CC BY
296
ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ
УДК 621.373.926:621.79
ЛАЗЕРНЫЙ РАСКРОЙ УГЛЕРОДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
© 1999 Д.М. Гуреев, С.И. Кузнецов, А.Л. Петров Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
Изучены возможности лазерного излучения для реализации раскроя листовых углеродных материалов. Теоретически обосновано и экспериментально показано, что непрерывное лазерное излучение эффективно лишь для раскроя углепластиков и углерод-углеродных композиционных материалов толщиной до 1.5 мм. Для лазерного раскроя углекомпозитов большей толщины перспективным является использование импульсно-периодического излучения с большой частотой следования импульсов в режиме многопроходной резки.
Введение
Углеродные материалы такие, как углепластики и углерод-углеродные композиты по своим уникальным характеристикам относятся к одним из наиболее перспективных материалов для авиакосмической промышленности, автомобилестроения, нефтехимии. При изготовлении из них изделий различного функционального назначения ответственными технологическими операциями являются формообразование и раскрой. Вместе с тем традиционные методы механического раскроя, формирования отверстий, пазов, применяемые при обработке углеродных композиционных материалов, весьма трудоемки и не лишены недостатков, к числу которых следует отнести: сильный износ режущего инструмента и необходимость использования алмазных и твердосплавных вставок; возникновение трещин, расслоение материала и махрение кромок из-за вибрационных и ударных нагрузок со стороны режущего инструмента на обрабатываемый материал; ограничения, накладываемые контуром раскроя; большой процент отходов; вредные условия труда.
Одним из возможных путей преодоления трудностей механообработки и перевода технологии раскроя на более высокий качественный уровень является использование мощных технологических лазеров. В настоящее время в литературе практически отсутствуют сведения о применении лазерного излучения для обработки углеродных композиционных материалов, в том числе и для их раскроя. В соответствии с этим целью данной работы являлось определение основных характеристик лазерного раскроя углепластиков и углерод-углеродных
композитов для выявления возможностей практического использования лазеров непрерывного и импульсно-периодического действия при изготовлении изделий из углеродных композиционных материалов.
Физические предпосылки лазерного раскроя углеродных композиционных материалов
Основными характеристиками лазерного раскроя являются ширина и глубина реза, качество формируемых кромок, ширина зоны термического влияния (ЗТВ). В общем случае на процесс лазерного раскроя влияют три группы факторов: теплофизические и оптические свойства материала; пространственно-временные и энергетические характеристики лазерного излучения; технологические условия реализации процесса.
В большинстве случаев при лазерном раскрое локальный нагрев осуществляется за времена более 10-8 с, что позволяет использовать для описания тепловых процессов классическую теорию теплопроводности. В зависимости от параметров теплового источника (мощности или энергии излучения, диаметра пятна фокусировки, длительности воздействия) используют различные модели нагрева. Для оценки параметров раскроя и выявления их функциональной взаимосвязи можно воспользоваться простой моделью полного теплового баланса [1].
Если принять, что вся энергия излучения расходуется на плавление и испарение материала, то можно записать
АР = уЪкр (с АТ + Ьт + тЬеу), (1)
где Р - падающая на поверхность мощность излучения, А - поглощательная способность поверхности, V - скорость перемещения лазерного луча, Ь - ширина реза, Н - глубина прорезания, р - плотность материала, с - теплоемкость, Ь - скрытая теплота плавления, Ь - скрытая теплота испарения, т - доля испаренного вещества.
Из выражения (1) в приближении быст-
УТ
ным. Так как для углепластиков и углерод-угле-родных композиционных материалов (УУКМ)
величина д/аг ~ 10-2 мм, а т.> 10-1 мм, то для оценок результатов воздействия лазерного излучения на эти материалы вполне справедливо использовать одномерную модель распространения тепла. После окончания очередного импульса материал начинает остывать и при
I <
а
родвижущегося теплового источника (— >> 1, частоте следования импульсов 30гг 2 по
а
где d = 2т - диаметр пятна фокусировки, а -коэффициент температуропроводности) легко рассчитать зависимость Н(Р). В предположении, что вся энергия лазерного излучения затрачивается на нагрев удаляемого материала до температуры испарения и передачу ему скрытой теплоты испарения, максимальную глубину слоя испаряемого материала можно определить как
Н =
2 АР
(2)
Самарский филиал Физического института им. П.Н. Лебедева РАН
где радиус т. определяется коэффициентом сосредоточенности поверхностного теплового источника. Линейная зависимость Н(Р) справедлива при небольших толщинах разрезаемого материала, равных нескольким т. При больших толщинах материала
И ~ л]Р .
