RU № 2578885, МПК B23K26/14, 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. Однако известное устройство не обеспечивает достаточную точность обработки материалов за счёт 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.Known optical laser head (patent RU No. 2578885, IPC B23K26 / 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 formed 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 with the provision of basing its cylindrical surface along the cylindrical surface of the inner nozzle with the ability to move along the axis, while the channel for supplying the 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. However, the known device does not provide sufficient accuracy in 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 a 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), патентообладатель КНИТУ-КАИ, 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, закреплённом на наружном неподвижном корпусе и связанным с электрическим приводом, причём в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен ёмкостной датчик для установки и контроля размера между срезом сопла и обрабатываемой деталью, а на выходе сопла размещена съёмная насадка с сужающе-расширяющимся каналом на выходе. Однако лазерная оптическая головка выполняет три операции на одной головке. При этом не обеспечивает достаточную точность лазерной обработки при смене операций обработки (резки, сварки, пробивки отверстий), сложность контроля при смене операций.Known laser optical head (patent RU No. 2641213, IPC B23K 26/14, published on January 16, 2018), patent holder KNITU-KAI, where the inner movable body with a nozzle is installed in a fixed 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 for setting and controlling the size between the nozzle exit and the workpiece, and on at the nozzle outlet there is a removable nozzle with a converging-expanding channel at the outlet. However, the laser optical head performs three operations on one head. At the same time, it does not provide sufficient accuracy of laser processing when changing processing operations (cutting, welding, punching holes), the complexity of control when changing operations.

Известна лазерная оптическая головка (патент RU № 2727392, МПК B23K 26/14, опубликованный 16.01.2018), патентообладатель КНИТУ-КАИ, ближайшая по технической сущности и принятая за прототип, где 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, съемная насадка выполнена сужающейся, съемная насадка выполнена сужающе-расширяющейся, манжеты выполнены уплотненной структуры с композитными подкладками, обеспечивающими оптимальное скольжение, в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен емкостный датчик для определения расстояния между срезом цилиндрического сопла и обрабатываемой деталью. Однако лазерная оптическая головка не обеспечивает достаточную точность в пределах заданной глубины и не обеспечивает достаточную глубину лазерного реза. Known laser optical head (patent RU No. 2727392, IPC B23K 26/14, published on January 16, 2018), patent holder KNITU-KAI, the closest in technical essence and taken as a prototype, where the nozzle body is cylindrical, with two annular plates for overlapping channels for supplying active and protective gases during movement, while on the outer end surfaces of the annular plates there are sealing cuffs with a smooth surface, and between the outer stationary body and the inner movable body there are restraining rings, the removable nozzle is made tapering, the removable nozzle is made narrowing expanding, the cuffs are made of a compacted structure with composite linings that ensure optimal sliding, a capacitive sensor is installed in the lower part of the outer stationary body to determine the distance between the cylindrical nozzle cut and the workpiece. However, the laser optical head does not provide sufficient accuracy within the target depth and does not provide sufficient laser cut depth.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание оптической головки для использования её при лазерной резке и сверлении отверстий с высокими технологическими показателями.The technical problem to be solved by the claimed invention is the creation of an optical head for use in laser cutting and drilling of holes with high technological performance.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении чистоты и точности обработки, увеличении глубины лазерного реза за счет регулирования диаметра фокального пятна, уменьшении энергозатрат, упрощении оборудования, повышении надёжности конструкции.The technical result to be achieved by the present invention is to increase the purity and accuracy of processing, increase the depth of the laser cut by adjusting the diameter of the focal spot, reduce energy consumption, simplify equipment, and increase the reliability of the structure.

Технический результат достигается тем, что в оптической головке для лазерной резки, содержащей наружный неподвижный корпус с каналом для подвода активного газа, внутри неподвижного корпуса концентрично и с зазором расположен внутренний подвижный корпус, фокусирующую линзу, сопло, на боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, а на его выходе размещена съёмная насадка, новым является то, что фокусирующая линза жёстко закреплена во внутреннем подвижном корпусе с обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего подвижного корпуса, корпус сопла жестко закреплён к внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса, между корпусом сопла и наружным неподвижным корпусом образована герметичная замкнутая полость, сообщённая с каналом подачи активного газа и сквозными отверстиями в сопле.The technical result is achieved by the fact that in the optical head for laser cutting, containing an outer stationary body with a channel for supplying an active gas, inside the stationary body concentrically and with a gap there is an inner movable body, a focusing lens, a nozzle, on the side surface of which through holes are made, and at its exit there is a removable attachment, new is that the focusing lens is rigidly fixed in the inner movable body with the provision of basing its cylindrical surface on the cylindrical surface of the inner movable body, the nozzle body is rigidly fixed to the inner surface of the outer stationary body,Between the nozzle body and the outer stationary body, a sealed closed cavity is formed, connected with the active gas supply channel and through holes in the nozzle.

