Способ лазерной резки труб из кварцевого стекла при их вытяжке

)5 С 03 В 33/09 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) БРЕТЕНИЯ ОПИСАН К АВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТВУ 1 2(21) 4876343/33 окружности труб в плоскости, перпендику- (22) 27.07.90 лярной оси труб. С целью сохранения не- (46) 15,06.93. Бюл. М 22 прерывности движения труб в процессе их (71)Ленинградскийэлектротехнический ин- . вытяжки, Повышения качества и снижения ститут им. В.И.Ульянова (Ленина) и Конст- брака при их производстве осуществляют рукторское бюро "Гюйс" г, Рыбинска синхронное перемещение пятен сфокуси- (72) В.М,Ганюченко, С.Г.Вологдина, Н.А.Ка- рованного излучения вдоль оси труб с фолинин,Н,М.Маров, В,Д.Афанасьев, Г.В,Ти- кусировкой пучков на диаметрально гонен и Ю.Г.Задорин противоположных относительно оси точках . (56).1. Авторское свидетельство по заявкетруб, в том числе с возможностью периоди- М 4713307/33, С 03 В 22/ОО, 1989. ческой подачи излучения. Блоки каналиро 2,Авторскоесвидетельство СССР . вания разделяются на два оптически М 1503186 В 23 К 26/00, нп,связанные субблока с оптическими осями,Патент США В 4088865, 219-121, 1978.параллельными оси трубы, с возможностьюих синхронного перемещения с осевым (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ТРУБ ИЗ движением трубы и одновременным пере- а КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА ПРИ ИХ ВЫТЯЖКЕ . мещением в плоскости, перпендикуляр- (57)Изобретениеотноситсякоптоэлектрон- ной оси трубы по окружноСти вокруг ной, светотехнической и электронной про- трубы, причем блок распределения излучемышленности, Сущность изобретения: ния может быть выполнен в виде цикличеспособ резки кварцевых труб на. вытяжке ского переключения лазерного излучения, ф включает разделение лазерного пучка по позволяющего регулировать длйтельность двум каналам, фокусировку полученных пуч- периода подачи излучения на каждый канал, ков на поверхности с перемещением их по 1 э.п. ф-лы, 3 ил. Изобретение относится к способам разделения труб из кваревого стекла, в част. ности, опорных труб; используемых в производстве высококачественных световодов, в процессе их вертикальной вытяжки из нагревательно-формовочной печи и может быть использовано в оптоэлектронной, светотехнической и других отраслях техники, где предъявляются высокие требования к постоянству геометричЕских и физических параметров указанных труб.Целью изобретения является сокращение непрерывности йроцесса вытяжки труб при ихлазерной резке, повышение качества . готовых труб и снижение брака при их производстве.Согласно изобретению, поставленнаяцель достигается использованием способа лазерной резки. труб из кварцевого стекла . при их вытяжке,в котором разделяют исходный пучок лазерного излучения по двум независимым каналам транспортировки лазерного излучения, фокусируют полученные пучки лазерного излучения на поверхности труб и перемещают сфокусированное излучение по окружности труб в плоскости,перпендикулярной оси труб, фокусировкупучков производят на диаметрально противоположных относительно оси точках труб,осуществляют в процессе резки непрерывное движение труб и одновременно переме- щение пятен сфокусированного излучениявдоль оси труб, синхронизированное с движением труб,Способ отличается также тем, что сфокусированное лазерное излучение на диаметрально противоположные точки поверхности труб подается поочередно с периодом подачи т, удовлетворяющим соотношениюд ./цтг/ч,где д - .голщина стенки трубы см),Е - удельная объемная энергия разрушения кварцевого стекла лазерным излучением Дж/смз),о - средняя интенсивность сфокусированного излучения по толщине трубки в пределах яркостного пятна сфокусированногоизлучения Вт/см 1,г- яркостный радиус сфокусированногоизлучения см 1,ч - линейная скорость перемещения пуска сфокусированного излучения по поверхности трубы см/с 1 .Докажем существенность отличитель-.ных признаков настоящего изобретения.