Ширину ЗТВ можно оценить из простого соотношения для температуры нагрева, обусловленного действием нормально-полосового источника, интенсивность которого в радиальном направлении распределена по закону Гаусса, а по толщине пластины равномерно [2]. В этом случае
Т (у) =
АР
уНсргг4я
ехр
у
V 'I У
(3)
При резке в импульсно-периодическом режиме, когда лазер генерирует импульсы длительностью тг с частотой следования . при
длительности импульсов г < 01 — импульсный источник тепла можно считать неподвиж-
степенного накопления теплоты не происходит. В этом случае параметры реза определяются только энергетическими и временными параметрами импульса. Зависимость глубины реза от энергетических и временных параметров импульса подробно рассмотрены в работах [1, 3-5].
На профиль реза, его глубину и ширину существенное влияние оказывают размер пятна фокусировки, фокусное расстояние оптической фокусирующей системы, смещение фокальной плоскости относительно поверхности обрабатываемого материала, степень поляризации излучения, характер распределения интенсивности по сечению пучка. Влияние этих параметров на характер реза достаточно хорошо изучено. Здесь же следует отметить, что для углеродных материалов отражение излучения стенками и волноводный характер распространения луча внутри канала реза не имеет столь существенного значения, как для металлов, из-за относительно невысокой отражательной способности углерода.
На первый взгляд, лазерный раскрой углепластиков и УУКМ представляется достаточно простым процессом. Однако имеются особенности, отличающие его от процессов лазерного раскроя других материалов. К числу таких особенностей, в первую очередь, относится высокая температура в зоне реза, равная температуре испарения углерода. При таких температурах возможно образование пироуглерод-ных структур, существенно отличающихся от структуры исходного материала. Под действием высоких температур может образоваться широкая ЗТВ с различными параметрами кристаллической решетки по ее ширине. Сочетание неоднородной кристаллической структуры с наличием пор, заполненных газом при высо-
2
ком давлении, вызывает рост внутренних напряжений. В результате в ЗТВ образуется система микротрещин, которая может перейти на макроуровень и вызвать расслоение материала по границе наполнителя с матрицей. В углепластиках этот процесс осложняется деструкцией полимерной матрицы. Отвержденные фе-нолформальдегидные и эпоксидные смолы, являющиеся связующими в углепластиках, длительное время стабильны лишь до температур 150...200 °С. При температурах выше 300 °С начинается разложение полимера с выделением газообразных продуктов пиролиза с последующим переходом к горению, если нагрев происходит в воздушной среде [6-8]. В работе [9] приведены результаты по резке эпоксидных пластиков с наполнителем из кевлара, стеклянных и углеродных волокон непрерывным СО2-лазером и твердотельным импульсно-периодическим лазером. Отмечено, что применение непрерывных твердотельных и СО2-лазеров для резки углепластиков нецелесообразно вследствие сильной деструкции связующего и образования ЗТВ, достигающей 8 мм. При резке импульсно-периодическим лазером ширина ЗТВ уменьшается и зависит от длительности импульса.
Приведенные результаты не позволяют сделать однозначного вывода о целесообразности использования лазеров для раскроя углеродных композиционных материалов.
Методика и техника эксперимента
Для лазерного раскроя углеродных композиционных материалов использовались технологические лазерные комплексы преимущественно на базе СО2-лазеров Катунь и ЛГИТ-М, включавшие в себя собственно тот или иной лазер, оптическую систему для формирования лазерного пучка, координатный стол для перемещения разрезаемого материала, систему управления работой лазера и координатного стола, а также тракт для подачи газа в зону воздействия лазерного излучения.
Г азоразрядный СО2-лазер Катунь с расходимостью излучения < 2 х 10-3 рад. предназначен для резки, сварки и термообработки материалов. Мощность его излучения в наших экспериментах составляла 500 Вт.
