Разработка технологии прецизионной резки и сверления конструкционных углепластиков излучением волоконного иттербиевого лазера Котов Сергей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние и перспективы развития лазерной технологии по обработке конструкционных волокнистых полимерных композиционных материалов

1.1. Применение конструкционных волокнистых ПКМ в современной технике 13

1.2. Особенности технологического процесса лазерной обработки углепластиков 15

1.3. Показатели качества лазерной обработки углепластиков 20

1.4. Направления и методы теоретических исследований 23

1.5. Современное состояние экспериментальных исследований 25

1.6. Выводы по главе 1 31

Глава 2. Экспериментальная технологическая установка для прецизионной лазерной обработки углепластиков

2.1. Структурная схема и технические параметры основных компонентов экспериментальной технологической установки 33

2.2. Методики и результаты измерений параметров импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров 40

2.3. Расчет и экспериментальная оценка параметров обрабатывающего светового пятна 46

2.4. Методики оценки показателей качества лазерной обработки 50

2.5. Структура и технологические свойства исследуемых углепластиков 55

2.6. Выводы по главе 2 56

Глава 3. Теоретическая оценка зоны термического влияния при лазерной обработке углепластиков

3.1. Физические процессы взаимодействия сфокусированного излучения с углепластиком 58

3.2. Расчет температурных полей при обработке излучением импульсного иттербиевого лазера 59

3.3. Расчет температурных полей при обработке излучением непрерывного иттербиевого лазера 65

3.4. Выводы по главе 3 71

Глава 4. Экспериментальные исследования по лазерной обработке углепластиков толщиной 1-3 мм

4.1. Резка углепластиков наносекундным импульсным излучением волоконного иттербиевого лазера 73

4.1.1. Методика и результаты исследований по резке лазером модели YLPM-1-4x200-20-20 со средней мощностью 20 Вт 73

4.1.1.1. Оценка влияния технологического газа на качество обработки 82

4.1.1.2.Оценка влияния технологических свойств материала на качество обработки 86

4.1.1.3. Оценка влияния длины волны лазерного излучения на качество обработки 90

4.1.2. Методика и результаты исследований по резке лазером модели YLPP-1-150-30-M со средней мощностью 30 Вт 94

4.2. Резка углепластиков непрерывным излучением волоконного иттербиевого лазера 102

4.2.1. Методика и результаты исследований по резке лазером модели ЛС-4 мощностью 4 кВт 103

4.2.2. Методика и результаты исследований по резке лазером модели ЛК-1000-ОМ мощностью 1 кВт .108

4.3. Исследования по сверлению отверстий в углепластиках излучением наносекундных импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров 112

4.4. Выводы по главе 4 121

Глава 5. Оценка качества и стоимости лазерной обработки углепластиков толщиной 1-3 мм

5.1. Влияние способа обработки на прочностные свойства 124

5.1.1. Методика проведения механических испытаний 125

5.1.2. Результаты статических испытаний образцов с концентратором напряжений на растяжение .126

5.2. Стоимость лазерной обработки углепластика толщиной 3 мм 129

5.2.1. Методика расчета затрат на обработку 129

5.2.2. Результаты расчетов затрат при резке по сложному контуру и сверлении отверстий 130

5.3. Выводы по главе 5 123

Общие выводы 134

Заключение 136

Список литературы .137

Приложение 144

• Особенности технологического процесса лазерной обработки углепластиков
• Методики оценки показателей качества лазерной обработки
• Методика и результаты исследований по резке лазером модели YLPP-1-150-30-M со средней мощностью 30 Вт
• Исследования по сверлению отверстий в углепластиках излучением наносекундных импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров

Введение к работе

Актуальность

Конструкционные углепластики относятся к классу волокнистых
полимерных композиционных материалов (ПКМ), обладающих уникальным
комплексом технологических и эксплуатационных свойств: высокие
упругопрочностные свойства, статическая и динамическая выносливость и
усталостная прочность, низкий удельный вес. Благодаря этим свойствам
углепластики находят широкое применение в ключевых отраслях современной
промышленности: авиастроении, судостроении, строительстве,

автомобилестроении, электротехнике, ветроэнергетике, трубной и др.