Использование непрерывного движениятруб в процессе резки, обеспечиваемое синхронизацией перемещения сфокусированного пятна излучения вдоль оси труб сосевым перемещением труб, определяетпостоянство во времени температурныхвоздействий в зоне пластичности труб, и,следовательно, постоянство формы поперечного сецения труб по их длине, т,е. повышение их качества, Использование прирезке поДачи лазерного излучения в томчисле, при поочередной(циклической) подаче излучения, с параметрами, удовлетворяющими неравенствам в формуле изобретения,на диаметрально противоположные точкиповерхности труб обеспечивает синхронноеперемещение непрерывной прорези в трубеи практически одновременное завершение.прорези, т.е. отрезания трубы в диаметрально противоположных точках окружноститрубы, При этом на всем протяжении резкина трубке не возникает сдвигающего момента сил, обусловленного приложениемвеса отрезаемой части трубки к плечу, равному среднему радиусу трубы, и вызывающего осевое смещение трубки в зонепластичности вформовочной печи. За счетпредотвращения смещения вызванной имнесимметрии температурного поля в трубе в зоне пластичности качество трубы возрастает и снижается доля брака в конечном продукте,На фиг.1 изображена схема устройства 5 лазерной резки труб из кварцевого стеклана вытяжке;, на фиг.2 - схема блока распре деления лазерного излучения.по каналамс использованием делителя лазерного излучения - полупропускающего зеркала;10 на фиг,Э - то же, с использованием циклического переключателя излучением по каналам.На фиг,1 представлена упрощенная схема устройства для осуществления предлага емого способа лазерной резки труб изкварцевого стекла при их вытяжке, позволяющая пояснить предлагаемый способ.Устройство состоит из лазера 1, блокараспределения 2 лазерного излучения, по 20 каналам передачи. блоков каналированияизлучения 3 и 3, каждый иэ которых включает передний 4 и 4 и задний 5 и 5, по ходу луча субблоки каналирования, а также блоков лазерных головок 6 и 6 с фокусировкой 25 излучения и привода 7 перемещения вращения) блоков лазерных головок по окружности вокруг вытягиваемой трубы 9. Лазер 1 и блоки 2, 3, 3 оптически соединены друг с другом, Устройство включает также привод.30 9 перемещения по оси трубки задних походу луча субблоков 5 и 5 канэлировайия .пучков излучения и жестко связанных с ними блоков лазерных головок 6 и б, блок синхронизации 10 скорости перемещения 35 по оси трубок указанных блоков 6 и 6 с:осевыми перемещением трубы 8. Передние по ходу луча субблоки 4 и 4 каналирования; излучения выполнены с возможностью вра-.щения их оконечных поворотных зеркал по 40 окружности, коаксиально расположенной собрабатываемой трубой 8 и снабжены блоком синхронизации скорости их вращения со скоростью вращения задних по ходу лучасубблоков 5 и 5 каналирования и лазерных 45 головок 4 и 4, так, что при вращении ла,зерных головок вокруг трубы сохраняется оптическая связь их с субблоками 4 и 4 каналирования и лазером 1. Одновременно обеспечивается возможность перемещения 50 вдоль обрабатываемой трубы из кварцевогостекла блоков лазерных головок с сохранением их оптической связи с лазером, В ходе резки такое перемещение происходит синх. ронно с движением трубы, а в период пауз 55 между резкой осуществляется возвратноеосевое перемещение вверх) блоков лэзерных головок,В качестве лазера 1 для резки труб иэ кварцевого стекла выбирают обычно СО 2 лазеры, излучение которых практическиполностью поглощается в поверхностном диска 24, подобно диску 21. Диск 24 выполслое кварцевого стекла толщиной менее нен с возможностью его вращения вокруг-з2.10 см. Конструктивно блок распределе-оси трубы и снабжен. приводом вращения 7.