Импульсно-периодический лазер ЛГИТ-М
так же, как и лазер Катунь предназначен для выполнения технологических операций резки, сварки и термообработки материалов. Максимальная средняя мощность его излучения составляет 1 кВт с диапазоном регулирования от 150 Вт до 1 кВт. Длительность импульса по основанию может изменяться от 5 до 50 мкс за счет снижения доли С02 в рабочей смеси. Частота следования импульсов варьируется от 250 до 500 Гц. Расходимость излучения у лазера ЛГИТ-М гораздо больше, чем у лазера Катунь и равна ~ 1 х 10-2 рад.
Лазерное излучение фокусировалось на поверхность образца двухлинзовым объективом из KCl с фокусным расстоянием 200 мм. Использование такого объектива позволяло минимизировать поперечную сферическую аберрацию и уменьшить диаметр перетяжки сфокусированного пучка. Наименьший диаметр пятна фокусировки находился на поверхности разрезаемого образца, что обеспечивало минимальную ширину реза.
Соосно с излучением в зону реза через сопло диаметром 1.5 мм подавался азот, аргон или углекислый газ. Конструктивное исполнение газового резака показано на рис. 1. Влияние газодинамических параметров при резке
Рис. 1. Конструкция газового резака
углеродных материалов не является столь определяющим фактором, как при резке металлов, так как в нашем случае резка осуществляется в режиме испарения материала. Тем не менее, использование потока вспомогательного газа повышает качество реза и уменьшает ширину ЗТВ. Ранее установлено, что оптимальный диапазон давлений рабочего газа для неметаллов равен 1.5_2.5 кгс/см2 [5]. Исходя из этого, дав-
ление газа во всех наших экспериментах не изменялось и составляло 2 кгс/см2.
Разрезаемый образец закреплялся на трехкоординатном столе портального типа К-701. Стол позволяет обрабатывать детали размером 2000 х 2000 мм. Подвижной частью в нем является газооптический резак. Управление движением резака осуществляется с помощью фотосчитывателя с шаблона по контрасту. Система управления позволяет осуществлять раскрой листового материала со скоростями от 0.1 до 3 м/мин.
Анализ зоны реза углеродных композитов осуществлялся с помощью оптического металлографического микроскопа №орЬо1>30. Регистрировались ширина реза, ширина ЗТВ на поверхности образца и на поперечном срезе, приращение толщины кромок реза, наличие пор и трещин в ЗТВ на поверхности реза и на поперечном срезе.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Раскрой непрерывным лазерным излучением. Основным механизмом лазерного раскроя углепластиков и УУКМ является механизм испарения. При этом в отличие от УУКМ воздействие мощного лазерного излучения на углепластики на стадии, предшествующей испарению, ведет к термодеструкции матрицы с образованием коксового остатка. Так как энергия активации процесса термодеструкции полимерной матрицы (70___100 кДж/моль) при-
мерно на порядок меньше, чем скрытая теплота испарения углерода (713 кДж/моль) [10], то можно считать, что определяющее влияние на энергетические и кинетические параметры процесса разрушения оказывают физические и химические свойства углерода. В соответствии с этим влияние параметров лазерного воздействия на скорость резки, а также глубину и ширину реза должно быть примерно одинаковым
5.00 Ь, гт
4.00
3.00
2.00 1.00 0.00
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00
V, тгг/гпп
Рис. 2. Зависимость глубины реза Н от скорости резки V углекомпозитов толщиной 1.5...3.0 мм
как для углепластиков, так и для УУКМ. В частности, из выражения (2) следует, что с увеличением скорости резки неметаллических материалов при фиксированной мощности излучения глубина реза уменьшается. Экспериментально подтверждено, что данная зависимость практически одна и та же для углепластиков и УУКМ (рис. 2). Расчет по формуле (2) показал, что для использованной оптической системы при мощности излучения 500 Вт максимальная скорость резки образцов толщиной 3 мм должна быть равной ~ 0.3 м/мин. В наших экспериментах для образцов из углепластика толщиной 3 мм максимальная скорость резки составила
0.27 м/мин, для образцов из УУКМ такой же толщины - 0.31 м/мин. Максимальная скорость резки материала толщиной 1.5 мм равнялась 0.6 м/мин. Дальнейшее увеличение скорости резки возможно за счет увеличения мощности лазерного излучения и уменьшения диаметра фокального пятна.
