Оценка зоны термического влияния при обработке углепластиков непрерывным излучением волоконного иттербиевого лазера Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.9.044, 621.373.8

ОЦЕНКА ЗОНЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ УГЛЕПЛАСТИКОВ НЕПРЕРЫВНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ВОЛОКОННОГО ИТТЕРБИЕВОГО ЛАЗЕРА

С. А. Котов1, Н.А. Лябин2, М.А. Казарян3

При лазерной обработке углепластиков происходит формирование зоны термического влияния (ЗТВ), ухудшающей эксплуатационные свойства детали. На основе результатов расчетов температурных полей проведена оценка зависимостей ЗТВ от параметров режима обработки на современной технологической установке на базе непрерывного волоконного иттербиевого лазера с длиной волны 1.06 мкм и мощностью излучения 1 кВт. Показано, что для достижения требуемой для практического применения в промышленности ЗТВ < 150 мкм рекомендуется проводить обработку в многопроходном режиме при скорости перемещения луча Ускан > 5 м/с и длительностью паузы между последовательными проходами Тпаузы = 0.1... 0.5 с.

Ключевые слова: углепластики, волоконный иттербиевый лазер, зона термического влияния.

Введение. Лазерная обработка углепластиков является перспективным технологическим направлением, как альтернатива традиционным способам: механической обработке режущим инструментом и гидроабразивной резке [1]. Вместе с тем, при обработке лазерным излучением возникает ЗТВ, характеризуемая термодеструкцией полимерной связующей матрицы, которая приводит к нарушению прочности сцепления углеродного армирующего волокнистого наполнителя (АВН) с полимерной матрицей и, следователь-

1 ООО НТО "ИРЭ-Полюс", 141190 Россия, Московская область, г. Фрязино, пл. Акад. Введенского, д. 1, стр. 3; e-mail: skotov@ntoire-polus.ru.

2 АО "НПП "ИСТОК" им. Шокина"; 141190 Россия, Московская область, г. Фрязино, ул. Вокзальная, д. 2а; e-mail: lilt@istokmw.ru.

3 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: kazar@sci.lebedev.ru.

но, к снижению эксплуатационных свойств материала, в первую очередь, упругопроч-ностных [2]. Наибольшие сложности возникают при лазерной обработке углепластиков с термореактивной матрицей вследствие высокой температуры испарения углеродного волокна - Тисп ~ 3900 К при температуре устойчивости материала полимерной матрицы не более 450 К [3, 4], что с учетом высоких энергоемкости процесса разрушения в испарительном режиме и теплопроводности углеродного волокна требует проведения теоретических исследований, направленных на минимизацию ЗТВ.

Рис. 1: Схематичное изображение метода лазерной обработки углепластиков с использованием гальваносканера с фокусирующей Р-ТНе1а линзой.

Технологическая установка. На современном этапе развития технологии к перспективным методам обработки углепластиков относится лазерная резка и сверление с использованием непрерывных волоконных иттербиевых лазеров мощностью > 1 кВт с уникальной совокупностью технико-эксплуатационных свойств и двухосевых гальваносканеров с фокусирующей Е-ТЬе1а линзой, обеспечивающих скорость перемещения луча 1... 10 м/с. Схематичное изображение такого метода лазерной обработки представлено на рис. 1 [5].

Основные параметры исследуемой технологической установки на базе непрерывного волоконного иттербиевого лазера модели ЛК-1000-ОМ с длиной волны А = 1.06 мкм и мощностью излучения Р =1 кВт представлены в табл. 1.

Данная технологическая установка обеспечивает плотность мощности в сфокусированном световом пятне - 107 Вт/см2, что на порядок больше порогового значения

Гальваносканер

Образец

для обработки углепластиков в испарительном режиме, рассчитанного по известным формулам [3, 6].

Таблица 1

Основные параметры технологической установки

Максимальная скорость перемещения луча, м/с Точность позиционирования, мкм Фокусное расстояние Е-ТЬе1а линзы, мм Диаметр сфокусированного светового пятна, мкм Плотность мощности излучения, Вт/см2

5 ±5 254 100 2.5 ■ 107

Оценка ЗТВ. Для оценки ЗТВ наиболее эффективным способом представляется применение аналитических методов расчета температурных полей с учетом влияния основных факторов, определяющих условия взаимодействия лазерного излучения с материалом:

- теплофизических свойств материала;

- оптических, энергетических и временных параметров лазерного излучения;

- технологических условий процесса обработки: скорости перемещения луча, диаметра сфокусированного светового пятна, мощности излучения.

