Устройство для лазерной резки малоразмерных отверстий произвольной формы в толстых листах высокоотражающих металлов
Устройство для лазерной резки малоразмерных отверстий произвольной формы в толстых листах высокоотражающих металлов, содержащее одномодовый оптоволоконный иттербиевый импульсно-периодический лазер с длиной волны 
=1,07 мкм, режущую головку, включающей длиннофокусную линзу и коническое сопло подачи технологического газа в зону резки, контейнер с технологическим газом, соединенный трубопроводом, включающим вентиль, с коническим соплом подачи технологического газа в зону резки, рабочий стол с приводом его перемещения в горизонтальной плоскости и блок программного управления работой устройства. Режущая головка закреплена на неподвижном портале, при этом торец режущей головки установлен на расстоянии 0,7-0,8 мм от обрабатываемой поверхности, а длиннофокусная линза установлена так, что ее фокус расположен на обрабатываемой поверхности, рабочий стол выполнен в виде стола на аэростатических опорах скольжения, а привод перемещения рабочего стола выполнен на основе линейного электродвигателя. В качестве технологического газа для резки низкоуглеродистых сталей целесообразно использовать кислород.
Заявленная полезная модель относится к области лазерной обработки материалов и может быть использована для вырезания с помощью лазерного излучения малоразмерных отверстий произвольной формы с характерным размером 40-80 мкм, в том числе щелевых, в толстых (4-10 мм) листах высокоотражающих (коэффициент отражения больше 0,9) металлов, например таких, как сталь, медь, латунь, алюминий.
Известно устройство для лазерной обработки листов высокоотражающих металлов [Швейцарская фирма Bystronic Laser AG. Лазерная установка BySprintPro-3015 с ByLaser 4400 (www.bystronic.com, дата обращения 22.03.2009)]. Указанное устройство используется для резки листов толщиной от 1 мм до 20 мм и отверстий в них с характерным размером более 500 мкм. Оно содержит в качестве источника излучения технологический СО2-лазер с длиной волны 10,6 мкм, мощностью 3-6 кВт, к.п.д. которого не более 10%, и режущую головку, закрепленную на портале, который перемещает ее параллельно горизонтальной плоскости обрабатываемого листа. К недостаткам данного устройства относится большой диаметр фокального пятна на поверхности обрабатываемого изделия (более 200 мкм), вызванный большой расходимостью излучения СО2 - лазера. Большой диаметр фокального пятна для осуществления эффективной резки требует больших мощностей лазерного излучения, что при невысоком к.п.д. ведет к повышенным энергетическим затратам. Указанный диаметр фокального пятна приводит также к большому значению минимальной ширины характерного размера реза (около 500 мкм) и не обеспечивает высокого качества граней и кромок реза и его точности. Кроме того, данное устройство принципиально имеет ограниченный ресурс непрерывной работы. Для увеличения ресурса работы необходимо проводить своевременную замену его отдельных узлов.
Известно устройство для лазерной обработки листов высокоотражающих материалов, выбранное в качестве прототипа [Журнал "Металлообработка и станкостроение". Апрель 2009, 
4, с.26-27. Статья "Большой успех лазерной резки L1XE с волоконным лазером." (www.ROBUR.ru, дата обращения 27.04.2010)]. Устройство используется для резки малоразмерных отверстий, в том числе щелевых, с шириной не менее 150 мкм в листах металлов толщиной от 0,5 мм до 18 мм. Для щелей число калибров составляет не более 24 (калибром называется отношение глубины щели к ее ширине между гранями). Оно содержит в качестве источника излучения оптоволоконный иттербиевый маломодовый лазер с длиной волны 1,07 мкм, мощность которого составляет 0,2-2 кВт, а к.п.д. 25-30%. Расходимость излучения такого оптоволоконного лазера обеспечивает диаметр фокального пятна меньше 100 мкм, что снижает необходимую для резки мощность лазерного излучения. В совокупности с указанным к.п.д. оптоволоконного лазера устройство позволяет снизить энергетические затраты по сравнению с описанным аналогом, повысить качество и точность реза, в том числе для листов толщиной до 18 мм. Устройство имеет гарантированно высокий ресурс работы (десятки тысяч часов) ввиду его принципиально конструктивного отличия от газовых лазеров. Однако данное устройство не позволяет резать щели с числом калибров больше 24 и шириной меньше 150 мкм по причине превышения расходимости маломодового волоконного лазера по сравнению с дифракционной в несколько раз.