На финальном этапе производства изделий из углепластиков требуется прецизионная размерная обработка по внутренним и внешним контурам формованных заготовок, например, сверление отверстий различного назначения. Для выполнения этих операций применяются механический, гидроабразивный и лазерный способы обработки. Проблемы при обработке углепластика, состоящего из полимерной связующей матрицы и углеродного армирующего наполнителя, определяются его сложным строением: слоистой структурой, неоднородностью состава и высокой анизотропией механических и теплофизических свойств.

Практическое применение в промышленности лазерной обработки углепластиков по сравнению с традиционными способами дает ряд преимуществ: отсутствие износа инструмента и механического воздействия на материал, возможность обработки деталей сложной конфигурации с высокими скоростью, точностью и повторяемостью, возможность создания тонких стенок и узких пазов с минимальными радиусами, отверстий с малым диаметром и под заданным наклоном к поверхности. В качестве источника обрабатывающего излучения выбран высокоэффективный волоконный иттербиевый лазер, обладающий широким диапазоном мощностей (10 Вт - 30 кВт), длин волн (1,06; 0,532; 0,355 мкм), частот следования (1 кГц - 1 МГц) и длительностей (10"⁷ - 10~¹² с) импульсов.

Вместе с тем, при обработке лазерным излучением возникает термодеструкция полимерной связующей матрицы, что приводит к нарушению прочности ее сцепления с армирующим углеродным волокном и, следовательно, к снижению эксплуатационных свойств материала, в первую очередь, упругопрочностных. Поэтому исследования, направленные на разработку лазерной технологии для качественной и производительной обработки конструкционных углепластиков, являются актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка технологии прецизионной резки и сверления конструкционных углепластиков излучением импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров.

Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи:

1. Провести обзор отечественной и зарубежной литературы о состоянии и развитии лазерной технологии и оборудования по обработке конструкционных волокнистых ПКМ;

2. Разработать экспериментальную технологическую установку для проведения исследований по обработке конструкционных ПКМ углепластиков на базе высокоэффективных импульсных и непрерывных отечественных волоконных иттербиевых лазеров. Разработать методики оценки качества обработки;

3. Сформулировать, на основе результатов расчетов температурных полей, рекомендации по выбору основных технологических параметров режима лазерной обработки для уменьшения объема экспериментальных исследований ЗТВ;

4. Провести экспериментальные исследования закономерностей формирования и зависимостей дефектов макрогеометриии (ЗТВ и конусности) и микрогеометрии (шероховатости, расслоений и растрескиваний) канала лазерного реза от метода и технологических параметров режима обработки;

5. Провести сравнительные исследования качества и оценку стоимости лазерной обработки углепластиков.

Научная новизна работы заключается в следующих положениях, выносимых на защиту:

1. Разработаны методы эффективной многопроходной послойной лазерной
резки и сверления углепластиков излучением волоконного иттербиевого

Q О

лазера при плотности мощности в импульсном режиме 10 Вт/см , непрерывном - 10⁷ Вт/см², когда процесс обработки идет в испарительном режиме;

2. Исследованы зависимости дефектов макрогеометрии (ЗТВ, конусность) и микрогеометрии (шероховатость, расслоение, растрескивание) канала лазерного реза углепластиков толщиной 1-3 мм от параметров излучения, скорости перемещения луча, свойств материала, условий и алгоритма многопроходной обработки. Установлено, что требуемое (максимальное) качество обработки: ЗТВ < 50 мкм, конусность < 100 мкм, шероховатость R_z < 40 мкм, отсутствие расслоений и растрескиваний в импульсном режиме достигается при скоростях 0,5-2 м/с, частоте следования и длительности импульсов 30-40 кГц и 5-100 не;

3. Показано, что при резке углепластиков толщиной 1-3 мм излучением непрерывного лазера сопоставимое качество обработки с импульсным лазером достигается при скоростях перемещения луча > 1 м/с и паузе между последовательными проходами длительностью 0,5-1 с;

4. Исследованы зависимости механической прочности на растяжение углепластика толщиной 1, 2 и 3 мм с концентратором напряжений в виде отверстий диаметром 6, 8 или 16 мм от способа обработки. Установлено, что при лазерной обработке прочность образцов сопоставима с механической обработкой алмазным инструментом и до 15% выше по сравнению с гидроабразивной резкой.