Для сравнения можно привести результаты раскроя углепластика толщиной 3 мм излучением непрерывного СО2-лазера ЛОКОН-3 мощностью ~ 2 кВт. Для фокусировки использовалась оптическая система с фокусным расстоянием 160 мм. В качестве рабочего газа служил сжатый воздух. При данных параметрах полное прорезание обеспечивалось при скорости перемещения образца 0.85 м/мин. При скорости 0.9 м/мин имело место частичное непро-резание.
Лазерному раскрою излучением непре-
Таблица 1. Параметры резов углепластиков, выполненных непрерывным лазерным излучением с максимальными скоростями резки
Тип лазера Толщина образца, мм Ширина реза, мм Ширина ЗТВ на поверхности, мм Ширина ЗТВ на поперечном срезе, мм Приращение толщины образца в зоне реза, мм
Катунь 1.5 0.40 1.80 2.01 0.1
Катунь 3.0 0.50 2.50 2.95 0.1
ЛОКОН-3 3.0 1.00 4.55 4.00 0.2
ЛТН-103 3.0 0.65 2.80 2.30 0.1
рывного твердотельного УАв^ё-лазера ЛТН-103 подвергался образец углепластика толщиной 3 мм. В проведенных экспериментах выходная мощность лазерного излучения составляла 200 Вт. Для фокусировки излучения использовался объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Фокус располагался на поверхности образца. Расстояние от среза сопла до поверхности составляло 2 мм. В зону реза поддувался сжатый воздух при давлении 6 атм. При этом максимальная скорость перемещения образца, при которой происходило его полное прорезание, составила 0.065 м/мин.
Таким образом, определяемая из выражения (2) глубина резки хорошо согласуется с экспериментальными данными как для углепластиков, так и для УУКМ, и потому может быть использована для предварительного выбора технологических параметров процесса.
В зависимости от скорости резки меняется геометрия канала реза и ЗТВ. При увеличении скорости ширина реза со стороны воздействия излучения оставалась практически постоянной и составляла 0.4_0.5 мм. На нижней поверхности образца ширина реза изменялась от 0.4 до 0.1 мм при максимальной скорости резки. Угол скоса кромок при скорости резки, близкой к максимальной, не превышал 3° для образцов толщиной 3 мм и 5.5° для образцов толщиной 1.5 мм. Отличительной особенностью процесса резки углепластиков является наличие нижней границы скорости резки. Уменьшение скорости резки до 0.2 м/мин приводит к воспламенению материала и переходу термической деструкции матрицы в зоне лазерного воздействия в неуправляемую термоокислительную деструкцию.
В таблице 1 приведены результаты наиболее качественных резов углепластиков, вы-
полненных с помощью непрерывных лазеров Катунь, ЛОКОН-3 и ЛТН-103.
Различия в ширине реза и ЗТВ для разных лазеров связаны с расходимостью их излучения, поддуваемым в зону реза рабочим газом, фокусирующей оптической системой.
Важнейшими показателями качества лазерной резки и возможности ее технологического применения является размер ЗТВ и характер структурных изменений в ней. Большая ширина ЗТВ и формирование дефектов при резке углепластиков непрерывным лазерным излучением связаны с наличием нескольких факторов, к числу которых, в первую очередь, относятся высокая температура испарения углеродных волокон и кокса, образующегося в результате термодеструкции матрицы, низкая температура термодеструкции самой полимерной матрицы и значительная степень термической анизотропии углепластика. Следствием последнего является преимущественное распространение тепла вдоль волокон с образованием ЗТВ. В результате такого теплоотвода на некотором расстоянии от кромки реза происходит полная термодеструкция матрицы. Далее формируется переходный слой, в котором эпоксидная матрица претерпевает частичную термодеструкцию.
Ширину ЗТВ ус1 можно оценить, воспользовавшись соотношением (3)
У* = Г
1п
АР
Т^Исргг4я
г'" . (4)
Выражения (3) и (4) справедливы для бы-стродвижущихся источников, т. е. источников, скорость движения которых удовлетворяет ус-
ловию
V >>
а
. Оценки показывают, что та-
г
кому условию для излучения мощностью 500 Вт в проведенных экспериментах удовлетворяют скорости перемещения лазерного луча по поверхности материала более 2 м/мин. Для лазерной резки материалов толщиной 1.5 мм излучением мощностью 500 Вт со скоростью 3 м/ мин при радиусе фокального пятна 0.25 мм расчеты по формуле (4) дают ЗТВ ~ 0.6 мм. В реальных экспериментах размер ЗТВ при таких условиях составляет 0.9 мм. Если учесть, что реальный радиус фокального пятна соответствует 0.4 мм, то наблюдается хорошее согласие расчетных и экспериментальных результатов.