Корпус сопла выполнен цилиндрическим.The nozzle body is cylindrical.

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

Съёмная насадка выполнена сужающе-расширяющейся.The detachable nozzle is made of narrowing-expanding.

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

На фигуре 2 представлен вид А (фиг. 1).Figure 2 shows view A (Figure 1).

На фигуре 3 представлен увеличенный вид позиции 15 (фиг. 1) съёмной насадки.Figure 3 shows an enlarged view of position 15 (Fig. 1) of the removable nozzle.

На фигуре 4 представлена фотография образца дюралюминиевого сплава Д16 толщиной 3,5 мм с параметрами импульсной лазерной резки мощностью лазерного излучения P= 4000 Вт, скоростью резки Vc = 0,05 м/с, частотой импульсов n = 5000 Гц, длительностью импульса τи = 60 мс, длительностью паузы τп = 40 мс, заглублением фокального пятно в материал ∆f = -1,5 мм, расстоянием от среза сопла до поверхности металла s = 0,5 мм, давлением технологического газа – воздуха p = 1,5 МПа, где показан переход от зоны термического влияния к основному металлу после импульсной лазерной резки.Figure 4 shows a photograph of a sample of duralumin alloy D16 with a thickness of 3.5 mm with parameters of pulsed laser cutting with laser power P = 4000 W, cutting speed Vc = 0.05 m / s, pulse frequency n = 5000 Hz, pulse duration τi = 60 ms, pause duration τp = 40 ms, deepening of the focal spot into the material ∆f = -1.5 mm, distance from the nozzle exit to the metal surface s = 0.5 mm, process gas pressure - air p = 1.5 MPa, where shows the transition from the heat-affected zone to the base metal after pulsed laser cutting.

Оптическая головка для лазерной резки содержит наружный неподвижный корпус 1, который снабжён крышкой 2 (фиг.1). Внутри наружного неподвижного корпуса 1 расположен внутренний подвижный корпус 3 с возможностью перемещения (фиг. 1) с помощью механического или электрического привода 4 (фиг. 1). Фокусирующая линза 5 жёстко закреплена во внутреннем подвижном корпусе 3 с обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего подвижного корпуса 3. К внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса 1 жёстко закреплён корпус сопла 6, выполненный цилиндрическим. Корпус сопла 6 жёстко закреплен либо посредством сварки, либо выполнен как целое изделие. На боковой поверхности корпуса сопла 6 выполнены сквозные отверстия 8 (фиг. 1). В неподвижном корпусе 1 выполнен канал 9 для подачи активного газа - кислорода в замкнутую полость 10. Замкнутая полость 10, образованная кольцевой пластиной 7, расположенной ниже канала 9, и выступом корпуса сопла 6 сообщена с каналом 9 подачи кислорода и сквозными отверстиями 8. Замкнутая полость 10 выполнена герметичной и снабжена уплотнительными манжетами 11 для плотного прилегания к внутренней стенке наружного неподвижного корпуса 1, которая защищает от попадания кислорода в зону лазерного реза 12. В режиме резки или сверлении отверстий оси сквозных отверстий 8 перпендикулярны оси лазерного луча. На концах выступов внутреннего подвижного корпуса 3 вставлены скользящие манжеты 13 с уплотнённой структурой и с композитными уплотнёнными прокладками, обеспечивающие плотное прилегание к внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса 1 и плавное перемещение внутреннего подвижного корпуса 3.The optical head for laser cutting contains an external stationary body 1, which is equipped with a cover 2 (figure 1). Inside the outer stationary body 1 there is an inner movable body 3 with the ability to move (Fig. 1) using a mechanical or electrical drive 4 (Fig. 1). Focusing lens 5 is rigidly fixed in the inner movable housing 3 with the provision of basing its cylindrical surface along the cylindrical surface of the inner movable body 3. To the inner surface of the outer stationary body 1, the nozzle body 6, made cylindrical, is rigidly fixed. The body of the nozzle 6 is rigidly fixed either by welding, or made as a whole product. Through holes 8 are made on the side surface of the nozzle body 6 (Fig. 1). The stationary body 1 has a channel 9 for supplying an active gas - oxygen into a closed cavity 10. Closed cavity 10, formed by an annular plate 7 located below the channel 9, and the protrusion of the nozzle body 6 communicates with the oxygen supply channel 9 and through holes 8. Closed cavity 10 is made sealed and equipped with sealing collars 11 for snug fit to the inner wall of the outer stationary body 1, which protects against oxygen ingress into the laser cut zone 12. In the cutting or drilling mode, the axes of the through holes 8 are perpendicular to the axis of the laser beam. At the ends of the protrusions of the inner movable body 3, sliding cuffs 13 with a sealed structure and composite sealed gaskets are inserted, providing a snug fit to the inner surface of the outer stationary body 1 and smooth movement of the inner movable body 3.