Практическая значимость работы 1. Создана уникальная экспериментальная технологическая установка для прецизионной резки и сверления углепластиков на базе отечественных промышленных наносекундных импульсных и непрерывных волоконных

иттербиевых лазеров с длиной волны излучения 1,06 мкм; скоростью перемещения луча до 10 м/с; точностью позиционирования ± 5 мкм в рабочем поле до 220x220 мм" и плотностью мощности излучения в обрабатывающем световом пятне (30... 160 мкм) в непрерывном режиме -

10 Q ")

10 Вт/см , импульсном - 10 Вт/см ;

5. Разработаны технологии по качественной и производительной лазерной резке угле- и стеклопластиков толщиной от 1 до 8 мм с полимерной связующей матрицей на основе термо- и реактопластов;

6. Проведена оценка стоимости лазерной обработки углепластика толщиной 3 мм по суммарным затратам на погонный метр реза по сложному контуру с учетом затрат на амортизацию технологической установки, расходные материалы, энергоресурсы и зарплату оператора. Показано, что разработанная технология лазерной резки излучением непрерывного волоконнного иттербиевого лазера мощностью 1-4 кВт характеризуется более чем на порядок меньшими затратами по сравнению с обработкой импульсным наносекундным лазером с 20 < Р_ср < 30 Вт.

Методы исследования

Для экспериментальных исследований использованы стандартные и специально разработанные микрометрические, оптико-физические, спектральные и расчетные методы, производимые с использованием разработанной технологической установки, стандартных приборов, устройств и элементов. Эксперименты по резке и сверлению углепластиков проводились с использованием промышленных импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров отечественного производства.

Расчет температурных полей в материале проводился по аналитическим решениям для моделей мгновенно-действующего и быстродвижущегося нормально-распределённых (функция Гаусса) круговых источников на поверхности полубесконечного тела в открытой математической программе для научных расчетов Scilab.

Механические испытания образцов на растяжение проводили в научно-исследовательской и испытательной лаборатории НПЦ «НИАТ Композит» на универсальной испытательной машине Tinius Olsen H1000KU.

Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием общих положений фундаментальных наук (уравнения баланса энергии, теплопереноса и т.д.), проверена по известным критериям.

Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» ФГБОУ ВО МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2017 г.) и научно-технических конференциях, семинарах и конгрессах: 27 и 28-ой Международных конференциях «Лазеры в Науке, Технике, Медицине»; Международных конференциях «Оптика лазеров - 2016» и «Лазерные, плазменные исследования и технологии - ЛаПлаз-2017»; VI Конгрессе техплатформы «Фотоника»; 10-ой Международной конференции «Современное состояние и перспективы развития производства и применения композитных материалов в России»; VI Всероссийском конгрессе молодых ученых; Международных молодежных научных конференциях «Гагаринские чтения - 2017» и «Перспективные подходы и технологии в проектировании производства деталей и изделий аэрокосмической техники - 2017».

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 научных работ в ведущих отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, в том числе 8 статей по перечню ВАК РФ общим объемом 1,9 п.л. и 1 статья в журнале, индексируемом в базе данных SCOPUS, объемом 0,2 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 76 наименований и приложения. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, в том числе 18 таблиц и 90 рисунков.

Особенности технологического процесса лазерной обработки углепластиков

Лазерная обработка углепластиков является сложным многофакторным технологическим процессом, в котором значительное влияние на результат оказывают неоднородность и анизотропия теплофизических свойств, и чувствительность материала к концентрации напряжений. Основные факторы и параметры, определяющие режимы технологического процесса и влияющие на качество лазерной обработки показаны на Рисунке 1.3.