Для увеличения глубины реза необходимо пропорциональное увеличение мощности излучения. На практике эффективность процесса с возрастанием мощности излучения несколько ниже, приблизительно соответствуя зависимости ь ~ л[Р •
Таким образом, ширина ЗТВ при резке углепластиков любой толщины непрерывным лазерным излучением не может быть существенно меньше одного миллиметра. При увеличении толщины разрезаемого материала ширина ЗТВ возрастает.
Иная ситуация возникает при лазерной резке УУКМ. Температура карбонизации и последующей термообработки УУКМ превышает температуру термодеструкции полимерной матрицы углепластиков в 5_10 раз. В этом случае, согласно выражению (4), ЗТВ в УУКМ при
больших скоростях резки может быть в 1.5 2.0
раза меньше, чем в углепластиках. При малых скоростях резки карбонизованных УУКМ размеры ЗТВ в них такие же, как и в углепластиках. Образующаяся при резке УУКМ ЗТВ с более высокой степенью графитации может оказывать положительное влияние на эксплуатационные свойства изделий.
Характерный вид кромки реза приведен на рис. 3. Анализ зон реза в образцах из УУКМ и углепластиков показал, что на поверхности реза возникает плотный слой сублимированного углерода серебристо-серого цвета толщи-
ной около 0.1 мм. Сублимированный углерод возникает при испарении углеродных волокон и кокса матрицы под действием лазерного излучения и последующем осаждении углерода на кромки реза. Регтгеноструктурный анализ показал, что пироуглерод имеет высокую степень графитации (около 70%) и проявляет признаки трехмерной упорядоченности, характерные для структуры графита. Кроме того, при резке углепластиков толщиной 1.5 мм на поверхностях реза зафиксированы микротрещины, располагающиеся в продольном направлении между прослойками волокон. Поры как на поперечном срезе, так и на поверхности реза отсутствуют. Резка углепластиков толщиной 3 мм сопровождается более интенсивным выгоранием матрицы, а также появлением на поверхности реза крупных пор глубиной до 7 мм (рис. 4). При резке углепластиков излучением использованных нами непрерывных лазеров появление трещин и выгорание матрицы приводит к увеличению толщины кромок реза (рис. 5), а при резке излучением лазера ЛОКОН-3 наблюдалось даже расслоение кромки реза вследствие образования больших продольных трещин.
При резке УУКМ непрерывным лазерным излучением количество образующихся дефектов значительно меньше, чем при резке углепластиков. В ЗТВ не наблюдается выгорание матрицы, а происходит лишь изменение кристаллической структуры углеродных волокон и коксового связующего. Количество пор на поверхности реза и их размеры зависят от плотности разрезаемого материала и уменьшаются с ее возрастанием. Увеличение толщины кромок реза незначительно и наблюдается только при малых скоростях резки (менее 0.3 м/мин). Так как выгорания матрицы при резке УУКМ нет, то отсутствует и расслоение кромок реза при любых скоростях резки.
Для удаления из зоны реза продуктов разрушения применяют подачу газа. Предотвращение воспламенения и уменьшение зоны обугливания в углепластиках, как следует из выше-
Рис. 3. Характерный вид кромки реза
сказанного, предопределяет использование таких наиболее дешевых газов, препятствующие окислению материала, как аргон, азот и углекислый газ. Для определения влияния различных газов на глубину реза и ширину ЗТВ были проведены эксперименты по лазерной резке углепластиков в контролируемой среде. Установлено, что отдельно глубина реза и ширина ЗТВ практически одинаковы в азотной и аргоновой средах. При малых скоростях резки углеграфитовых материалов углекислый газ может играть роль окислителя. При больших скоростях резки, когда ЗТВ существенно меньше, наиболее предпочтительно использовать СО2, так как этот газ приостанавливает распространение коксообразования в материале на значительную глубину вследствие присоединения активных в данных условиях молекул СО2. Углерод с молекулярным азотом практически не взаимодействует, так как константа равновесия этой реакции чрезвычайно мала. Однако взаимодействие с атомарным азотом с образованием цианоге-на (С2К2) происходит достаточно легко, поэтому для резки УУКМ наиболее предпочтительным представляется использование аргона.
