Спосіб лазерного різання з допоміжним водяним струменем

Спосіб лазерного різання з допоміжним водяним струменем, згідно з яким лазерний промінь направляють на матеріал, що оброблюється, у тому ж напрямку подають струмінь захисного газу, в ту ж саму точку направляють струмінь води під тиском, який відрізняється тим, що обробка здійснюється циклічно, спочатку на визначений час включають лазерний промінь, а після його включення на ту ж саму точку матеріалу під тиском подають струмінь води, потім зміщують точку обробки відносно матеріалу і повторюють вказаний цикл Винахід має відношення до техніки лазерної обробки матеріалів, зокрема до лазерного різання і може бути використаний для розкрою крихких неметалічних матеріалів, таких як природний та штучній камінь, скло, кераміки, пластики тощо Існує "Спосіб лазерного різання матеріалу та пристрій для його виконання", запатентований у Роси (20 02 95г, Пат №2028898) Згідно з цим способом виконують сканування лазерного променю в площині різання На відміну від газолазерного різання продукти дії лазерного променя на матеріал, які знаходяться в рідкому чи дисперсному стані, видаляють не струменем стиснутого газу, а механічним інструментом, який слідує в площині різання безпосередньо за лазерним променем Автори винаходу вважають, що таким чином вони досягають підвищення ефективності використання потужності лазерного випромінювання Проте цей спосіб та пристрій мають суттєві недоліки Поперше, за цією технологією неможливе різання по кривій лінії, оскільки рух механічного інструменту виконується в площині різання По-друге, видалення матеріалу, розігрітого лазернім випромінюванням викликає підвищене зношування механічного інструменту згаданому приладі поєднуються переваги водоструменевого та лазерного різання Лазерне випромінювання діє на матеріал, що розрізується, а струмінь рідини видаляє продукти лазерної дії До переваг цієї технології належать майже повна відсутність теплових пошкоджень матеріалу, можливість прецизійного різання дуже тонких, пористих та шаруватих матеріалів Однак, цей спосіб має декілька недоліків По-перше, використання струменю рідини в якості хвильоводу накладає жорсткі обмеження на довжину хвилі лазерного випромінювання, пов'язані зі спектром поглинання води та інших рідин Найбільш придатним в даному випадку з точки зору довжини хвилі, потужності та ціни з'являється твердотільний неодимовий лазер з довжиною хвилі 1,06мкм Проте за своєю надійністю, ціною, потужністю та ефективністю саме для розрізання неметалічних матеріалів найбільш привабливими є СОг лазери, використання яких в даному пристрої неможливе внаслідок високого поглинання водою і всіма іншими рідинами випромінювання з довжиною хвилі 10,6мкм Вказані недоліки певною мірою долає спосіб лазерного різання, викладений в патенті США 5902499 "Спосіб і пристрій для обробки матеріалу за допомогою лазерного променю, який розповсюджується в струмені рідини" В цьому способі струмінь використовується в якості хвильоводу, тобто безпосередньо в цей струмінь направляють лазерний промінь (Дивіться фіг1) Таким чином в В основу цього винаходу поставлено задачу В способі лазерного різання шляхом періодичного подання в точку обробки матеріалу на визначений час лазерного проміню спільно з захисним газовим струменем, після закінчення дії лазерного проміню подання в ту ж саму точку обробки на визначений час струменю рідини, зокрема води, зміщення точки обробки на визначену відстань від попередньої та повторення вказаного циклу, забезпечити можливість використання СОг- лазера в якості променевого джерела, а також зменшити О (О о ю ю 55060 яка перевищує межу термостійкості Звідси одержуємо, що найбільша швидкість різання прямо 1? / пропорційна густині потужності \/тах-2Іа/(ті ТСХ) Необхідна частота повторення циклів обробки, при якій можна досягнути максимальної швидкості, буде таким чином визначатися густиною потужно2 2 2 2 сті та складатиме fOpt=Vmax /2a=2l a/(Tc A, 7i) Приймаючи для граніту теплопровідність Я,=1Вт/(м-К), критичну температуру Тс, близькою до температури плавлення Т=1000К, але не більше за неї, гус3 тину р=3г/см , теплоємність с=0,8Дж/г-К, одержуємо, що при густині потужності лазерного 2 випромінювання 4,5Вт/мм максимальна швидкість різання дорівнюватиме 2мм/с При цьому необхід1 на частота циклів обробки складатиме 5с Якщо збільшити густину потужності в 10 разів, то швидкість різання також зросте в 10 разів, а необхідна частота циклів зросте в 100 разів та складатиме 500с 1 Досить цікавим висновком з наведеного розгляду є те, що з ростом потужності та частоти зростатиме також якість розрізу, оскільки порція матеріалу, що видаляється за один цикл, зменшу1? / ватиметься з частотою як (2a/f) та з густиною 1? / потужності