Оптическая головка для лазерной резки листового металла толщиной 12 мм и выше непрерывным волоконным лазером мощностью до 4 квт

Полезная модель относится к оптическим головкам, предназначенным для раскроя листового металла толщиной 12 мм и выше непрерывным волоконным лазером мощностью до 4 кВт. Известна оптическая головка для лазерной резки листового металла, содержащая систему слежения за поверхностью обрабатываемого металла и последовательно размещенные в корпусе вдоль оптической оси узел сопла, фокусирующую систему, телескопическую систему и устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна. Предлагается известную оптическую головку снабдить узлом, обеспечивающим перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической системы с возможностью получения соотношения фокуса объектива телескопической системы fk к фокусу объектива фокусирующей системы fo равным 1/3, и узлом, обеспечивающим одновременное перемещение вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы с возможностью получения соотношения диаметра сопла оптической головки dc к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла hф равным 1/3. Система слежения за поверхностью обрабатываемого металла выполнена емкостной и установлена на корпусе оптической головки. Резку металла ведут при соотношении фокуса объектива телескопической системы fk к фокусу объектива фокусирующей системы fo и диаметра сопла оптической головки dc к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла hф равным 1/3. Заявленная оптическая головка позволит повысить качество кромки реза листового металла за счет получения максимальной длины перетяжки без потери плотности излучения. 1 н.п.ф., 6 з.п.ф., 2 фиг.

Полезная модель относится к оптическим головкам, предназначенным для раскроя листового металла толщиной 12 мм и выше непрерывным волоконным лазером мощностью до 4 кВт.

В настоящее время существует множество производителей лазерных оптических головок для волоконных лазеров, такие как IPG Photonics, PrecitecGroup, ROFIN-SINAR, OPTOSKAND, HighYag и другие. В оптических головках этих производителей используются коллимирующая линза с f _k=100150 мм и фокусирующая линза с f_o=150200 мм. Соответствующее фокальное пятно имеет диаметр d=190 мкм. Резка металла при помощи волоконных лазеров с использование лазерных оптических головок вышеупомянутых производителей обеспечивает высокое качество кромки реза (шероховатость Rz=4080 мкм), что позволяет получать готовые детали без финишной обработки. Но данная тенденция наблюдается на толщинах листового металла менее 12 мм. При увеличении толщины обрабатываемого металла значительно падает качество кромки реза, что вызвано рассеиванием лазерного пучка внутри реза, пучок рассеивается на большие углы и поглощается боковыми стенками. Это является существенным недостатком представленных решений.

Наиболее близким по достигаемому техническому результату к предлагаемому решению является полезная модель оптической головки для лазерной обработки, содержащая систему служение за поверхностью обрабатываемого металла, последовательно размещенные в корпусе вдоль оптической оси узел сопла, фокусирующую систему, телескопическую систему и устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна (Патент РФ 34427, дата начала отсчета срока действия патента: 11.06.2003).

Конструкция данной лазерной оптической головки не позволяет достичь высокого качества кромки реза на толстолистовом металле (толщиной 12 мм и более).

Технический результат - повышение качества кромки реза листового металла толщиной 12 мм и выше непрерывным волоконным лазером мощностью до 4 кВт за счет получения максимальной длины перетяжки без потери плотности излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что известная оптическая головка для лазерной резки листового металла непрерывным волоконным лазером, содержащая систему слежения за поверхностью обрабатываемого металла и последовательно размещенные в корпусе вдоль оптической оси узел сопла, фокусирующую систему, телескопическую систему и устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна, снабжена узлом, обеспечивающим перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической системы с возможностью получения соотношения фокуса объектива телескопической системы f_k к фокусу объектива фокусирующей системы f_o равным 1/3, и узлом, обеспечивающим одновременное перемещение вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы с возможностью получения соотношения диаметра сопла оптической головки dc к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф равным 1/3, при этом система слежения за поверхностью обрабатываемого металла выполнена емкостной и установлена на корпусе оптической головки, а резку ведут при соотношении фокуса объектива телескопической системы f_k к фокусу объектива фокусирующей системы fo и диаметра сопла оптической головки d_c к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф равным 1/3

Для достижения указанного технического результата узел, обеспечивающий перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической системы, может быть 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; а узел, обеспечивающий одновременное перемещение фокусирующей и телескопической системы вдоль оптической оси, может быть 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, обеспечивающего перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической.

Для достижения указанного технического результата диаметр сопла составляет 1,0 мм или 1,5 мм или 2,0 мм.

