Способ газолазерной резки и устройство для его осуществления

Способ газолазерной резки и устройство для его осуществления

Реферат

 

Использование: газолазерная резка материала (металлов и неметаллов) в импульсном и непрерывном режимах работы лазера. Сущность изобретения: в зону реза подают луч лазера и технологический газ в виде кольцевой или отдельных сверхзвуковых расчетных струй, векторы скорости которых в их критическом сечении направлены под углом к оси лазерного луча, близким к половине апертурного. Струи технологического газа подают в ограниченный объем, в котором они разворачиваются в волнах сжатия и разрежения до направления векторов скорости параллельно оси лазерного луча, после чего слившуюся сверхзвуковую струю направляют соосно лазерному лучу в зону реза, при этом число Маха М на участке струи в ограниченном объеме поддерживают в пределах M_i M > 1, где М_i - расчетное число Маха для требуемого технологическим процессом отношения давлений технологического газа. 2 с.п.ф., 5 з.п.ф., 6 ил.

Изобретение относится к лазерной обработке материалов, конкретно к газолазерной резке металлов и неметаллов в импульсном и непрерывном режимах работы технологическими лазерами. Известны способ газолазерной резки и устройство, его реализующее, где луч лазера фокусируется, проходит через оптически прозрачное окно в камере с технологическим газом и выходит через рабочее сопло на поверхность разрезаемого материала. Недостатками аналога являются большие энергетические потери лазерного излучения, малый ресурс работы. Ближайшим по технической сущности и принятым за прототип является способ газолазерной резки и устройство, его реализующее, где поток технологического газа предварительно ускоряют в коническом патрубке до достижения в зоне реза сверхзвуковой скорости в виде многоконтурных потоков с перепадом давления 141,5 атм. Недостатками прототипа являются низкий КПД процесса резки, повышенный расход технологического газа. Целью изобретения является повышение КПД процесса и уменьшение расхода газа. Поставленная цель достигается тем, что в способе газолазерной резки, при котором в зону реза направляют сфокусированное лазерное излучение и соосную ему сверхзвуковую струю технологического газа, подаваемого через сопло, и осуществляют относительное перемещение последних и обрабатываемого материала, струю газа формируют из кольцевой сверхзвуковой струи или нескольких отдельных струй с перепадом давлений по меньшей мере, равным 1,5 х 10⁵ Па, причем число Маха в сопле поддерживают большим 1,2. В устройстве для газолазерной резки, содержащем фокусирующий объектив, корпус, конический патрубок для прохода лазерного излучения с заданным апертурным углом и втулку с рабочим соплом, установленную коаксиально патрубку и с зазором относительно него с возможностью формирования сверхзвукового газового потока с заданным соотношением площадей рабочего сопла и кольцевого зазора с образованием полости, открытой со стороны торцовой поверхности, боковые стенки втулки выполнены наклонными к оптической оси объектива под углом, превышающим апертурный угол не более, чем на 10^o, а отношение площадей рабочего сопла и срезов сопел в кольцевом зазоре равно 1,05 10. Кольцевой зазор вокруг конического патрубка для прохода лазерного луча образует кольцевое сверхзвуковое сопло или в нем могут быть отдельные сверхзвуковые сопла. Каждое сверхзвуковое сопло выполнено с коническими дозвуковой и сверхзвуковой частями, разделенными цилиндрической горловиной. Втулка может быть выполнена конической и эквидистантной патрубку, а также может быть выполнена выпуклой или вогнутой и касательной к наружному контуру кольцевого зазора. На фиг.1 представлен продольный разрез газолазерного резака; на фиг.2 3 примеры конструктивного исполнения сопел в кольцевом зазоре; на фиг.4 6 - примеры конструктивного исполнения втулки с рабочим соплом. Устройство для газолазерной резки содержит фиксирующий объектив 1 (фиг. 1), корпус 2, конический патрубок 3 для прохода лазерного излучения с заданным апертурным углом и втулку 4 с рабочим соплом 5, установленную коаксиально патрубку 3 и с кольцевым зазором 6 относительно него с возможностью формирования сверхзвукового газового потока с заданным соотношением площадей рабочего сопла 5 и сопел в кольцевом зазоре 6 с образованием полости 7, открытой со стороны торцовой поверхности 8. Боковые стенки 9 втулки 4 выполнены наклонными к оптической оси объектива 1 под углом, превышающим апертурный угол не более чем на 10, а соотношение площадей рабочего сопла 5 втулки 4 и срезов сопел в кольцевом зазоре 6 равно 1,05 10. В кольцевом зазоре 6 вокруг конического патрубка 3 вместо кольцевого сопла могут быть установлены отдельные сопла 10 (фиг.2), каждое из которых выполнено с конической дозвуковой 11 и сверхзвуковой 12 частями, разделенными цилиндрической горловиной 13 (фиг.3). Втулка 4 может быть выполнена конической и эквидистантной патрубку 3 (фиг.4), выпуклой (фиг.5) или вогнутой и касательной к наружному контуру кольцевого сопла (зазора) 6 (фиг. 6). Устройство для газолазерной резки работает следующим образом. Технологический газ подается от источника в кольцевое сопло (зазор) 6 (фиг.1 ) или в сверхзвуковые сопла 10, где ускоряется. Сверхзвуковые струи из кольцевого сопла (зазора) 6 поступают в полость 7 с перепадом давления, по меньшей мере равным 1,5х10⁵ Па. При этом за счет воздействия волн сжатия и расширения, которые образуются в сверхзвуковом потоке, струи разворачиваются в полости 7 до направления векторов скорости параллельного оси лазерного луча. Результирующая слившаяся сверхзвуковая струя из рабочего сопла 5 втулки 4 полностью направляется в зону реза. Для поддержания сверхзвуковой скорости число Маха в полости 7 поддерживают М > 1,2, а отношение площадей рабочего сопла 5 на выходе и кольцевого сопла (зазора) 6 1,05 10. Преимущества предлагаемого технического решения по сравнению с известными: повышается эффективность процесса резки и, следовательно, КПД процесса; уменьшается потребный расход технологического газа, что приводит к повышению экономичности процесса резки.