Базовые основы технологического процесса лазерной обработки углепластиков впервые были заложены в известных работах А.Г. Григорьянца [9, 17, 18]. Из них следует, что при лазерной обработке в импульсно-периодическом и непрерывном режимах наиболее характерным и реализуемым на практике механизмом удаления материала является испарение, которое, в виду сложного химического строения неметаллических материалов характеризуется процессом термодеструкции за счет последовательного разложения отдельных составляющих (возгонки вещества). При этом достижение высокого качества с минимальной ЗТВ при обработке углепластиков с термореактивной матрицей представляется наиболее сложной задачей по сравнению с другими типами ПКМ по следующим причинам:

- Высокая температура испарения углеродных волокон и коксового остатка ( 3900 К), образующегося в результате термодеструкции полимерной матрицы, в совокупности с отводом тепла в определенном направлении из-за анизотропии теплофизических свойств материала, приводит к тому, что связующая полимерная матрица, стабильная только до температуры 450 К, начинает разрушаться и формируется ЗТВ с ее частичной и полной термодеструкцией;

- Низкая трещиностойкость и остаточная прочность термореактивных углепластиков при наличии дефектов и как следствие их большая чувствительность к концентрации напряжении и склонность к преждевременному разрушению.

Слабую устойчивость полимерной связующей матрицы к нагреву хорошо демонстрирует результат термогравиметрического анализа эпоксидной смолы, который показан на Рисунке 1.4 [19].

Типовой пример формирования ЗТВ при лазерной обработке представлен на Рисунке 1.5 [20].

Удаление продуктов эрозии (разрушения) из канала реза происходит в виде паро-капельной фазы с околозвуковыми скоростями. Данный процесс вместе с формированием значительного температурного градиента приводит к возникновению волн давления и термомеханических напряжений, которые могут привести к растрескиванию материала. Пример формирования трещин при лазерной обработке показан на Рисунке 1.6 [20].

Изображение микрошлифа поперечного сечения канала лазерного реза в углепластике с растрескиванием [20]

В работе [20] подробно рассмотрены основные дефекты макро- и микрогеометрии канала реза, возникающие при лазерной обработке углепластика. На примерах изображений микрошлифов поперечного сечения канала показаны расслоение, растрескивание, области частичной и полной термодеструкции материала полимерной матрицы и другие дефекты. Сравнительный анализ, проведенный в указанной работе, показал, что качество лазерной обработки углепластиков зависит от коэффициентов поглощения излучения армирующего углеродного волокна и полимерного связующего. И для повышения качества одним из направлений является увеличение коэффициента поглощения путем выбора длины волны излучения лазера или модификацией свойств материала, например, с помощью добавления в связующую полимерную матрицу специальных частиц, например, сажи. В виду того, что механизмы поглощения излучения в неметаллах достаточно сложны и могут существенно отличаться в разных спектральных диапазонах, и зависят от температуры, состояния и структуры материала, достаточно сложно рассчитать их коэффициенты отражения и поглощения. Так, по существующим данным, на длине волны излучения С02-лазера (Я= 10,6 мкм) полимерная матрица и армирующее углеродное волокно характеризуются высокими коэффициентами поглощения излучения [17, 18, 21], поэтому установки на данном типе лазеров широко применяются для обработки углепластиков. Армирующий углеродный наполнитель имеет высокий коэффициент поглощения не только в инфракрасной, но и в видимой и ультрафиолетовой областях спектра (А 0,8). Связующая полимерная матрица характеризуется низким поглощением в ближнем ИК диапазоне и видимой области спектра (А 0,1), а в ультрафиолетовой области спектра напротив имеет высокий коэффициент поглощения (А = 0,8...0,9) [17, 22-24]. Пример, экспериментальной зависимости коэффициента прохождения полимерной матрицы на основе эпоксидной смолы от длины волны падающего излучения показан на Рисунке 1.7.

Зависимость спектрального коэффициента прохождения полимерной матрицы на основе эпоксидной смолы от длины волны падающего излучения [24] Значения спектральных коэффициентов поглощения, отражения и прохождения излучения, как правило, получены экспериментально и могут сильно отличаться в разных литературных источниках. В связи с этим при разработке технологии лазерной обработки представляются важными задачи по экспериментальной оценке влияния длины волны лазерного излучения на эффективность и качество обработки.