Целесообразно также выполнять корпус составным из двух камер, причем первая камера корпуса содержит узел сопла и систему емкостного слежения за поверхностью обрабатываемого металла, установленную на ее внешней стороне, а вторая камера содержит узел, обеспечивающий перемещение друг относительно друга вдоль оптической оси фокусирующей системы и телескопической системы, и устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна. Первая камера корпуса может быть снабжена входом для подачи вспомогательного газа внутрь корпуса вблизи узла сопла.

Желательно систему слежения за поверхностью обрабатываемого металла устанавливать на внешней поверхности корпуса в месте расположения узла сопла; узел сопла устанавливать на корпусе с возможностью отсоединения от корпуса.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурно-функциональная схема оптической головки; на фиг. 2 - схема, на которой показаны фокус объектива фокусирующей системы f_o, фокус объектива телескопической системы f_k, диаметр сопла оптической головки d _c и высота положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф .

Оптическая головка для лазерной резки непрерывным волоконным лазером мощностью до 4 кВт листового металла толщиной не менее 12 мм содержит систему слежения за поверхностью обрабатываемого металла 1, обеспечивающую поддержание постоянного зазора между соплом и обрабатываемым материалом, и последовательно размещенные в корпусе 2 вдоль оптической оси 3 узел сопла 4, фокусирующую систему 5, телескопическую систему 6, устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна 7, узел, обеспечивающий перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической системы с возможностью получения соотношения фокуса объектива телескопической системы f_k к фокусу объектива фокусирующей системы f_o равным 1/3, и узел, обеспечивающий одновременное перемещение вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы с возможностью получения соотношения диаметра сопла оптической головки d_c к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф равным 1/3.

Система слежения за поверхностью обрабатываемого металла 1 выполнена емкостной и установлена на внешней поверхности корпуса 2 оптической головки в месте расположения узла сопла 4 с возможностью координации фокального пятна на оптической оси 3.

Узел, обеспечивающий перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической системы с возможностью получения соотношения фокуса объектива телескопической системы f_k к фокусу объектива фокусирующей системы f_o равным 1/3, выполнен в виде двух связанных между собой резьбовым соединением 10 цилиндров 8 и 9 разного диаметра с возможностью перемещения друг относительно друга вдоль оптической оси 3, при этом фокусирующая система 5 установлена со стороны свободного торца цилиндра меньшего диаметра 9, а телескопическая система 6 установлена со стороны свободного торца второго цилиндра большего диаметра 8. Фокусирующая система перемещается относительно телескопической системы вдоль оптической оси с помощью резьбы 10.

Узел, обеспечивающий одновременное перемещение фокусирующей и телескопической системы вдоль оптической оси, выполнен в виде цилиндра 11 жестко закрепленного на внешней поверхности цилиндра 9. На внутренней поверхности корпуса 2 выполнена резьба 13, ответная резьбе 12, предусмотренная на внешней поверхности цилиндра 11. Указанное резьбовое соединение (резьбы 12 и 13) обеспечивает крепление цилиндров 8 и 9 в корпусе 2 и одновременное перемещение фокусирующей и телескопической системы вдоль оптической оси, обеспечивая необходимого положения фокального пятна над поверхностью металла.

Корпус оптической головки выполнен составным и включает две камеры 14 и 15, причем первая камера 14 корпуса содержит узел сопла 4 и систему слежения за поверхностью обрабатываемого металла 1, установленную на ее внешней стороне, а вторая камера 15 содержит узел, обеспечивающий перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической системы, узел, обеспечивающий одновременное перемещение фокусирующей и телескопической системы вдоль оптической оси, и устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна 7. Кроме того первая камера 14 корпуса снабжена входом для подачи вспомогательного газа 16 внутрь корпуса, который расположен вблизи узла сопла 4, а узел сопла 4 установлен на корпусе с возможностью отсоединения от корпуса и снабжен комплектом сопел различных диаметров (на фиг. не показано).

Оптическая головка для лазерной обработки непрерывным волоконным лазером работает следующим образом. С помощью системы слежения за поверхностью обрабатываемого металла наводят оптическую головку на зону обработки. Лазерное излучение направляют из устройства вывода излучения из оптического волокна в телескопическую систему. Пройдя через телескопическую систему, лазерное излучение поступает в фокусирующую систему и фокусируется в плоскости обработки.

С помощью узла, обеспечивающего перемещение вдоль оптической оси фокусирующей системы относительно телескопической системы изменяюи соотношение фокуса объектива телескопической системы f_k к фокусу объектива фокусирующей системы f_o , а с помощью узла, обеспечивающего одновременное перемещение вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы, и системы слежения за поверхностью обрабатываемого металла изменяют соотношение диаметра сопла оптической головки d_c к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф.