Раскрой импульсно-периодическим лазерным излучением. В экспериментах по резке углепластиков импульсно-периодическим излучением преимущественно использовался лазер ЛГИТ-М, у которого длительность импульса составляла 20 мкс, частота следования импульсов - 500 Гц, энергия в импульсе - 1 Дж. Временная форма импульса излучения этого лазера характеризуется крутым передним фронтом с мощным пиком и пологим задним фронтом. Такая форма импульса не является оптимальной для резки углепластиков. Воздействие переднего пика на разрезаемый материал приводит к образованию оптического разряда в его парах. Плазма оптического разряда вблизи поверхности вызывает рефракцию излучения, его поглощение и последующую передачу энергии в окружающую среду и обрабатываемый материал. В результате эти процессы приводят к снижению эффективности резки и увеличению ЗТВ.
Эксперименты по резке углепластиков импульсно-периодическим излучением показали, что, как и при резке непрерывным излучением, в этом случае сохраняется обратно про-
Рис. 4. Вид реза, характеризующегося наличием пор
порциональная зависимость глубины реза от скорости перемещения образца, причем максимальные скорости резки и в том, и другом случае оказываются практически одинаковыми. Так в импульсно-периодическом режиме максимальная скорость резки для образцов толщиной 3 мм составила 0.26 м/мин, а для образцов толщиной 1.5 мм - 0.54 м/мин. Ширина реза лазером ЛГИТ-М оказалась равной 1.0...1.1 мм, что почти в три раза превышает ширину реза лазером Катунь. Такое различие прежде всего связано с большей расходимостью излучения лазера ЛГИТ-М.
Геометрия канала реза и характер ее изменения при изменении скорости резки импульсно-периодическим излучением соответствуют аналогичным характеристикам при резке непрерывным излучением. Результаты наиболее качественных резов, полученных с помощью лазера ЛГИТ-М, приведены в таблице 2. Здесь же для сравнения приведены результаты резки углепластиков излучением лазеров Квант-15 и С02-ТЭИЛ-0.4.
Сравнение таблиц 1 и 2 показывает, что
Рис. 5. Вид реза, характеризующегося увеличением толщины кромки
ширина ЗТВ при резке углепластиков импульсно-периодическим излучением почти в два раза меньше, чем ширина ЗТВ при резке непрерывным излучением, хотя и составляет существенную величину. Все характерные дефекты в ЗТВ, образующиеся при резке непрерывным излучением, присущи и для резки лазером ЛГИТ-М. На поверхности резов появляется плотный слой сублимированного углерода с микротрещинами, которые располагаются преимущественно в продольном направлении. Для образцов толщиной 3 мм характерно наличие крупных пор как на поверхности реза, так и на поперечном срезе. При резке лазером ЛГИТ-М появление трещин, а также выгорание матрицы приводят к несколько большему увеличению толщины кромок реза, чем при резке лазером Катунь.
Как следует из таблиц 1 и 2, наиболее предпочтительной оказывается резка излучением лазеров Квант-15 и СО2-ТЭИЛ-0.4 в импульсно-периодическом режиме с частотой следования импульсов 10 Гц. Несмотря на то, что резка лазером Квант-15 сопровождается частичным выгоранием матрицы, образованием трещин и незначительных пор, формированием реза с ярко выраженным рельефом, размеры ЗТВ в этом случае в несколько раз меньше, чем при резке непрерывными лазерами и лазером ЛГИТ-М. Наиболее качественный рез получен на лазере СО2-ТЭИЛ-0.4 с размером ЗТВ, не превышающим 0.1 мм, и отсутствием характерного рельефа поверхности реза, а также слоя пироуглерода на ней. Применение для резки углепластиков лазера СО2-ТЭИЛ-0.4 позволяет практически избежать появления и всех остальных дефектов и, следовательно, сохранить
исходную толщину образца в зоне реза. Ширина реза в данном случае определяется диаметром пятна фокусировки. Основным недостатком процесса раскроя углекомпозитов излучением лазеров Квант-15 и СО2-ТЭИЛ-0.4 является очень низкая скорость резки, обусловленная низкой частотой следования импульсов. Так, для лазера Квант-15 максимальная скорость резки углепластика толщиной 0.3 мм составила 0.03 м/мин, а для лазера СО2-ТЭИЛ-0.4 -
0,012 м/мин, т. е. на один - два порядка меньше, чем для непрерывных лазеров и лазера ЛГИТ-М. Увеличение скорости резки излучением импульсно-периодических лазеров возможно только при увеличении частоты следования импульсов.