Однако, в настоящее время в металлообработке имеется необходимость в прецизионном и качественном прорезании протяженных щелевых отверстий шириной в интервале 30-150 мкм при числе калибров 
100 в толстых (до 20 мм) листах высокоотражающих металлов, например для скважинных трубчатых фильтров, используемых в нефтедобывающей промышленности.
Техническим результатом, полученным в заявленной полезной модели, является реализация на практике прорезания малоразмерных отверстий произвольной формы, в том числе протяженных щелевых отверстий, с характерной шириной в интервале 40-80 мкм в толстых (до 10 мм) листах высокоотражающих металлов. Кроме того устройство обеспечивает точное и качественное прорезание протяженных щелевых отверстий при числе калибров 100.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для лазерной резки малоразмерных отверстий произвольной формы в толстых листах высокоотражающих металлов, содержащем оптоволоконный иттербиевый лазер с длиной волны =1,07 мкм, соединенный оптоволоконным кабелем с режущей головкой, включающей длиннофокусную линзу и коническое сопло подачи технологического газа в зону резки, при этом режущая головка механически соединена с устройством ее перемещения в вертикальном направлении, контейнер с технологическим газом, соединенный трубопроводом, включающим вентиль, с соплом подачи технологического газа в зону резки, рабочий стол с приводом его перемещения в горизонтальной плоскости и блок программного управления работой лазера, приводом перемещения рабочего стола, вентилем и устройством перемещения режущей головки, в качестве оптоволоконного лазера с =1,07 мкм использован одномодовый иттербиевый импульсно-периодический лазер, режущая головка закреплена на неподвижном портале, при этом торец сопла режущей головки установлен на расстоянии 0,7-0,8 мм от обрабатываемой поверхности, а длиннофокусная линза установлена так, что ее фокус расположен на обрабатываемой поверхности, рабочий стол выполнен в виде стола на аэростатических опорах скольжения, а привод перемещения рабочего стола выполнен на основе линейного электродвигателя.
Одномодовый иттербиевый лазер обеспечивает расходимость излучения лазерного излучения меньше 1,2 от диффракционной расходимости, что и позволяет прорезать щелевые отверстия указанных параметров.
Закрепление режущей головки на неподвижном портале точно фиксирует координату расположения фокального пятна на обрабатываемой поверхности, что обеспечивает точность реза. В
Выполнение рабочего стола в виде стола на аэростатических опорах скольжения, а привода перемещения рабочего стола на основе линейного электродвигателя обеспечивает высокую точность позиционирования обрабатываемого листа металла (±5 мкм) и малую (±3 мкм) погрешность повторного позиционирования, что обеспечивает точное и качественное прорезание отверстий указанных размеров.
Параметры импульсно-периодического режима работы лазера (частота 50-200 Гц, скважность импульсов 2-4, амплитуда излучения лазера 0.4-2 кВт), а также давление технологического газа в интервале 0.5-0.7 избыточных атмосфер определены как оптимальные экспериментальным путем.
Установка торца сопла режущей головки на расстоянии 0.7-0.8 мм от обрабатываемой поверхности обеспечивает оптимальные условия втекания технологического газа в малоразмерное отверстие.
Для резки низкоуглеродистых сталей в качестве технологического газа целесообразно использовать кислород. В этом случае к энергии лазерного излучения добавляется энергия химической экзотермической реакции кислорода с металлом, что снижает энергетические затраты процесса резки, увеличивает скорость резки и повышает качество граней реза.