Результаты проведенных исследований и экспериментов позволили авторам найти оптимальное соотношение фокуса объектива телескопической системы f_k к фокусу объектива фокусирующей системы f_o и диаметра сопла оптической головки d_c к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф, что позволило получить качество кромок на толщинах 12 мм и выше (до 20 мм) при резке непрерывным волоконным лазером мощностью до 4 кВт толстолистовой низкоуглеродистой конструкционной стали на уровне результатов, полученных на мощных СО₂ лазерах (45 кВт) при снижении энергопотребления в 45 раз.

В результате исследований и экспериментальных работ было выявлено, что применение коллиматора f100 позволяет сохранить соотношение 1/3 для фокусного расстояния объектива f300, следовательно, обеспечить максимально возможную перетяжку 2024 мм, при этом диаметр фокального пятна остается в пределах 150180 мкм, что для резки толстых листов 1220 мм будет оптимальным.

Высота положения фокального пятна h_ф над поверхностью заготовки 17 (т.е., h_ф - это расстояние между положением фокального пятна и плоскостью обработки и зависит от диаметра сопла и толщины обрабатываемого материала) также является одним из ключевых факторов, влияющих на качество резки толстолистовой конструкционной стали. Высота положения фокального пятна h_ф регулируется за счет работы узла "фокусирующая система - телескопическая система" (узла, обеспечивающего одновременное перемещение фокусирующей системы и телескопической системы вдоль оптической оси).

В зависимости от толщины, марки стали, коэффициента текучести, давления кислорода, диаметра сопла определен оптимальный диапазон положения фокального пятна излучения лазера относительно поверхности листа заготовки. Причем, чем больше толщина заготовки, тем выше должно располагаться фокальное пятно над ее поверхностью, обеспечивая ширину реза, достаточную для продувки вспомогательным газом (кислородом) шва резки. Оптимальная ширина шва ~0,3 мм.

Диметр сопла также подбирался в зависимости от положения фокального пятна. Использовались сопла диаметром 1,0; 1,5; 2,0 мм.

Ниже приведена таблица результатов экспериментов.

Таким образом, для обеспечения максимальной длины перетяжки без потери плотности излучения для обеспечения наилучшего качества обработки металла толщиной 12 мм и выше непрерывным волоконным лазером мощностью до 4 кВт, резку необходимо вести при соотношении фокуса объектива телескопической системы f _k к фокусу объектива фокусирующей системы f_o и диаметра сопла оптической головки d_c к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф равным 1/3:

1. Оптическая головка непрерывного волоконного лазера мощностью до 4 кВт для лазерной резки листового металла толщиной 12-20 мм, содержащая систему слежения за поверхностью обрабатываемого металла и последовательно размещенные в корпусе головки вдоль оптической оси узел сопла с комплектом сопел, фокусирующую систему, телескопическую систему и устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна, отличающаяся тем, что она снабжена узлом для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы, выполненным с возможностью обеспечения соотношения фокуса объектива телескопической системы f_k к фокусу объектива фокусирующей системы f_o равного 1/3, и узлом для одновременного перемещения вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы, выполненным с возможностью обеспечения соотношения диаметра сопла оптической головки d _c к высоте положения фокального пятна на оптической оси относительно поверхности обрабатываемого металла h_ф равного 1/3, при этом использована емкостная система слежения за поверхностью обрабатываемого металла, которая установлена на корпусе головки.

2. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что 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.

3. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что диаметр сопла составляет 1,0 мм, или 1,5 мм, или 2,0 мм.

4. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что корпус выполнен составным и включает две камеры, причем первая камера корпуса содержит узел сопла и систему емкостного слежения за поверхностью обрабатываемого металла, установленную на ее внешней стороне, а вторая камера содержит узел для перемещения фокусирующей системы вдоль оптической оси относительно телескопической системы, узел для одновременного перемещения вдоль оптической оси фокусирующей и телескопической системы и устройство вывода лазерного излучения из оптического волокна.

5. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что система слежения за поверхностью обрабатываемого металла установлена на внешней поверхности корпуса в месте расположения узла сопла.

6. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что первая камера корпуса снабжена входом для подачи вспомогательного газа внутрь корпуса, который расположен вблизи узла сопла.

7. Оптическая головка по п. 1, отличающаяся тем, что узел сопла установлен на корпусе с возможностью отсоединения от корпуса.