RU2466842C1 - Method of laser gas bonding and plant to this end - Google Patents
Method of laser gas bonding and plant to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2466842C1 RU2466842C1 RU2011118919/02A RU2011118919A RU2466842C1 RU 2466842 C1 RU2466842 C1 RU 2466842C1 RU 2011118919/02 A RU2011118919/02 A RU 2011118919/02A RU 2011118919 A RU2011118919 A RU 2011118919A RU 2466842 C1 RU2466842 C1 RU 2466842C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cut
- nozzle
- laser
- annular
- wave
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области обработки лучом лазера преимущественно металлических материалов больших толщин.The invention relates to the field of laser beam processing of predominantly metallic materials of large thicknesses.
Известен способ резки толстых металлических листов (патент РФ №2350445, МПК B23K 26/38, опубликовано 27.03.2009), в котором резку листовых материалов осуществляют воздействием на поверхность разрезаемого листа струей кислорода, истекающей из сверхзвукового сопла, и лазерным излучением. Лазерное излучение сфокусировано так, что ось луча совпадает с осью сопла, фокус луча находится внутри сопла, а диаметр луча на поверхности разрезаемой пластины превышает выходной диаметр сопла. Луч нагревает металл до температуры, большей, чем температура горения, но меньшей, чем температура плавления. Толщину разрезаемых листов задают условием H/Da≤(0,8-l,2)P/P∞+5, где H - толщина разрезаемого листа, мм, Da - выходной диаметр сопла, мм. Определенный выбор параметров резки, а именно величины давления в камере сопла и величины зазора между выходным сечением сопла и разрезаемым листом, позволяет повысить качество поверхности реза.A known method of cutting thick metal sheets (RF patent No. 2350445, IPC B23K 26/38, published March 27, 2009), in which the cutting of sheet materials is carried out by exposing the surface of the sheet to be cut with an oxygen stream flowing from a supersonic nozzle and laser radiation. The laser radiation is focused so that the axis of the beam coincides with the axis of the nozzle, the focus of the beam is inside the nozzle, and the diameter of the beam on the surface of the cut plate exceeds the output diameter of the nozzle. The beam heats the metal to a temperature greater than the combustion temperature, but lower than the melting temperature. The thickness of the cut sheets is set by the condition H / D a ≤ (0.8-l, 2) P / P∞ + 5, where H is the thickness of the cut sheet, mm, D a is the nozzle exit diameter, mm. A certain selection of cutting parameters, namely, the pressure in the nozzle chamber and the gap between the exit section of the nozzle and the cut sheet, allows to improve the quality of the cut surface.
Известен способ лазерной резки (Патент Японии JP №11104879, МПК B23K 26/00, 26/06, 26/14, опубликовано 1999), в котором сфокусированный лазерный луч падает на разрезаемый лист, соосно с лучом подается струя кислорода через коническое сопло. Для повышения эффективности удаления расплава из канала реза и увеличения толщины разрезаемых листов устройство содержит дополнительное кольцевое сопло, концентричное первому, через которое также подается кислород. Данное решение путем лучшего продувания канала позволяет повысить толщину разрезаемых листов по сравнению со случаем, когда кольцевое сопло отсутствует. Известный способ не позволяет разрезать материалы больших толщин. В данном решении канал реза формируется лазерным лучом, сфокусированным на поверхность листа. При этом размер пятна излучения на поверхности листа меньше, чем диаметр газовой струи. С повышением толщины разрезаемых листов необходимо повышать расход кислорода через канал реза и давление кислорода в камере сопла. Повышение давления в камере приводит к избыточной концентрации кислорода в верхней части канала. Поскольку ширина канала реза меньше диаметра струи кислорода, в верхней части канала возникает неконтролируемое самопроизвольное горение разрезаемого материала в направлении боковых стенок канала, затем горение распространяется на всю толщину листа. При этом шероховатость стенок канала значительно возрастает и качество реза ухудшается.A known method of laser cutting (Japanese Patent JP No. 11104879, IPC B23K 26/00, 26/06, 26/14, published 1999), in which a focused laser beam is incident on the cut sheet, an oxygen stream is supplied coaxially with the beam through a conical nozzle. To increase the efficiency of removing the melt from the cut channel and increase the thickness of the cut sheets, the device contains an additional annular nozzle concentric with the first, through which oxygen is also supplied. This solution by better blowing the channel allows you to increase the thickness of the cut sheets compared with the case when the annular nozzle is missing. The known method does not allow to cut materials of large thicknesses. In this solution, the cut channel is formed by a laser beam focused on the surface of the sheet. In this case, the size of the radiation spot on the sheet surface is smaller than the diameter of the gas jet. With an increase in the thickness of the cut sheets, it is necessary to increase the oxygen consumption through the cut channel and the oxygen pressure in the nozzle chamber. An increase in pressure in the chamber leads to an excess oxygen concentration in the upper part of the channel. Since the width of the cut channel is smaller than the diameter of the oxygen stream, uncontrolled spontaneous combustion of the cut material in the direction of the side walls of the channel occurs in the upper part of the channel, then combustion extends to the entire thickness of the sheet. At the same time, the roughness of the channel walls increases significantly and the quality of the cut deteriorates.