Методики оценки показателей качества лазерной обработки

Основные показатели качества лазерной обработки углепластиков представлены в п. 1.3 на Рисунке 1.8. Исследования показателей качества проводилось в испытательной лаборатории ООО НТО «ИРЭ-Полюс» с использованием современного метрологического оборудования. ЗТВ на поверхности образца со стороны входа и выхода луча, дефекты внутренней структуры на микрошлифе поперечного сечения и ширина канала лазерного реза оценивались при помощи оптического микроскопа Olympus GX-51 с увеличением 5-1000 крат, оснащенного цифровой камерой с разрешением 12,8 миллионов пикселей и моторизованным столиком для установки образцов. Анализ полученных изображений осуществлялся на инновационном отечественном программном обеспечении для панорамной микроскопии SIAMS 800 c поддержкой функций стандартных и специализированных инструментов и сшивки кадров в ручном и автоматическом режимах.

Подготовка материалографических образцов для исследований микрошлифа поперечного сечения канала реза проходила в несколько этапов:

1) Резка фрагмента образца перпендикулярно каналу лазерного реза на станке Struers Discotom-6 c использованием абразивного отрезного круга Struers диаметром 250 мм с подачей охлаждающей жидкости;

2) Горячая запрессовка при температуре 1000 С фрагмента вырезанного образца в цилиндр диаметром 50 мм на установке Struers CitoPress-1 в фенольной смоле MultiFast Black;

3) Шлифовка и полировка полученной заготовки цилиндрической формы на станке Struers Tegramin-30 c применением следующих обрабатывающих дисков Struers: SicFoil#220 (выравнивание), MD-Largo (тонкое шлифование), MD-Dac (полирование).

Внешний вид оборудования фирмы Struers, используемого в работе показан на Рисунке 2.17.

Измерение конусности канала реза проводилось на контурографе Mitutoyo Contracer CV-2100M4 с программным обеспечением FORMTRACEPAK. Внешний вид установки показан на Рисунке 2.18. Основные технические параметры приведены в Таблице 8.

Процесс измерения конусности канала лазерного реза проходил в несколько этапов:

1) Образец размером не менее 30х30 мм2 разрезается лазерным излучением на две равные части;

2) Каждая часть поочередно закрепляется в тисках на гранитном основании контурографа;

3) Измерительная алмазная игла проходит по поверхности реза от стороны входа луча к стороне выхода (перпендикулярно относительно направления реза), проводится 5 таких измерений со смещением образца каждый раз на 5 мм по направлению реза;

4) В результате каждого измерения при помощи стандартных инструментов управляющей программы FORMTRACEPAK оценивается максимальное отклонение профиля поверхности от нормали как показано на Рисунках 1.10 и 2.19. Среднее значение отклонения по 5-ти измерениям принимается за конусность исследуемой стороны канала реза. Рисунок 2.19.

Типовой результат измерения конусности канала реза при лазерной обработке углепластика толщиной 3 мм на созданной установке

Шероховатость поверхности канала лазерного реза оценивалась на отечественном контактном профилометре модели 130 (изготовитель АО «Завод ПРОТОН») степени точности 1 по ГОСТ 19300-86 [66]. Измерение параметров шероховатости производилось по системе средней линии (см. ГОСТ 25142-82 [67]) в соответствии с диапазонами значений, предусмотренными ГОСТ 2789-73 [68]. Внешний вид установки показан на Рисунке 2.20.

Метод измерений основан на преобразовании механических колебаний иглы из карбида вольфрама в электрический сигнал. Последний обрабатывается специализированным программным обеспечением, которое производит расчет параметров шероховатости и их вывод на экран компьютера вместе с профилограммой. Процесс измерения проводится в соответствии со стандартом ISO 9013:2002 [69] и состоит из следующих этапов:

1) Образец размером не менее 30х30 мм2 разрезается лазерным излучением на две равные части;

2) Каждая часть поочередно закрепляется в тисках на основании профилометра, так чтобы измерительная игла перемещалась по поверхности канала вдоль направления лазерного реза посередине образца;

3) Проводится калибровка профилометра с использованием комплекта эталонных мер;

4) Каждое измерение проводится серией из 5 автоматических повторений, их статистическую обработку и отображение проводит специализированное программное обеспечение. Форма представления результатов показана на Рисунке 2.21.