як ті ТД/І Реальні значення густини Спосіб реалізується таким шляхом потужності та частоти циклів будуть визначатися Промінь СОг лазера ИЛГН-709 з довжиною такими чинниками, як швидкодія системи комутації хвилі 10,6мкм і потужністю випромінювання 150Вт водяного струменю, гранична величина внеску фокусують за допомогою лінзи з селеніду цинку і енергії в матеріал без крихкого руйнування зразка подають в атмосфері супутнього повітря під тисв цілому, розумний компроміс між ціною та потужком 10 атмосфер в точку різання матеріалу, зокністю лазера Слід ВІДМІТИТИ, ЩО при частоті 500 с рема граніту, на проміжок часу тривалістю Юмс 1 передбачаються значні складнощі з комутацією Після закінчення лазерної дм в точку обробки в водяного струменя Тому реалістичною слід вватому ж самому або в протилежному напрямку пожати частоту 50с 1 , якій відповідає густина потуждають струмінь води діаметром 1мм під тиском ності 14Вт/мм2та швидкість різання 6,5мм/с Вва100 атмосфер тривалістю Юмс Після виключення жаючи, що діаметр лазерного променя дорівнює струменю точку обробки зміщують в необхідному 0,5мм, а товщина пластини каменя, що розрізуєтьнапрямку на 0,2мм і вказаний цикл обробки повтося - 2см, та зневажаючи відбиванням лазерного рюють випромінювання від поверхні матеріалу, одержуєНаведемо деякі розрахунки, які підтверджують мо, що густині потужності лазерного випромінюможливість реалізації запропонованого способу, вання 14Вт/мм2 відповідає потужність 220Вт, а спираючись на рішення одномірного ЛІНІЙНОГО рівсередня за час різання - 110Вт Приймаючи до няння теплопровідності, яке описує нагрівання уваги те, що за звичайною газолазерною технолонапівбезкінечного середовища необмеженим погією ми змогли розрізати граніт "габро" 2см завдоверхневим джерелом / 1 / За цим наближенням вшки зі швидкістю 1мм/с тільки при потужності густина потужності, поглиненої на поверхні та ненеперервного випромінювання СОг лазера 2кВт, обхідної для досягнення на поверхні за час х темта після цього він розтріскався на глибину до 2см ператури Т, оцінюється як І=(ті ЯХ)/2(ах) , де від лінії різання, можна зробити висновок, що затемпературопроводність а=Я,/рс, X - теплопровідпропонована технологія обіцяє значні переваги як ність, р - "густина Знаючи критичну температуру за точністю різання, так і за ціною обладнання Тс, яка відповідає межі термостійкості, та густину На фіг 1 зображено схему, яка ілюструє принпотужності лазерного випромінювання, звідси моцип різання з використанням водяного струменю в жна знайти необхідну тривалість лазерної дм х якості хвильоводу 1? / На фіг 2 наведено ілюстрацію принципу дії Глибина проникнення тепла за цей час 2(ах) способу та пристрою для лазерного різання матеПрипускаючи, що розтріскування та видалення ріалу Цикл обробки складається з фази І, під час матеріалу матиме місце саме на цю глибину, а якої в точку обробки подають лазерний промінь 1 з також, що тривалість лазерної дм х дорівнює полосупутнім газом 2, та фази II, під час якої в ту ж савині періоду, одержуємо, що швидкість різання му точку подають струмінь рідини 3 в тому ж сазалежить тільки від частоти повторення циклів та мому або в протилежному напрямку температуропроводності як v=2(ax)1/2f=(2af)1/2 Література Швидкість різання пропорційна кореню квадратно1 Технологические лазеры Справочник в 2-х му з частоти за умовою, що густина потужності томах под ред Г А Абильситова, т 1, М , Машинозабезпечує досягнення критичної температури Тс, строение, с 431 потужність лазерного джерела, необхідну для різання матеріалу Вказана задача вирішується таким шляхом Здійснюється ЦИКЛІЧНИЙ режим різання, згідно з яким в точку різання спочатку подають імпульс випромінювання СОг лазера в атмосфері супутнього газу, зокрема стиснутого повітря, після чого в ту ж саму точку в тому ж або протилежному напрямку подають струмінь води високого тиску При цьому матеріал локально розігрівається лазерним променем до критичної температури, нижчої за температуру плавлення Зауважимо, що оскільки спосіб реалізується без плавлення та випаровування матеріалу, то таким шляхом досягається значне зменшення необхідної потужності лазера Струмінь води подається одразу ж після закінчення лазерної дії Таким чином, зникають обмеження на довжину хвилі лазерного випромінювання та на ефективність використання енергії випромінювання Водяний струмінь забезпечує ефективне охолодження зони розігріву Внаслідок виникаючих при цьому механічних напружень розтягування матеріал локально розтріскується та видаляється водяним струменем із зони різання Після ВІДПОВІДНОГО зміщення точки обробки описаний цикл повторюється 55060 4 ФІГ.1 Фаза І Фаза I I Фіг.2 Підписано до друку 03 04 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24