Уменьшение расходимости излучения лазеров с высокой частотой следования импульсов и оптимизация длительности и временной формы импульса с целью устранения приповерхностной плазмы являются определяющими для уменьшения как ширины реза, так и размера ЗТВ. Другая возможность улучшения качества реза и уменьшения ЗТВ заложена в согласовании скорости перемещения луча относительно материала и частоты следования импульсов.
Рассмотрим воздействие импульса лазера ЛГИТ-М на поверхность углепластика. Длительность импульса и радиус фокального пятна полностью соответствуют критерию применимости одномерной модели распространения тепла в результате действия поверхностного
теплового источника: в данном случае ^Jot ~ (2...6) х 10-3 мм, а rf» (4...5) х 10-1 мм. Условие неподвижности импульсного источника выполняется во всем диапазоне использованных
Таблица 2. Параметры резов углепластиков, выполненных импульсно-периодическим лазерным излучением с максимальными скоростями резки
Тип лазера Толщина образца, мм Ширина реза, мм Ширина ЗТВ на поверхности, мм Ширина ЗТВ на поперечном срезе, мм Приращение толщины образца в зоне реза, мм
ЛГИТ-М 1.5 1.05 1.0 1.07 0.2
ЛГИТ-М 3.0 1.05 1.3 1.80 0.2
Квант-15 3.0 0.70 0.5 0.65 0.2
С02-ТЭИЛ-0.4 1.5 1.60 0.0 0.10 0.0
С02-ТЭИЛ-0.4 3.0 1.60 0.0 0.05 0.0
скоростей. Для углепластиков предельная частота, при которой постепенного накопления теплоты не происходит, не превышает 2 Гц. Поскольку частота следования импульсов лазера ЛГИТ-М равна 500 Гц, то при резке со сквозным прорезанием сказывается эффект накопления тепла, в результате чего и происходит образование неприемлемо большой ЗТВ. Для того, чтобы исключить эффект накопления тепла, нужно подобрать такую скорость резки, чтобы в пятно лазерного воздействия попадало как можно меньше импульсов. При частоте 500 Гц максимально возможная скорость перемещения образца относительно лазерного луча должна составлять 30 м/мин. В этом случае в зону лазерного воздействия попадает один импульс. Глубина зоны испарения за один импульс составляет сотые доли миллиметра, поэтому для полного прорезания материала необходимо выполнить несколько проходов, их количество должно быть согласовано с толщиной разрезаемого материала. Проведенные эксперименты показали, что для прорезания углепластиков толщиной 1.5 мм необходимо сделать 15 проходов со скоростью 6.7 м/мин (5 импульсов в единичную зону воздействия), что соответствует резке подобного материала за один проход со скоростью 0.45 м/мин. При снижении скорости резки до 5 м/мин за те же 15 проходов удается осуществить прорезание на глубину 2.1 мм. На рис. 6 приведена зависимость минимального количества проходов для полного прорезания при многопроходной резке углепластиков от толщины материала. На рис. 7 показано поперечное сечение такого многопроходного реза. Максимальная ширина реза равна 0.95 мм, ширина ЗТВ не превышает 0.5 мм. В ЗТВ ближе к резу наблюдается выгорание матрицы, далее располагается относительно небольшая зона частичной термодеструкции связующего полимера. Характерным отличием от реза, выполненного излучением того же лазера с полным прорезанием за один проход, является малая толщина слоя пироуглерода на поверхности реза, который образуется только на углеродных волокнах. Полное прорезание углепластика толщиной 3 мм выполнено за 21 проход со средней скоростью резки 0.24 м/мин, сравнимой со скоростью резки этого материала на всю глубину за один проход. ЗТВ при такой много-
30.00
/V
0.00 1.00 2.00 3.00 4.00
Ь, Г7777
Рис. 6. Зависимость минимального количества проходов N для полного прорезания углепластика от его толщины к
проходной резке почти в четыре раза меньше, чем при однопроходной резке, и в шесть раз меньше, чем при резке непрерывным СО2-ла-зером Катунь при сопоставимых значениях мощности излучения и скорости резки. Следует отметить, что реализованные нами скорости многопроходной резки не являются оптимальными с точки зрения минимизации ЗТВ. Дальнейшее уменьшение ЗТВ при многопроходной резке возможно при использовании таких скоростей перемещения детали, при которых в зону лазерного воздействия будет попадать не более 4 импульсов (у > 8 м/мин). В описанных экспериментах в качестве вспомогательного газа использовался аргон, так как применение СО2 приводило к увеличению плазменного факела и возрастанию ЗТВ. Оптимизация длительности и временной формы лазерного импульса с целью устранения приповерхностной плазмы, уменьшение диаметра фокального пятна, а также использование для поддува углекислого газа должны благоприятно отразиться на качестве резки.