Типовой результат измерения шероховатости поверхности при лазерной обработке углепластика на созданной установке Дефекты внутренней структуры на поверхности канала лазерного реза такие как: расслоение, растрескивание и области с термодеструкцией материала полимерной матрицы исследовались с применением электронных сканирующих микроскопов ZEISS GEMINI MERLIN COMPACT VP-60-13 и TESCAN MIRA3 с разрешением до 1 нм, непрерывным увеличением от 2 до 2 000 000 крат и ускоряющим напряжением до 30 кВ. В ходе таких исследований образцы устанавливались в вакуумную камеру диаметром 330 мм и высотой 270 мм на 5-ти осевой моторизованный столик.

Методика и результаты исследований по резке лазером модели YLPP-1-150-30-M со средней мощностью 30 Вт

Исследования по разработке технологии качественной лазерной обработки углепластиков толщиной 2 и 3 мм проводились на созданной экспериментальной технологической установке (см. п. 2.1) с применением импульсного волоконного иттербиевого лазера модели YLPP-1-150-30-M с длиной волны 1,06 мкм и средней мощностью излучения 30 Вт. Технические параметры этого лазера в сравнении с YLPM-1-4x200-20-20 мощностью 20 Вт позволили на порядок увеличить глубину фокуса – до 14 мм и обеспечить высокую плотность импульсной мощности в сфокусированном световом пятне излучения диаметром 100 мкм - 2109 Вт/см2 (см. Таблицу 5). Такие параметры технологической установки дают основания для обеспечения качественной обработки углепластиков толщиной 2 и 3 мм. Экспериментальные исследования по влиянию технологических параметров на качество и эффективность обработки были проведены по аналогии с методикой для лазера модели YLPM-1-4x200-20-20 (см. п. 4.1.1).

Так, обработка углепластика марки M21/35%/T700 толщиной 2 мм с ортотропной схемой армирования, изготовленного методом прямого прессования, проводилась в многопроходном режиме по прямой линии длиной 30 мм с максимальной средней мощностью излучения 30 Вт без пауз между проходами и в атмосфере воздуха. Положение плоскости фокусировки устанавливалось на поверхности образца со стороны входа луча и не смещалось в процессе обработки. Расчет количества проходов, необходимого для удаления материала в канале реза, осуществлялся по формулам (4.1)-(4.3), с учетом изменений диаметра сфокусированного светового пятна и толщины материала, так чтобы обеспечить равное вложение энергии лазерного излучения в материал при вариации технологических параметров.

При изменении скорости перемещения луча Vскан от 250 мм/с до 10 м/с было установлено, что ЗТВ при Vскан 500 мм/с уменьшается до значений 50 мкм при всех режимах работы лазера, за исключением режима ТІ (см. Таблицу 5), где она составила 150 мкм при VCкан 10 м/с. На Рисунке 4.17 представлены зависимости глубины канала реза (hкан реза) от Vскан для режимов работы лазера, рекомендованных к использованию по результатам расчетов в п. 3.3. В режиме ТІ и скоростях перемещения луча в диапазоне 0,25 Vскан 10 м/с глубина канала не превышала 300 мкм.

Из представленных на Рисунке 4.17 данных следует, что максимальная глубина канала лазерного реза достигается при 500 Vскан 1000 мм/с. Уменьшение глубины канала при Vскан 500 мм/с и Vскан 1000 мм/с объясняется теми же причинами, как и при обработке углепластика толщиной 1 мм излучением лазера модели YLPM-1-4x200-20-20 (см. п. 4.1.1). Высокие результаты по ЗТВ ( 50 мкм) и эффективности удаления материала из канала реза показали режимы работы лазера T3 и Т4 (см. Таблицу 5), что согласуется с рекомендациями на основе расчета температурных полей, представленными в п. 3.3. Изображения поверхности образца со стороны входа луча и микрошлифа поперечного сечения канала реза при лазерной многопроходной обработке углепластика толщиной 2 мм в режиме: T4 (имп = 5 нс, fимп = 30 кГц, Eимп = 1 мДж), Vскан = 1 м/с, n = 400 показаны на Рисунке 4.18.