Устройство представлено на фиг.1, где
1 - иттербиевый оптоволоконный лазер;
2 - оптоволоконный кабель;
3 - режущая головка;
4 - длиннофокусная линза;
5 - коническое сопло подачи технологического газа в зону резки;
6 - устройство перемещения режущей головки;
7 - контейнер с технологическим газом;
8 - трубопровод;
9 - вентиль;
10 - рабочий стол;
11 - привод перемещения рабочего стола;
12 - блок программного управления;
13 - неподвижный портал;
14 - станина;
Устройство, представленное на фиг.1, содержит оптоволоконный иттербиевый одномодовый лазер с длиной волны =1,07 мкм 1, соединенный оптоволоконным кабелем 2 с режущей головкой 3, включающей длиннофокусную линзу 4 и коническое сопло 5 подачи технологического газа в зону резки. Режущая головка механически соединена с устройством ее перемещения 6 в вертикальном направлении. Контейнер 7 с технологическим газом соединен трубопроводом 8, включающем вентиль 9, с соплом 5, осуществляющим подачу технологического газа в зону резки. Рабочий стол 10 соединен механически с приводом его перемещения 11 в горизонтальной плоскости. Блок программного управления 12 обеспечивает синхронизированную работу лазера, привода перемещения рабочего стола, вентиля и устройства перемещения режущей головки. Режущая головка закреплена на неподвижном портале 13. Рабочий стол установлен на массивной станине 14 и выполнен в виде стола на аэростатических опорах скольжения, а привод перемещения рабочего стола выполнен на основе линейного электродвигателя.
Устройство работает следующим образом.
Работа начинается с включения электропитания устройства после установки обрабатываемого изделия на рабочем столе 10. Далее в блок программного управления 12 вводится исходная информация для обработки конкретного изделия. Обрабатываемое изделие крепится на рабочем столе 10 в исходном положении. Через блок программного управления 12 включается оптоволоконный лазер 1, излучение которого по оптоволоконному кабелю 2 подается к лазерной режущей головке 3. Одновременно открывается вентиль 9, после чего технологический газ, истекает через коническое сопло 5 коаксиально лазерному лучу в зону реза и выдувает из нее жидкие и газообразные продукты термического воздействия лазерного излучения на обрабатываемое изделие и продукты химических реакций. Излучение с помощью длиннофокусной линзы 4 в режущей головке 3 фокусируется в пятно заданного диаметра, расположенное на поверхности металла. Начинается прожиг начального отверстия. Экспериментально достигнут характерный размер начального отверстия при прожиге, составляющий 1.5 ширины заданного отверстия, что в случае прототипа составляет 2.5. Таким образом обеспечивается качественное начало лазерной резки отверстия. После прожига сквозного отверстия на краю реза начинается управляемое блоком 12 движение малоинерционного рабочего стола 10, которое обеспечивает оптимальную скорость, качество реза и точность резки.
После окончания резки отверстия заданной формы и размера происходит автоматическое выключение лазера 1. Рабочий стол 10 с обрабатываемым изделием перемещается в заданное программой следующее положение, т.е. автоматически подводит новую начальную точку реза листа на исходную позицию - в точку фокусировки луча. После этого блок программного управления 12 запускает лазерную систему и передвижение рабочего стола.
Описанный процесс повторяется до окончания программы обработки изделия.
Таким образом, устройство по полезной модели позволяет реализовать на практике прорезания малоразмерных отверстий произвольной формы, в том числе протяженных щелевых отверстий, с характерной шириной в интервале 40-80 мкм в толстых (до 10 мм) листах высокоотражающих металлов. Кроме того устройство обеспечивает точное и качественное прорезание протяженных щелевых отверстий при числе калибров 100.
1. Устройство для лазерной резки малоразмерных отверстий произвольной формы в толстых листах высокоотражающих металлов, содержащее оптоволоконный иттербиевый лазер с длиной волны =1,07 мкм, соединенный оптоволоконным кабелем с режущей головкой, включающей длиннофокусную линзу и коническое сопло подачи технологического газа в зону резки, при этом режущая головка механически соединена с устройством ее перемещения в вертикальном направлении, контейнер с технологическим газом, соединенный трубопроводом, включающим вентиль, с коническим соплом подачи технологического газа в зону резки, рабочий стол с приводом его перемещения в горизонтальной плоскости и блок программного управления работой лазера, приводом перемещения рабочего стола и устройством перемещения режущей головки, отличающееся тем, что в качестве оптоволоконного лазера использован одномодовый иттербиевый импульсно-периодический лазер, режущая головка закреплена на неподвижном портале, при этом торец сопла режущей головки установлен на расстоянии 0,7-0,8 мм от обрабатываемой поверхности, а длиннофокусная линза установлена так, что ее фокус расположен на обрабатываемой поверхности, рабочий стол выполнен на аэростатических опорах скольжения, а привод перемещения рабочего стола выполнен на основе линейного электродвигателя.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве технологического газа для резки низкоуглеродистых сталей использован кислород.