Выводы
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что использование непрерывного лазерного излучения для резки углепласти-
а
ков и УУКМ при условии г ~ ~ приводит к формированию ЗТВ, превышающей 1 мм. Рез-
ка непрерывным лазерным излучением углепластиков толщиной более 1.5 мм нецелесообразна. Лазерная же резка углепластиков толщиной менее 1.5 мм с ЗТВ, не превышающей 0.5 мм, возможна с высокими скоростями резки
а
(v >> ~) при условии высокого качества излучения и фокусирующей оптической системы (df < 0.3 мм).
Использование для резки углеродных композиционных материалов импульсно-периодического лазерного излучения позволяет существенно снизить или практически полностью исключить при малой частоте следования импульсов ЗТВ и существенно улучшить качество реза. Основным недостатком процесса резки импульсно-периодическим излучением при малой частоте следования импульсов является низкая скорость резки (0.01.. .0.03 м/мин). Перспективным вариантом является использование высокочастотного (более 100 Гц) лазерного излучения в сочетании с многопроходной резкой. В частности, согласование скорости резки с частотой следования импульсов позволило снизить ЗТВ в 4 раза по сравнению с однопроходной резкой импульсно-периодическим лазерным излучением и в 6 раз по сравнению с резкой непрерывным лазерным излучением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Веденов A.A., Гладуш Г.Г. Физические процессы при лазерной обработке материалов.
- М.: Энергоатомиздат.1985.-208с.
2. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. - М.: Машгиз. 1951.-296 с.
3. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г. С., Ходыгко Ю.В. Действие излучения большой
Рис. 7. Вид реза, полученного многопроходной резкой углепластика толщиной 3 мм
мощности на металлы. - М.: Наука. 1970. -272 с.
4. Рыгкалин Н.Н., Углов A.A., Кокора А.Н. Лазерная обработка материалов. - М.: Машиностроение. 1975. - 296 с.
5. Рыгкалин Н.Н., Углов A.A., Зуев И.В., Кокора
A.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник. - М.: Машиностроение. 1985. - 496 с.
6. Лосев И.П., Тростянская Е.Б. Химия синтетических полимеров. - М.: Химия. 1964. -640 с.
7. ФрейзерA.r Высокотермостойкие полимеры. - М.: Химия. 1971. - 294 с.
8. Энциклопедия полимеров в 3-х томах // Под ред. B.A. Каргина, B.A. Кабанова. - М.: Советская Энциклопедия. 1972 - 1977.
9. Aбильсиитов Г.A., Голубев В.С., Гонтаръ
B.Г., Горохов ЮЛ., Колпаков A.A., Майоров В.С., Новицкий ЛЛ., Рукман Г.И., Сафонов A.H., Сумерин В.В., Якунин В.П. Технологические лазеры. Справочник в 2-х томах. Т.
1. Расчет, проектирование и эксплуатация.
- М.: Машиностроение. 1991. - 432 с.
10. Шулепов С.В. Физика углеграфитовых материалов.- М.:Металлургия.1972.-305 с.
LASER CUTTING OF CARBONIC COMPOSITE MATERIALS
© 1999 D.M. Gureev, S.I. Kuznetsov, A.L. Petrov
Samara Branch of Physics Institute named for P.N. Lebedev of Russian Academy of Sciences
The abilities of laser radiation to realize the cutting of sheet carbonic materials are researched in this paper.
It is theoretically stated and experimentally proved that continuous laser radiation is effective only for cutting of coal-plastics, carbons and carbonic composite materials of 1,5 mm thick. The usage of impulse-periodic radiation with higher frequency of impulses in the multi-pass cutting mode is proposed for laser cutting of more thick carbonic composites.