Известен способ газолазерной резки и установка для газолазерной резки (патент РФ №2025244, МПК5 B23K 26/00, опубликовано 30.12.1994), наиболее близкий к предлагаемому способу и принятый за прототип, в котором в начальной момент в зону реза направляют коротковолновый лазерный луч, а затем коаксиально ему направляют кольцевой луч длинноволнового лазера, фокусируют их на обрабатываемой поверхности, а технологический газ подают в зону воздействия лазерных лучей через наружное кольцевое коническое сопло. Плотность мощности излучения регулируют в зависимости от соотношений мощности и диаметров фокальных пятен лучей. Однако в известном способе скорость газа, истекающего из сужающегося конического сопла, ограничена и не может быть больше скорости звука, что не позволяет прорезать материалы больших толщин и, кроме того, поверхность реза получается недостаточно высокого качества.A known method of gas laser cutting and installation for gas laser cutting (RF patent No. 2025244, IPC 5 B23K 26/00, published December 30, 1994), which is closest to the proposed method and adopted as a prototype, in which at the initial moment a short-wave laser beam is directed into the cutting zone and then a ring beam of a long-wave laser is coaxially directed to it, they are focused on the surface to be treated, and the process gas is fed into the zone of laser radiation exposure through an outer ring conical nozzle. The radiation power density is regulated depending on the ratio of power and the diameter of the focal spots of the rays. However, in the known method, the speed of the gas flowing from the tapering conical nozzle is limited and cannot be greater than the speed of sound, which does not allow cutting through materials of large thicknesses and, in addition, the cut surface is not of high enough quality.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении глубины реза и толщины прорезаемого материала, в повышении качества поверхности реза, а именно уменьшение ее шероховатости и отсутствие грата.The technical result to which the invention is directed is to increase the depth of cut and the thickness of the material being cut, to increase the quality of the surface of the cut, namely, to reduce its roughness and lack of burr.
Технический результат достигается тем, что в способе газолазерной резки, при котором в зону реза последовательно направляют коротковолновый луч, фокусируют его на обрабатываемой поверхности в виде сплошного пятна, а затем коаксиально коротковолновому направляют длинноволновый луч и фокусируют его в виде кольца вокруг пятна, подают технологический газ в виде кольцевой струи, новым является то, что коротковолновый луч подают импульсно с амплитудой, равной толщине прорезаемого материала, а технологический газ подают в виде сужающе-расширяющейся сверхзвуковой струи с поджатием ее в зону реза через сужающе-расширяющееся кольцевое сопло с косым срезом на выходе.The technical result is achieved by the fact that in the gas-laser cutting method, in which a short-wave beam is sequentially directed into the cut zone, it is focused on the surface to be treated as a continuous spot, and then a long-wave beam is directed coaxially to the short-wave and focused in the form of a ring around the spot, process gas is supplied in the form of an annular jet, it is new that the short-wave beam is supplied pulsed with an amplitude equal to the thickness of the material being cut, and the process gas is supplied in the form of a narrowing yayuscheysya supersonic jet with its snap-action in the cutting zone through a converging-diverging nozzle ring with an oblique cut at the outlet.
Установка для газолазерной резки содержит генераторы лазерного излучения - коротковолновый со сплошным выходным пучком и длинноволновый с кольцевым выходным пучком, оптическую систему, газооптическую головку с сопловым устройством, состоящим из центрального конического сопла для подачи двухлучевого лазерного излучения и коаксиально ему расположенного кольцевого сопла для подачи технологического газа, выполненного сужающе-расширяющимся с косым срезом на выходе, обращенным к оси симметрии сопел.The gas laser cutting apparatus contains laser radiation generators — a short-wave with a continuous output beam and a long-wave with a ring output beam, an optical system, a gas-optical head with a nozzle device consisting of a central conical nozzle for supplying two-beam laser radiation and an annular nozzle for supplying process gas coaxially located thereto made narrowing-expanding with an oblique cut at the outlet facing the axis of symmetry of the nozzles.