Расчет тепловых процессов по закону теплопроводности Фурье на основе метода источников (метод функций Грина) является достаточно простым и наглядным, и позволяет быстро проанализировать влияние различных факторов на результаты решения. При обработке углепластиков излучением подвижного сосредоточенного источника с постоянной мощностью излучения движущегося прямолинейно с постоянной скоростью был применен соответствующий аналитический метод расчета тепловых процессов. При таком источнике температурное поле через некоторое время стабилизируется в подвижной системе координат, связанной с источником, и окончательное распределение температуры определяется только соотношением времени, необходимого для теплонасыще-ния материала и времени прохождения лазерным лучом расстояния, равного радиусу сфокусированного светового пятна излучения. Увеличение скорости перемещения луча снижает термический эффект воздействия излучения на материал и способствует уменьшению ЗТВ. Быстродвижущийся тепловой источник характеризуется высокими мощностью и скоростью перемещения. Критерий определения быстродвижущегося источника рассчитывается по формуле (1) [7, 8]:

Ккан ' ° > 1, (1) 2 ■ а у '

где О = 100 мкм - диаметр сфокусированного светового пятна; Ккан - скорость перемещения луча (м/с); а = 4 • 10-5 м2/с - коэффициент температуропроводности углепластика [3, 4]. Так, при скоростях перемещения луча Ускан > 1 м/с источник является быстродвижущимся. В таком случае для оценки ЗТВ допустимо использовать аналитическое решение по модели быстродвижущегося нормально распределенного кругового источника на полубесконечном теле. В соответствии с данной моделью быстропереме-щающийся источник теплоты пересекает тело в направлении оси X настолько быстро, что возможно считать без большой погрешности такой источник нормально-полосовым, т.е. полностью сосредоточенным на оси X. При этом теплота на оси X выделяется мгновенно (этот момент при X = 0 принимается за начало отсчета времени £ = 0) и распространяется только в направлении, перпендикулярном оси движения источника (ось X).

Рис. 2: Распределение температуры по оси У для трех моментов времени: (а) £ ^ ¿о; (б) £ = ¿о; (в) £ ^ ¿о при обработке углепластика непрерывным волоконным иттерби-евым лазером с Р =1 кВт и Ускан = 1 м/с.

Температурное поле в материале в плоскости X = 0, в рамках выбранной модели, имеет вид [9, 10]:

Т(у,М) - То

А • 2 • Р/Уск

СрР

1

у/4па(г + ¿о)

ехр

у2

4а(£ + ¿о),

х

Рис. 3: Распределение температуры по оси У для трех моментов времени: (й) Ь ^ Ь0; (б) Ь = Ь0; (в) Ь ^ Ь0 при обработке углепластика непрерывным волоконным иттерби-евым лазером с Р = 1 кВт и Ускан = 5 м/с.

х

1

\[УкаЬ

ехр

- -)

Ш )

(2)

где Т0 - температура окружающей среды (К); ср - теплоемкость материала (Дж/(кг-К)); р - плотность материала (кг/м3); а - коэффициент температуропроводности (м2/с); А - коэффициент поглощения излучения; С = 1/(г0)2 - коэффициент сосредоточенности нормально распределенного кругового источника (1/м2) - характеризует остроту кривой нормального распределения плотности мощности лазерного излучения (кривой Гаусса), где г0 - расстояние от центра сфокусированного светового пятна, на котором плотность мощности падает в е раз; Ь0 = 1/(4аС) - время установления стационарного теплового поля от быстродвижущегося источника (в подвижных координатах); ^кан -скорость движения источника по оси X (м/с); Р - мощность непрерывного источника (Вт). Расчет температурного поля в материале был проведен также по теплофизиче-ским параметрам АВН. На рис. 2 и 3 изображены расчетные зависимости температуры (ДТ относительно Т0 = 293 К) от координаты У ^ = 0) при скорости движения источника 1 и 5 м/с: (а) в начале процесса нагрева (Ь ^ Ь0); (б) в момент установления стационарного теплового поля (Ь = Ь0); (в) в процессе остывания (Ь ^ Ь0).