ния 2 лазерного излучения по каналам мо- Диск установлен на горизонтальной платжет быть выполнен, как и в прототипе, в 5 форме 25, выполненнойс воэможностью еедвух вариантах. В первом варианте, схе- перемещения вдоль оси трубы (по вертикаматически представленном на фиг.2 ис: ли),снабженнойприводомперемещения 26пользуется полупрозрачное зеркало 11, и блоком 27 синхронизации его скорости сообесйечивающее на каждом иэ двух оптиче- скоростью вытягивания трубы, например,ских выходов 12 и 13 блока мощность. в .10 выполненным в виде блока механическоговыходных пучках 14, 15 около 50 от мощ-сцепления платформы и трубы. Кроме того,. ности пучка лазера, Во втором варианте междудйсками 24 и 2.1 установленблоксин: блока распределение мощности пучка по хронизации скорости их вращенйя, котодвум каналам происходит в вйде цикличе- рый, например, как показано на рисунке,ского переключателя с блоком регулирова может быть выполнен в виде двух пар шесния длительности периода подачи с . тереночных передач с общим шлицевым ва: помощью подвижного непрозрачного зер- лом (на рисунке показан условно), Длякала, выполненного, например; в виде пло- вращения диска 21 может быть использованского вращающегося металлического диска - дополнительный двигатель, в последнем16 с прорезями, как показано на фиг.3. В 20 случаетребуемая синхронизация вращенияэтом случае разделение исходного лазерно- дисков 21 и.24 обеспечивается блоком элекго.пучка по каналам транспортировки про-трической синхронизации (на рисунке не поисходит во времени со средней по времени казана),мощностью в каждом канале также 50 от . УстройСтво работает следующим обрамощности исходного пучка.25 зом, В момент начала резки платформа 25Выходы 12 и 13 блока распределения. 2, и верхний диск 24 с оптическими субблокаоптически связаны. с выходными поворот- ми 5 и 5 и лазерными головками 6 и 6ными зеркалами 17 и 17 субблоков 4 и 4 начинают перемещаться вниз из крайнегоблоков каналирования излучения, Для лево- верхнего положения, причем скорость ихго на фиг,1 блока каналирования 3 эта.связь 30 перемещения приводом 26 синхрониэироосуществляется через дополнительное по- вана(электрически или механически) со сковоротное зеркало 18;.Зеркала 17 и 17 вы- ростью снижения трубы 8. Одновременнополнены с возможностью их вращения включается привод вращения 7 диска 24 ивокруг вертикальной оси, совпадающей с синхронно с последним привод вращенияосью пучков 14, 15 и имеют постояниую 35 диска 21. Лазерное излучение от лазера 1оптическую связь по лучам с выходнымй через блок распределения поступает одноповоротными зеркалами 19 и 19 субблоков временно или непрерывно-периодически4 и 4. Для обеспечения этой связи. зеркала (поочередно), в соответствии с испольэуе 19 и 19 установлены неподвижно на шарни-мым вариантом блока распределения, в каре, соединяющем пары зеркал 17-19 и 17- 40 калы 1 и 11, Через непрерывно оптически19 причем шарниры имеют оси вращения, связанные поворотные зеркалакаждого .совйадающие с осями пучков 20 и 20, отра- канала излучение поступает к фокусируюженных от зеркал 19 и 19, Оси указанных .щим линзам 23 и 23. Сфокусированноевыходных пучков при этом располагаются излучение поступает на диаметрально пропараллельноосиобрабатываемойтрубки 8; 45. тивоположные точки трубы 8 (обрезаеЗеркала 19 и 19 расположены симметрично мой),. перемещающиеся по окружностиотносительно оси трубы 8 на плоском диске трубы на расстояние не менее половины ее21, выполненном с возможностью его вра- окружности-до окончания прорезания трущения вокруг оси трубы в плоскости, пер- бы. По окончании резки производится выпендикулярнойееоси; 50 ключение лазерного излучения и отводВыходные пучки 20 и 20 от субблоков 4 платформы 25 в исходное верхнее положеи 4 оптическй связаны с поворотными зер- . ние; Для обеспечения безопасности работыкалами 22 и 22 субблоков 5 и 5, которые в на установке промежутки между парами посвою очередь Оптически связаны с фокуси- воротных зеркал 17-19, 17-19, 19-22 и 19- рующими линзами 23 и 23 установленными 55 22 могут закрываться цилиндрическимив лазерных головках 6 и 6. Конструктивно телескопически соединенными кожухамисубблоки 5 и 5 жестко соединены с лазер- (на рисунке не показаны),ными головками и так же жестко установле- Способ характеризуется сохранениемны на диаметрально противоположных непрерывности процесса вытягия;и.