На фигуре 1 представлено положение внутреннего подвижного корпуса 3 при минимальном фокусном расстоянии до разрезаемого металла 18, соответствующее максимальной толщине разрезаемого металла 18 до 40 мм. Уплотнительные манжеты 11 обеспечивают герметичность замкнутой полости 10, следовательно, происходит 100% подача активного газа из канала 9 в замкнутую полость 10 и в сквозные отверстия 8 соответственно.Figure 1 shows the position of the inner movable body 3 at a minimum focal distance to the cut metal 18, corresponding to the maximum thickness of the cut metal 18 to 40 mm. The sealing collars 11 ensure the tightness of the closed cavity 10, therefore, there is 100% supply of active gas from the channel 9 to the closed cavity 10 and to the through holes 8, respectively.

Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 фиксируется ограничительными кольцами 14 до упора (фиг. 1). The movement of the inner movable body 3 is fixed by the stop rings 14 to the stop (Fig. 1).

Во время резки или сверления отверстий перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 с фокусирующей линзой 5 регулирует фокусное расстояние и, соответственно, заданный диаметр фокального пятна (фиг. 1). В замкнутую полость 10 через канал 9 подаётся активный газ – кислород. На режимах резки и сверлении отверстий к корпусу сопла 6 крепится сужающе-расширяющаяся съёмная насадка 15 (фиг. 1), 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). На фигуре 2 показан увеличенный вид А (фиг. 1) сужающе-расширяющейся съёмной насадки 15 в режиме резки и сверления отверстий металлов толщиной от 1 мм до 40 мм. Для крепления сужающе-расширяющейся съёмной насадки 15 винтами метрической резьбой М2 мм (фиг.1) имеется отверстие под ключ 16 (фиг. 5). В зону лазерного реза 12 (фиг. 1) через фокусирующую линзу 5, корпус сопла 6 и съёмную насадку 15 поступает лазерный луч вместе с кислородом.During cutting or drilling holes, the movement of the inner movable body 3 with the focusing lens 5 adjusts the focal length and, accordingly, the set the diameter of the focal spot (Fig. 1). Active gas, oxygen, is supplied to the closed cavity 10 through channel 9. In cutting modes and drilling holes, a converging-expanding removable nozzle 15 is attached to the nozzle body 6 (Fig. 1), 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 an expansion angle 15 ° (Fig. 7). Figure 2 shows an enlarged view A (Fig. 1) of a converging-expanding removable nozzle 15 in the mode of cutting and drilling metal holes with a thickness of 1 mm to 40 mm. For fastening the converting-expanding removable nozzle with 15 metric screws M2 mm (Fig. 1) there is a key hole 16 (Fig. 5). In the area of the laser cut 12 (Fig. 1) through the focusing lens 5, the nozzle body 6 and the removable nozzle 15, a laser beam enters with oxygen.

На наружном неподвижным корпусе 1 жёстко закреплён ёмкостный датчик 17 (фиг.1) для определения расстояния между срезом сопла 6 и разрезаемым металлом 18, который устанавливается на кронштейн 19 в нижней части наружного неподвижного корпуса 1, что обеспечивает работоспособность оптической головки. On the outer stationary body 1, a capacitive sensor 17 is rigidly fixed (Fig. 1) to determine the distance between the nozzle 6 and the cut metal 18, which is mounted on the bracket 19 in the lower part of the outer stationary body 1, which ensures the operability of the optical head .