Формула изобретения

1. Способ газолазерной резки, в котором в зону реза направляют сфокусированное лазерное излучение и соосную ему сверхзвуковую струю технологического газа, подаваемого через сопло, и осуществляют относительно перемещение последних и обрабатываемого материала, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД процесса и уменьшения расхода газа, струю газа формируют из нескольких струй с перепадом давлений, по меньшей мере равным 1,5 10 Па, причем число Маха в сопле поддерживают большим 1,2. 2. Устройство для газолазерной резки, содержащее фокусирующий объектив, корпус, конический патрубок для прохода лазерного излучения с заданным аппертурным углом и втулку с рабочим соплом, установленную коаксиально патрубку и с зазором относительно него с возможностью формирования сверхзвукового газового потока с заданным соотношением площадей выходного отверстия втулки и кольцевого зазора, с образованием полости, открытой со стороны торцевой поверхности, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД процесса и уменьшения расхода газа, боковые стенки втулки выполнены наклонными к оптической оси объектива под углом, превышающим аппертурный угол не более, чем на 10^o, а отношение площади выходного отверстия втулки и кольцевого зазора равно 1,05 10. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в кольцевом зазоре вокруг конического патрубка для прохода лазерного луча установлены сопла. 4. Устройство по пп.2 и 3, отличающееся тем, что каждое сопло выполнено с коническими дозвуковой и сверхзвуковой частями, разделенными цилиндрической горловиной. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что втулка выполнена конической и эквидистантной патрубку. 6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что втулка выполнена выпуклой. 7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что втулка выполнена вогнутой и касательной к наружному контуру кольцевого зазора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6