Патент на изобретение №2293006

(54) СПОСОБ РЕЗКИ МАТЕРИАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способам лазерной резки материалов. Способ резки материалов, преимущественно металлических, включает расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия лазерным излучением. Расплавление материала производят излучением основного лазера. Удаление расплавленного материала из зоны резки производят излучением работающего в импульсно-периодическом режиме вспомогательного лазера, средняя мощность которого более чем на порядок ниже средней мощности излучения основного лазера, плотность мощности достаточна для вскипания расплавленного материала в пятне фокусировки, а диаметр луча в месте реза меньше диаметра луча основного лазера в месте реза. В качестве основного лазера может быть использован лазер, работающий в непрерывном или в импульсно-периодическом режиме. При работе основного лазера в импульсно-периодическом режиме длительность импульса луча вспомогательного лазера в месте реза меньше длительности импульса луча основного лазера. Лучи основного и вспомогательного лазеров могут быть направлены соосно или с образованием между их осями угла в пределах от 10° до 170°. Достигается снижение энергетических затрат, повышение коэффициента полезного действия в результате разделения функций получения расплава и его удаления между двумя лазерами с сильно отличающимися характеристиками лазерного излучения. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способам лазерной резки материалов. Традиционным способом использования лазерного излучения для резки металлов является газолазерная резка. Лазерным лучом нагревают и расплавляют материал мишени, который затем удаляют из зоны взаимодействия потоком газа, соосным и совпадающим по направлению с лазерным излучением. Для эффективной резки необходимо излучение с малой расходимостью, которое обеспечивает достаточное удаление фокусирующей линзы от зоны взаимодействия и узкий рез, что важно для повышения толщины разрезаемого образца и эффективности процесса. Струю газа формируют при помощи газодинамического сопла специальной конструкции, которое располагается над местом взаимодействия между линзой и разрезаемым изделием. Для удаления расплава используют или инертные газы, или кислород и его смеси. Газовый поток удаляет расплав благодаря динамическому воздействию на расплавленный слой. При использовании кислорода и его смесей происходит дополнительный разогрев в зоне реза за счет окислительных реакций и повышение коэффициента поглощения из-за образования окислительной пленки. Поэтому эффективность процесса в этом случае существенно выше [1].

В ряде случаев – при резке химически или радиоактивно загрязненных конструкций, а также при большом удалении лазера от разрезаемого изделия – использование газовой струи для удаления расплава оказывается нежелательным или невозможным.

Известен способ резки металлических материалов, при котором расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия осуществляют лазерным излучением [2], который выбран нами в качестве прототипа. В этом способе расплав удаляется под действием силы тяжести, термокапиллярных сил и импульса отдачи паров, если температура поверхности расплава достигает температуры кипения. Последний случай реализуется, как правило, при резке излучением импульсно-периодического лазера. При удалении расплава под действием силы тяжести и термокапиллярных сил ширина реза может составлять величину больше сантиметра и происходит сильный разогрев разрезаемого изделия. Поэтому эффективность процесса резки низка. Удаление расплава импульсом отдачи паров требует нагрева поверхности до температуры кипения. Это реализуется при высоких плотностях мощности лазерного излучения, когда у поверхности, как правило, возникает оптический пробой, который поглощает лазерное излучение и уменьшает эффективность процесса резки. Нагрев, плавление материала и удаление расплава из зоны резки осуществляют излучением одного лазера.

Техническим результатом настоящего изобретения является снижение энергетических затрат, т.е. повышение кпд в результате разделения функций получения расплава и его удаления между двумя лазерами с сильно отличающимися характеристиками лазерного излучения.

Для достижения этого технического результата предложено усовершенствовать известный способ резки материалов, преимущественно металлических, включающий расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия лазерным излучением, расплавление материала производят излучением основного лазера, а удаление расплавленного материала из зоны резки производят излучением работающего в импульсно-периодическом режиме вспомогательного лазера, средняя мощность которого более чем на порядок ниже средней мощности излучения основного лазера, плотность мощности достаточна для вскипания расплавленного материала в пятне фокусировки, а диаметр луча в месте реза меньше диаметра луча основного лазера в месте реза.

В частном случае осуществления способа в качестве основного лазера используют лазер, работающий в непрерывном режиме.