Косой срез сверхзвукового кольцевого сопла выполнен под углом от 5 до 40° относительно плоскости его прямого среза.An oblique cut of a supersonic annular nozzle is made at an angle of 5 to 40 ° relative to the plane of its direct cut.
Сущность способа заключается в следующем. В зону реза через центральное коническое сопло направляют два лазерных луча с различными длинами волн, вначале фокусируют их на обрабатываемой поверхности, а активный технологический газ направляют в зону реза через наружное кольцевое сверхзвуковое сопло с косым срезом. Интенсификация процесса газолазерной резки физически происходит по следующему механизму: вначале коротковолновый луч, например с λ=1,06 мкм, нагревает и плавит металл из-за того, что поглощательная способность его больше в 1.5-2 раза, чем длинноволнового луча, например, с λ=10,6 мкм. При нагреве и плавлении металл интенсивно окисляется в присутствии активного технологического газа. В следующий момент окисленная зона металла увеличивается и кольцевой длинноволновый луч воздействует на окисленную зону, при этом его поглощательная способность увеличивается и сравнивается с коротковолновым поглощением, поэтому их совместное двухлучевое воздействие на зону реза ведет к более глубокому проплавлению металла. В следующий момент сфокусированный коротковолновый луч, импульсно углубляясь с амплитудой, равной толщине материала по фронту реза, окисляет его поверхность и способствует сохранению поглощательной способности длинноволнового луча. Образовавшаяся пленка расплава и возгоны металла удаляются компактной слившейся сверхзвуковой струей технологического газа из узкого и глубокого реза. Этот процесс многократно повторяется и определяет скорость резки и ее производительность.The essence of the method is as follows. Two laser beams with different wavelengths are sent to the cut zone through the central conical nozzle, first they are focused on the surface being treated, and the active process gas is directed to the cut zone through the outer ring supersonic nozzle with an oblique cut. The intensification of the gas laser cutting process physically occurs according to the following mechanism: first, a short-wave beam, for example with λ = 1.06 μm, heats and melts the metal due to the fact that its absorption capacity is 1.5-2 times greater than that of a long-wave beam, for example, λ = 10.6 μm. Upon heating and melting, the metal is intensely oxidized in the presence of an active process gas. At the next moment, the oxidized zone of the metal increases and the annular long-wave beam acts on the oxidized zone, while its absorption capacity increases and compares with short-wave absorption, therefore, their combined two-beam effect on the cutting zone leads to a deeper penetration of the metal. At the next moment, the focused short-wave beam, pulsing deeper with an amplitude equal to the thickness of the material along the front of the cut, oxidizes its surface and helps to maintain the absorption capacity of the long-wave beam. The resulting melt film and sublimates of the metal are removed by a compact merged supersonic jet of process gas from a narrow and deep cut. This process is repeated many times and determines the cutting speed and its productivity.
На фиг.1 представлена схема установки для газолазерной резки.Figure 1 presents the installation diagram for gas laser cutting.
На фиг.2 - сопловое устройство газооптической головки.Figure 2 - nozzle device of the gas-optical head.
Установка содержит два генератора лазерного излучения - коротковолновый 1 и длинноволновый 2 с кольцевым выходным пучком, оптическую систему, газооптическую головку 3 с сопловым устройством 4, состоящим из центрального конического сопла 5 и сверхзвукового сужающе-расширяющегося кольцевого сопла 6 с косым срезом 7 и системы подачи технологического газа 8. Оптическая система длинноволнового лазера 2 содержит кольцевое отражающее поворотное зеркало 9, двухзеркальный фокусирующий объектив 10 с кольцевыми отражающими зеркалами 11 и 12. Оптическая система коротковолнового лазера 1 содержит плоское поворотное зеркало 13, оптическая ось которого направлена на отражающее зеркало 14, установленное внутри и по оси кольцевого отражающего поворотного зеркала 9. Оптические оси зеркал 9 и 14 совпадают с осью конического сопла 5. Фокусирующая линза 15 коротковолнового лазера 1 установлена внутри двухзеркального объектива 10 длинноволнового лазера 2 в корпусе 16 с возможностью осевого перемещения.The installation contains two laser radiation generators - short-wave 1 and long-wave 2 with an annular output beam, an optical system, a gas-optical head 3 with a nozzle device 4, consisting of a central conical nozzle 5 and a supersonic taper-expanding ring nozzle 6 with an oblique cut 7 and a technological supply system gas 8. The optical system of the long-wave laser 2 comprises an annular reflective rotary mirror 9, a two-mirror focusing lens 10 with annular reflective mirrors 11 and 12. Optical the system of the short-wave laser 1 comprises a flat rotary mirror 13, the optical axis of which is directed to the reflective mirror 14 mounted inside and along the axis of the annular reflective rotary mirror 9. The optical axes of the mirrors 9 and 14 coincide with the axis of the conical nozzle 5. The focusing lens 15 of the short-wave laser 1 is installed inside the two-mirror lens 10 of the long-wave laser 2 in the housing 16 with the possibility of axial movement.