На фигуре 4 показана структура бездефектного перехода от зоны термического влияния импульсного лазерного реза к основному металлу. Образец показывает равномерную дендритную структуру без трещин, без межкристаллических включений, без царапин, без наплывов. Минимальная ширина зоны термического влияния указывает на оптимально подобранные параметры импульсной резки. Режим импульсной резки является оптимальным как подтверждение технического результата.Figure 4 shows the structure of a defect-free transition from the heat-affected zone of a pulsed laser cut to the base metal. The sample shows a uniform dendritic structure without cracks, no intercrystalline inclusions, no scratches, no sagging. The minimum width of the heat-affected zone indicates the optimal parameters for pulse cutting. The impulse cutting mode is optimal as a confirmation of the technical result.

Оптическая головка для лазерной резки работает следующим образом.The optical head for laser cutting works as follows.

При резке металлов толщиной от 1 мм до 40 мм устанавливают фокусное расстояние и диаметр фокального пятна в зависимости от толщины разрезаемого металла 18 и от типа металла перемещением внутреннего подвижного корпуса 3 с фокусирующей линзой 5. Для толщин деталей от 5 мм до 40 мм соответствует минимальное фокусное расстояние, которое определяется экспериментальным методом (фиг. 1). Перемещение внутреннего подвижного корпуса 3 регулирует фокусное расстояние и диаметр фокального пятна соответственно. Сужающе-расширяющаяся съёмная насадка 15 устанавливается на выходе сопла 6. Для достижения наименьшего диаметра фокального пятна при выполнении резки больших толщин или сверления отверстий внутренний подвижный корпус 3 перемещают вниз механическим или электрическим приводом 4 до упора ограничительными кольцами 14. Затем подаётся лазерный луч с определёнными режимами в оптическую головку. Лазерный луч проходит через фокусирующую линзу 5. Оси сквозных отверстий 8 перпендикулярны оси лазерного луча. В замкнутую полость 10 через канал 9 подаётся активный газ – кислород, который проходит через сквозные отверстия 8 сопла 6 и вместе с лазерным лучом через фокусирующую линзу 5 поступает коаксиально лазерному лучу в зону лазерного реза 12 (фиг. 1). Лазерный луч и кислород проходят через сужающе-расширяющуюся съёмную насадку 15, в которой скорость течения струи газов сверхзвуковая, что позволит одновременно очищать место обработки материалов от шлаков и улучшать качество обработки. Сверхзвуковая струя, вдуваемая в зону лазерного реза 12 через сужающе-расширяющуюся насадку 15, удаляет образующийся расплав металла из узкого лазерного реза 12 (минимальная ширина реза b=0,1-0,3 мм минимальная шероховатость поверхности Rz=1,075 мкм)) с высокой эффективностью, что позволяет осуществлять режим резки металлов больших толщин до 40 мм с высокой скоростью резки, что приведёт в целом к повышению качества лазерной резки и увеличению глубины лазерного реза 12 обрабатываемых деталей 18.When cutting metals with a thickness of 1 mm to 40 mm, the focal length and the diameter of the focal spot are set depending on the thickness of the metal being cut 18 and on the type of metal by moving the inner movable body 3 with a focusing lens 5. For part thicknesses from 5 mm to 40 mm corresponds to the minimum focal length, which is determined by the experimental method (Fig. 1). Moving the inner movable body 3 adjusts the focal length and the diameter of the focal spot, respectively. A converging-expanding removable nozzle 15 is installed at the outlet of the nozzle 6. To achieve the smallest diameter of the focal spot when cutting large thicknesses or drilling holes, the inner movable body 3 is moved downward by a mechanical or electric drive 4 until it stops by the stop rings 14. Then a laser beam is supplied with certain modes into the optical head. The laser beam passes through the focusing lens 5. The axes of the through holes 8 are perpendicular to the axis of the laser beam. An active gas - oxygen is supplied to the closed cavity 10 through the channel 9, which passes through the through holes 8 of the nozzle 6 and, together with the laser beam through the focusing lens 5, enters the laser beam coaxially into the laser cut zone 12 (Fig. 1). The laser beam and oxygen pass through a converging-expanding removable nozzle 15, 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. A supersonic jet blown into the laser cut zone 12 through a converging-expanding nozzle 15 removes the resulting metal melt from a narrow laser cut 12 (minimum cutting width b = 0.1-0.3 mm minimum surface roughness Rz = 1.075 μm)) with high efficiency, which allows the mode of cutting metals of large thicknesses up to 40 mm at a high cutting speed, which will generally lead to an increase in the quality of laser cutting and an increase in the depth of laser cut 12 workpieces 18.