В качестве основного лазера используют лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме, при этом длительность импульса луча вспомогательного лазера в месте реза меньше длительности импульса луча основного лазера.

Лучи основного и вспомогательного лазеров направляют соосно.

Лучи основного и вспомогательного лазеров направляют с образованием между их осями угла в пределах от 10° до 170°.

Излучение вспомогательного лазера фокусируют на торцевую часть расплавленной дорожки, образовавшейся при воздействии основного лазера.

Осуществляют последовательно ряд циклов проплавления и удаления материала части толщины изделия, при этом излучение вспомогательного лазера фокусируют в нижнюю часть расплавленной дорожки, образованной при воздействии основного лазера.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 схематически показан ход соосных лучей основного и вспомогательного лазеров, на фиг.2 – ход образующих угол лучей основного и вспомогательного лазеров, на фиг.3 – вариант с фокусировкой излучения вспомогательного лазера на торец расплавленной дорожки, на фиг.4 – вариант резки толстых изделий путем осуществления последовательного ряда циклов. Способ реализуют следующим образом. При соосных лучах (фиг.1) излучение основного лазера 1 и вспомогательного лазера 2 поворотным зеркалом 3 направляется на линзу 4, которая фокусирует лучи на движущуюся мишень 5. Направление движения мишени указано стрелкой. Излучение основного лазера расплавляет дорожку металла 6, а излучение вспомогательного лазера, сфокусированное в центре расплава, благодаря высокой плотности мощности нагревает расплав до температуры кипения и удаляет его за счет импульса отдачи паров.

Когда оси лучей основного и вспомогательного лазеров образуют угол, то для транспортировки и фокусировки каждого из них необходима своя оптическая система (фиг.2). Луч основного лазера 1 поворотным зеркалом 3 направляется на линзу 4, которая фокусирует его на разрезаемое изделие 5, образуя расплавленную дорожку 6. Луч вспомогательного лазера 2 при помощи поворотного зеркала 7 и линзы 8 фокусируют на поверхность расплавленной полоски в заданной точке. При этом угол между осями основного и вспомогательного луча может меняться от 10° до 170°. Другим возможным способом удаления расплава является фокусировка вспомогательного луча на торцевую часть расплавленной дорожки (фиг.3). Если мощность основного лазера недостаточна для проплавления всей толщины разрезаемого изделия, резка осуществляется в течение последовательного ряда циклов. При этом луч основного лазера расплавляет часть толщины изделия (фиг.4), а излучение вспомогательного лазера фокусируется на нижний конец расплавленной дорожки.

Литература

1. А.Г.Григорьянц, А.А.Соколов. Лазерная резка металлов. Москва: Высшая школа, 1988.

2. Антонова Г.Ф., Гладуш Г.Г., Красюков А. Г. и др. Теплофизика высоких температур, 37, 865 (1999).

Формула изобретения

1. Способ резки материалов, преимущественно металлических, включающий расплавление материала и его удаление из зоны резки изделия лазерным излучением, отличающийся тем, что расплавление материала производят излучением основного лазера, а удаление расплавленного материала из зоны резки производят излучением работающего в импульсно-периодическом режиме вспомогательного лазера, средняя мощность которого более чем на порядок ниже средней мощности излучения основного лазера, плотность мощности достаточна для вскипания расплавленного материала в пятне фокусировки, а диаметр луча в месте реза меньше диаметра луча основного лазера в месте реза.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного лазера используют лазер, работающий в непрерывном режиме.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного лазера используют лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме, при этом длительность импульса луча вспомогательного лазера в месте реза меньше длительности импульса луча основного лазера.

4. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что лучи основного и вспомогательного лазеров направляют соосно.

5. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что лучи основного и вспомогательного лазеров направляют с образованием между их осями угла от 10 до 170°.

6. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что излучение вспомогательного лазера фокусируют на торцевую часть расплавленной дорожки, образовавшейся при воздействии основного лазера.

7. Способ по любому из пп.1, 2 или 3, отличающийся тем, что осуществляют последовательно ряд циклов проплавления и удаления материала части толщины изделия, при этом излучение вспомогательного лазера фокусируют в нижнюю часть расплавленной дорожки, образованной при воздействии основного лазера.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 15.06.2008

Извещение опубликовано: 20.06.2010 БИ: 17/2010