Установка работает следующим образом. Лазерный луч коротковолнового лазера 1 направляют на отражающее поворотное зеркало 13, отражающее зеркало 14, и от него луч направляется в объектив 10 на фокусирующую линзу 15 и через центральное коническое сопло 5 импульсно с амплитудой, равной толщине прорезаемого материала, в зону реза 17. Лазерный кольцевой пучок длинноволнового лазера 2 направляют на отражающее зеркало 9 и от него в фокусирующий объектив 10, в котором луч отражается кольцевыми зеркалами 11 и 12 и также направляется через центральное коническое сопло 5 в зону реза 17. Одновременно из системы подачи технологического газа 8 в кольцевое сопло 6 под высоким давлением подается технологический газ, который, истекая из сверхзвукового кольцевого сопла 6 с косым срезом 7 на выходе, поджимается и в виде высокоскоростной сверхзвуковой струи воздействует на зону реза 17 обрабатываемого материала 18, образуя фронт реза 19.Installation works as follows. The laser beam of the short-wave laser 1 is directed to a reflective rotary mirror 13, a reflective mirror 14, and from there the beam is directed to the lens 10 to the focusing lens 15 and through the central conical nozzle 5 is pulsed with an amplitude equal to the thickness of the cut material into the cut zone 17. Laser ring the beam of the long-wave laser 2 is directed to and from the reflecting mirror 9 into the focusing lens 10, in which the beam is reflected by the ring mirrors 11 and 12 and also directed through the central conical nozzle 5 into the cutting zone 17. Simultaneously о from the process gas supply system 8, the process gas is supplied under pressure to the annular nozzle 6, which, flowing out of the supersonic annular nozzle 6 with an oblique cut 7 at the outlet, is compressed and acts as a high-speed supersonic jet on the cut zone 17 of the processed material 18, forming cutting front 19.
Газолазерную резку листовых материалов осуществляют воздействием на зону реза двумя лазерными лучами с различной длиной волны, проходящими через отверстие в коническом сопле 5, фокусируют их на обрабатываемую поверхность, при этом коротковолновый луч подают импульсно с частотой (20-210) Гц и амплитудой, равной толщине прорезаемого материала, длинноволновой луч фокусируют в виде кольца вокруг пятна коротковолнового. Технологический газ (активный кислород, воздух или смесь (О+N или пассивный - азот, аргон) подают через кольцевое сужающе-расширяющееся сверхзвуковое сопло с косым срезом, обращенным тупым углом к оси симметрии лазерных лучей. Струя газа поджимается к оси, при этом увеличивается ее скорость и интенсивность воздействия на разрезаемый материал. Высокоскоростная сверхзвуковая струя технологического газа обеспечивает необходимую глубину реза и высокое качество его поверхности.Gas-laser cutting of sheet materials is carried out by exposing the cutting zone to two laser beams with different wavelengths passing through the hole in the conical nozzle 5, focusing them on the surface to be treated, while the short-wave beam is pulsed with a frequency of (20-210) Hz and an amplitude equal to the thickness of the material being cut, the long-wave beam is focused in the form of a ring around the short-wave spot. A process gas (active oxygen, air, or a mixture (O + N or passive — nitrogen, argon) is fed through an annular tapering-expanding supersonic nozzle with an oblique cut, obtuse to the axis of symmetry of the laser beams. The gas jet is compressed to the axis, while increasing its speed and intensity of impact on the material being cut.High-speed supersonic jet of the process gas provides the necessary depth of cut and high quality of its surface.