Для достижения наибольшего диаметра фокального пятна при выполнении резки малых толщин или сверления отверстий в деталях малых толщин внутренний подвижный корпус 3 перемещают вверх механическим или электрическим приводом 4 до упора ограничительными кольцами 14. Для толщин от 1 мм до 5 мм – соответствует максимальное фокусное расстояние, которое определяется аналогичным методом (фиг. 1). Последующие действия осуществляются аналогично предыдущим для больших толщин.To achieve the largest diameter of the focal spot when cutting small thicknesses or drilling holes in parts of small thicknesses, the inner movable body 3 is moved upwards by a mechanical or electric drive 4 up to the stop with stop rings 14. For thicknesses from 1 mm to 5 mm, the maximum focal length corresponds to determined by a similar method (Fig. 1). Subsequent actions are carried out similarly to the previous ones for large thicknesses.

В режиме сверлении отверстий в металлах процесс происходит аналогично режиму лазерной резки металлов, но при этом дополнительно необходима большая мощность лазерного излучения.In the mode of drilling holes in metals, the process is similar to the mode of laser cutting of metals, but in addition, a high power of laser radiation is required.

В результате экспериментов, проведённых в ПАО «КАИ-Лазер» были получены следующие показатели: шероховатость поверхности реза на титановых сплавах для толщин от 1 мм до 40 мм не выше 2…4 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. Настраиваемые режимы - мощность, скорость, длительность и частота импульсов влияют на качество резки: ширину реза b, шероховатость поверхности Rz и на ширину зоны термического влияния.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 for thicknesses from 1 mm to 40 mm not higher than 2 ... 4 microns, on stainless and high-alloy steels not exceeding 10 ... 28 microns at cutting width 0.1 ... 0.35 mm, the depth of the heat-affected zone is not more than 0.2 mm. Adjustable modes - power, speed, duration and frequency of pulses affect the quality of the cut: cutting width b, surface roughness Rz and the width of the heat-affected zone.

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

Давление технологического газа, МПа Process gas pressure, MPa до 2,5up to 2.5 Избыточное давление технологического газаProcess gas overpressure на фокусирующей оптике, МПа 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, °CAperture angle of laser radiation, ° C 2…302 ... 30

По результатам экспериментальных данных экономия расхода технологического газа составляет 60%.According to the experimental data, the process gas consumption is saved by 60%.

Оптическая головка для лазерной резки позволит осуществлять резку и сверление отверстий металлов толщиной от 1 мм до 40 мм с высокой чистотой обработки и высокой точностью. Глубина лазерного реза определяется фокусным расстоянием и диаметром фокального пятна, соответственно, который задается перемещением внутреннего подвижного корпуса 3 с фокусирующей линзой 5. Кроме того, предлагаемая конструкция позволит уменьшить энергозатраты, упростить оборудование, повысить надёжность конструкции и обеспечить высокую производительность за счёт оптимальных режимов резки.The optical head for laser cutting will allow cutting and drilling holes in metals from 1 mm to 40 mm thick with high processing purity and high accuracy. The depth of the laser cut is determined by the focal length and the diameter of the focal spot, respectively, which is set by the movement of the inner movable body 3 with the focusing lens 5. In addition, the proposed design will reduce energy consumption, simplify equipment, increase the reliability of the structure and ensure high productivity due to optimal cutting modes.

Claims (4)

1. Оптическая головка для лазерной резки, содержащая наружный неподвижный корпус с каналом для подвода активного газа, внутренний подвижный корпус, расположенный внутри неподвижного корпуса концентрично и с зазором, фокусирующую линзу и сопло, на боковой поверхности которого выполнены сквозные отверстия, а на выходе размещена съёмная насадка, отличающаяся тем, что фокусирующая линза жёстко закреплена во внутреннем подвижном корпусе с обеспечением базирования своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего подвижного корпуса, а корпус сопла жестко закреплён к внутренней поверхности наружного неподвижного корпуса, при этом между корпусом сопла и наружным неподвижным корпусом образована герметичная замкнутая полость, сообщённая с каналом подачи активного газа и сквозными отверстиями в сопле.1. Optical head for laser cutting, containing an outer stationary body with a channel for supplying an active gas, an inner movable body located concentrically and with a gap inside the stationary body, a focusing lens and a nozzle, on the side surface of which through holes are made, and a removable attachment, characterized in that the focusing lens is rigidly fixed in the inner movable body with the provision of basing its cylindrical surface along the cylindrical surface of the inner movable body, and the nozzle body is rigidly fixed to the inner surface of the outer stationary body, while Between the nozzle body and the outer stationary body, a sealed closed cavity is formed, connected with the active gas supply channel and through holes in the nozzle. 2. Оптическая головка по п.1, отличающаяся тем, что корпус сопла выполнен цилиндрическим.2. The optical head according to claim 1, characterized in that the nozzle body is cylindrical. 3. Оптическая головка по п.1, отличающаяся тем, что в нижней части наружного неподвижного корпуса установлен ёмкостный датчик для определения расстояния между срезом сопла и разрезаемым металлом.3. The 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 nozzle exit and the cut metal. 4. Оптическая головка по п.1, отличающаяся тем, что съёмная насадка выполнена сужающе-расширяющейся.4. Optical head according to claim 1, characterized in that the removable attachment is made converging-expanding.
RU2021100663A 2021-01-14 2021-01-14 Optical head for laser cutting RU2753066C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021100663A RU2753066C1 (en) 2021-01-14 2021-01-14 Optical head for laser cutting