д труб(относительно оси трубы точках) плоского ки из печи. в том числе и с иэменния 1,сяхронизации скоростей на схеме фиг.1 не 10 20 ния)до ее окончания (после прохождения 25 головок) ЗО отражательного зеркала, устанавливаемого 35 в.блоке 2. В течение времени каждого полуцикла подачи излучения по каналу необходимо разрушить кварцевое стекло на глубину, не менее толщины стенки трубки д, Поэтому время "импульсного" воздейст вия излучения на трубку в каждом канале т . должно быть больше д ц. Зкспериментзльйые исследования показывают, что из-эа большой вязкости кварцевого стекла его скоростью (необходимой в некоторых вариантах установок вытягивания для стабилизации наружного диаметра и других геометрических характеристик трубок). Для этого до момента начала резки включается привод осевого перемещения 10 и синхронизируется скорость чф) перемещения платформы 25 со скоростью перемещения (снижения) трубки чф); ч 1(т) = чг(т). Блок синпоказан и может быть выполнен, например, в виде электромеханического устройства с измерителем скорости трубки, скорости платформы и электрическим блоком управления скоростью привода 10, Фокусирующие линзы 6 и 6 установлены так, что пятна сфокусированного излучения поступают на диаметрально противоположные точки окружности трубы. Поэтому при использовании в блоке распределения полупропускающего зеркала с передачей в каждый из каналов одинаковой мощности в течение всего времени с начала резки (подачи лазерного излучения в блок распределепятйом половины окружноститрубы) на трубе не появляется сдвигающего момента сил (под действием веса обрезземой части трубы и давления газа иэ сопел газолазерных Такой же практически результат дости. гается, если распмделение излучения лазера между каналами 1 и 11 производится по времени путем циклического перемещения разрушение происходит преимущественно путем испарительной деструкции кзк для непрерывного, так и для импульсно-непрерывного излучения, поэтому удельная энер, гия разрушения СОг-лазерным излучением близка к удельной теплоте испарения. С 45 50 другой стороны, длительность подачи излучения по каждому из каналов должна быть сопоставлена со скоростью ч перемещения сфокусированного пятна по трубе, Очевидно, что.для образования непрерывной прорези в трубе должно быть соблюдено условие т ч 2 г. Практические измерения показывают, что период подачи излучения т в каждый из каналов не должен превосходить при этом соотношения г/ч. Формула изобретения1. Способ лазерйой резки труб из кварцевого стекла при их вытяжке, включающийразделение исходного пучка лазерного излучения по двум независимым каналамтранспортировки лазерного излучения, фокусировку .йолученных пучков лазерногоизлучения на диаметрально противоположных поверхностях труб и перемещениесфокусированного излучения по окружности труб в плоскости, перпендикулярной оси.труб, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью:сохранения непрерывности, движениятруб в процессе вытяжки, повышения качества готовых труб и снижения брака приих производстве, осуществляют синхрон- .ное перемещение пятен сфокусироаанногоизлучения и трубы в вертикальном направлении.2.Способ поп.1,отличающийсятем, что сфокусированное лазерное излучение подают на диаметрально противоположные точки поверхности труб поочереднос периодом подачи т., удовлетворяющимсЬотношениюд Оо т г/2,где д - толщина стенки трубы, см;1. - . удельная обьемная энергия разрушения кварцевого стекла лазерным излучением, Дж/см;о - средняя интенсивность сфокусированного излучения по толщине трубки в пре- .делах яркостного пятна сфокусированногб .излучения, 8 т/см;г - яркостный радиус сфокусированного излучения, см;т - линейная скорость перемещенияпучка сфокусированного излучения по поверхности трубы, см/с,.е Заказ 2090 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГК 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат."Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101