Таким образом, за счет совместного двухлучевого воздействия коротковолновых и длинноволновых лазерных лучей и сверхзвуковой струи технологического газа, направленной в зону реза с поджатием за счет косого среза сопла, достигается интенсификация процесса газолазерной резки материалов большой толщины с высоким качеством поверхности реза.Thus, due to the combined two-beam effect of short-wave and long-wave laser beams and a supersonic jet of process gas directed into the cutting zone with compression due to the oblique nozzle exit, the gas-laser cutting of large thickness materials with high quality of the cutting surface is intensified.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011118919/02A RU2466842C1 (en) | 2011-05-11 | 2011-05-11 | Method of laser gas bonding and plant to this end |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011118919/02A RU2466842C1 (en) | 2011-05-11 | 2011-05-11 | Method of laser gas bonding and plant to this end |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2466842C1 true RU2466842C1 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=47323140
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011118919/02A RU2466842C1 (en) | 2011-05-11 | 2011-05-11 | Method of laser gas bonding and plant to this end |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2466842C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104708198A (en) * | 2015-03-02 | 2015-06-17 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | Cutting nozzle airflow cavity device and cutting nozzle system |
| RU2639200C1 (en) * | 2016-10-14 | 2017-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of double-laser welding |
| DE102019135375A1 (en) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Nozzle for a laser processing device and laser processing device with the same |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2025244C1 (en) * | 1991-04-24 | 1994-12-30 | Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева | Method of gas laser cutting |
| SU1743089A1 (en) * | 1990-04-06 | 1996-09-20 | Казанский авиационный институт им. А.Н.Туполева | Method and apparatus for gas-laser cutting |
-
2011
- 2011-05-11 RU RU2011118919/02A patent/RU2466842C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1743089A1 (en) * | 1990-04-06 | 1996-09-20 | Казанский авиационный институт им. А.Н.Туполева | Method and apparatus for gas-laser cutting |
| RU2025244C1 (en) * | 1991-04-24 | 1994-12-30 | Казанский государственный технический университет им.А.Н.Туполева | Method of gas laser cutting |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104708198A (en) * | 2015-03-02 | 2015-06-17 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | Cutting nozzle airflow cavity device and cutting nozzle system |
| RU2639200C1 (en) * | 2016-10-14 | 2017-12-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of double-laser welding |
| DE102019135375A1 (en) * | 2019-12-20 | 2021-06-24 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Nozzle for a laser processing device and laser processing device with the same |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11235423B2 (en) | Laser cladding method and device for implementing same | |
| KR101678707B1 (en) | Laser cutting method and laser cutting equipment | |
| KR100584310B1 (en) | Method and apparatus for processing material with laser beam injected into injection liquid | |
| TWI702105B (en) | Laser processing apparatus and method | |
| US20220168841A1 (en) | Method for flame cutting by means of a laser beam | |
| WO2013039161A1 (en) | Method and device for laser cutting process | |
| JP5639046B2 (en) | Laser processing apparatus and laser processing method | |
| JP4930594B2 (en) | Laser processing nozzle | |
| RU2466842C1 (en) | Method of laser gas bonding and plant to this end | |
| US20230111969A1 (en) | Laser cutting method and laser cutting apparatus | |
| JP2000107879A (en) | Laser cutting method and laser nozzle used in its method | |
| JP2000202678A (en) | Nozzle for laser beam cutting and laser beam cutting device | |
| RU2350445C1 (en) | Method for cutting of thick metal sheets | |
| EP2864077B1 (en) | Laser drilling method and system for producing shaped holes | |
| RU109686U1 (en) | INSTALLATION FOR GAS-LASER CUTTING | |
| JP3905732B2 (en) | Laser processing head, laser cutting apparatus and laser cutting method using the same | |
| JPH01245992A (en) | Multiwavelength laser beam machine | |
| JP2003285186A (en) | Laser beam machining device | |
| Sundqvist et al. | High-speed imaging of droplet behaviour during the CYCLAM drop-deposition technique | |
| JP2016078073A (en) | Processing method for sheet metal with direct diode laser beam and direct laser processing apparatus for executing the same | |
| JP3623274B2 (en) | Laser processing machine processing head | |
| JPS5987995A (en) | Laser and gas cutter | |
| RU2025244C1 (en) | Method of gas laser cutting | |
| RU2089365C1 (en) | Method of and device for gas-laser cutting of metals | |
| Volpp et al. | Laser process manipulation by axial beam shaping |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140512 |