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021100663A RU2753066C1 (en) 2021-01-14 2021-01-14 Optical head for laser cutting

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2753066C1 true RU2753066C1 (en) 2021-08-11

Family

ID=77349103

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021100663A RU2753066C1 (en) 2021-01-14 2021-01-14 Optical head for laser cutting

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2753066C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5690845A (en) * 1994-10-07 1997-11-25 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Optical device for laser machining
RU134099U1 (en) * 2013-07-19 2013-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Лазерный Центр" LASER CUTTING HEAD
CN103753026A (en) * 2014-01-21 2014-04-30 无锡卓工自动化制造有限公司 Optical fiber laser cutting head
KR20160041488A (en) * 2014-10-08 2016-04-18 한국원자력연구원 Optical system for focusing laser beam
CN107283076A (en) * 2017-08-04 2017-10-24 东莞市力星激光科技有限公司 A kind of fiber cut head of the interchangeable different focal focusing lens of high power
RU2727392C1 (en) * 2019-07-02 2020-07-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Optical head for laser cutting, welding
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

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5690845A (en) * 1994-10-07 1997-11-25 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Optical device for laser machining
RU134099U1 (en) * 2013-07-19 2013-11-10 Общество с ограниченной ответственностью "Лазерный Центр" LASER CUTTING HEAD
CN103753026A (en) * 2014-01-21 2014-04-30 无锡卓工自动化制造有限公司 Optical fiber laser cutting head
KR20160041488A (en) * 2014-10-08 2016-04-18 한국원자력연구원 Optical system for focusing laser beam
CN107283076A (en) * 2017-08-04 2017-10-24 东莞市力星激光科技有限公司 A kind of fiber cut head of the interchangeable different focal focusing lens of high power
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
RU2727392C1 (en) * 2019-07-02 2020-07-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Optical head for laser cutting, welding

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2641213C2 (en) Laser optic head
Marimuthu et al. An experimental study on quasi-CW fibre laser drilling of nickel superalloy
US3749878A (en) Gas assisted laser cutting apparatus
JP3056723B1 (en) Laser processing equipment
JP2001219269A (en) Device and method for submerged working
EP2399703A1 (en) Laser cutting method and laser cutting equipment
CN105880833B (en) The laser welding with filler wire method of one seed nucleus main pump housing
CN110280914B (en) Laser ultrasonic technology assisted pulse laser boring device and method
CN103769746A (en) Pulsed high magnetic field auxiliary laser welding method and device
RU2646515C1 (en) Universal laser optic head
Victor Hybrid laser arc welding
CN114951996B (en) Laser energy space-time cooperative modulation laser deep-melting welding method and system
RU2753066C1 (en) Optical head for laser cutting
US7790999B2 (en) Laser beam welding method
RU2727392C1 (en) Optical head for laser cutting, welding
RU134099U1 (en) LASER CUTTING HEAD
RU2732256C1 (en) Method of laser welding of metals and device for implementation of method
RU191258U1 (en) Laser optical head
RU180185U1 (en) Laser optical head
Schmidt et al. Effect of gas flow on spatter formation in deep penetration welding at high welding speeds
RU2715930C1 (en) Method of laser welding of vacuum-tight annular, spiral and rectilinear seams of metal parts and device for its implementation
CN114101226A (en) High-temperature alloy pre-welding laser cleaning device and method
TWI630051B (en) Laser cutting processing method and laser cutting processing apparatus for plated steel sheet
JPH10216978A (en) Laser beam machining head
EP3122511A1 (en) Method and device for laser beam cutting