200

180

160

140

120 100 80 60

40

20

■ \ 5 м/с 1 м/с

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Рис. 4: Зависимости температуры поверхности углепластика на оси X за быстро-движущемся источником от времени при обработке углепластика непрерывным волоконным иттербиевым лазером с Р = 1 кВт.

Результаты, представленные на рис. 2 и 3, показывают, что при обработке непрерывным излучением мощностью 1 кВт ширина канала реза, оцениваемая по уровню ДТ ~ 3600 К (соответствует Тисп = 3900 К), существенно превышает диаметр сфокусированного светового пятна и составляет порядка 200 мкм. ЗТВ, оцениваемая по уровню ДТ ~ 150 К, с учетом обозначенной ширины канала реза уменьшается до требуемого уровня при УСкан > 5 м/с. При такой скорости перемещения луча формирование сквозного канала реза в конструкционных углепластиках толщиной > 1 мм возможно только в многопроходном режиме с послойным удалением материала. Поэтому для минимизации ЗТВ, формирующейся за счет эффекта накопления тепла в материале, необходимо выполнить оценку длительности паузы между последовательными проходами по формуле (2) при У = Z = 0. Данное решение позволяет рассчитать максимум температуры на оси X позади быстродвижущегося нормально распределенного кругового источника на полубесконечном теле по формуле (3) [9, 10]:

Т(0, 0,*) - То

А ■ Р/Уск

(* + *о )*'

(3)

где k - коэффициент теплопроводности материала (Вт/(м-К)). На рис. 4 представлены расчетные зависимости температуры (AT относительно T0 = 293 К) от времени t при скоростях перемещения луча 1 и 5 м/с.

Результаты, представленные на рис. 4, показывают, что при обработке непрерывным излучением материал остывает практически до начальной температуры с AT < 10 К через 0.25 и 0.05 с при скоростях перемещения луча 1 и 5 м/с, соответственно.

Выводы. Оценка ЗТВ при обработке углепластика непрерывным излучением волоконного иттербиевого лазера мощностью 1 кВт путем расчета температурных полей в материале по аналитическому решению уравнения теплопроводности для модели быст-родвижущегося нормально распределенного (распределение Гаусса) кругового источника показала, что ширина формируемого канала реза в 2 раза превышает диаметр сфокусированного светового пятна и составляет 200 мкм, а ЗТВ, оцениваемая по уровню температуры необратимого повреждения полимерной матрицы T = 450 К, уменьшается до требуемого уровня < 150 мкм при скоростях перемещения луча Ускан > 5 м/с.

При многопроходной лазерной обработке углепластиков непрерывным излучением мощностью 1 кВт рациональным методом, уменьшающим ЗТВ, является введение паузы между последовательными проходами длительностью 0.1... 0.5 с.

ЛИТЕРАТУРА

[1] А. Е. Раскутин, А. В. Хрульков, Р. И. Гирш, Труды ВИАМ 9, 106 (2016).

[2] Y. S. Jamal, Machining of Polymer Composites (Berlin, Springer, 2009).

[3] Д. М. Гуреев, С. И. Кузнецов, А. Л. Петров, Известия Самарского НЦ РАН 2, 255 (1999).

[4] А. Г. Григорьянц, В. Г. Крюков, А. Н. Савчук и др., Сварочное производство 5, 4 (1991).

[5] M. Zaeh, J. Moesl, J. Musiol, F. Oefele, Physics Procedia 5, 19 (2010).

[6] В. П. Вейко, Технологические лазеры и лазерное излучение (СПб, СПбГУ ИТМО, 2007).

[7] А. Г. Григорьянц, А. А. Соколов, Лазерная обработка неметаллических материалов (М., Высшая школа, 1988).

[8] А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров, Технологические процессы лазерной обработки (М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008).

[9] Н. Н. Рыкалин, Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов (М., Машиностроение, 1985).

[10] В. А. Кархин, Тепловые процессы при сварке (СПб., Изд-во Политехн. Ун-та, 2015).

Поступила в редакцию 23 августа 2018 г. После переработки 14 февраля 2019 г. Принята к публикации 14 февраля 2019 г.