Из Рисунка 4.18 следует, что при таком алгоритме обработки формирование сквозного канала реза за рассчитанное количество проходов n = 400 не обеспечивается. Увеличение их количества при неизменных технологических параметрах приводит к возрастанию ЗТВ до уровня 150 мкм и более. Поэтому целесообразно использовать алгоритм обработки по нескольким параллельным трекам-линиям (см. Рисунки 1.12 и 4.4 и п 4.1.1). Следующие экспериментальные исследования были проведены с целью определения влияния расстояния между параллельными линиями штриховки Lштрих и их количества N на качество и эффективность многопроходной обработки углепластика толщиной 2 мм. Основные параметры технологического процесса были установлены аналогично предыдущему эксперименту (см. Рисунок 4.18). Расстояние между параллельными треками-линиями изменялось в диапазоне 50 Lштрих 300 мкм, количество - 3 N 7. На Рисунке 4.19 представлены зависимости глубины канала реза (hкан.реза) от шага штриховки Lштрих при N = 3 и Vскан = 1 м/с.

Из представленных на Рисунке 4.19 зависимостей следует, что сквозной рез обеспечивается в режимах работы лазера T4 при Lштрих = 50 мкм и T3 – 100 и 150 мкм. ЗТВ в указанных режимах соответствует классу А (см. п. 1.3). При Lштрих 150 мкм во всех режимах обработки формируются независимые друг от друга каналы реза. Так же установлено, что минимальная конусность канала реза достигается в режиме работы лазера T4 при N = 5, что соответствует ширине канала лазерного реза 350 мкм. Результаты лазерной обработки в режиме: T4 (имп = 5 нс, fимп = 30 кГц, Еимп = 1 мДж), Vскан = 1 м/с, Lштрих = 50 мкм, N = 5, n = 400 показаны на Рисунке 4.20.

Технологические параметры обработки, указанные на Рисунке 4.20, обеспечивают удовлетворительное качество: ЗТВ соответствует классу А (см. п. 1.3), конусность u 130 мкм, шероховатость Rz 45 мкм. Скорость резки Vрезки 30 мм/мин. Однако, при обработке углепластика толщиной 3 мм с такими технологическими параметрами и алгоритмом обработки не удается достичь высоких результатов по качеству и производительности. Поэтому, с целью повышения качества обработки углепластиков толщиной 2 и 3 мм были разработаны новые методы многопроходной лазерной обработки с количественной и пространственной регулировкой вводимой лазером энергии путем изменения скорости перемещения луча (Vскан) и количества параллельных треков-линий (N). Результаты, полученные с помощью разработанных методов, рассмотрены на примере поэтапной лазерной обработки углепластика марки M21/35%/T700 с ортотропной схемой армирования изготовленного методом прямого прессования толщиной 3 мм:

1) На 1-ом этапе обработка проводилась излучением лазера модели YLPP-1-150-30-M в режиме работы T4 (имп = 5 нс, fимп = 30 кГц, Еимп = 1 мДж) при Vскан = 1 м/с, Lштрих = 50 мкм, N = 5, n = 600. Технологические параметры не изменялись в процессе обработки;

2) На 2-ом этапе было введено уменьшение скорости перемещения луча через каждые 100 проходов на 100 мм/с (от 1 м/с до 0,5 м/с);

3) На 3-ем этапе совместно с уменьшением скорости перемещения луча уменьшалось количество треков-линий N через каждые 100 проходов на 1 (от 10 до 5).

На Рисунках 4.21 и 4.22 представлены изображения поверхности образцов и микрошлифов поперечного сечения канала реза. Результаты обработки представлены в Таблице 14.

Исследования по сверлению отверстий в углепластиках излучением наносекундных импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров

Одной из наиболее часто встречающихся и в то же время наиболее трудоемкой операцией при обработке ПКМ углепластиков является операция сверления. Трудоемкость сверлильных операций на отдельных изделиях достигает 80% от общей трудоемкости процесса обработки. Поэтому задачи по формированию с высокой производительностью качественных сквозных отверстий различного назначения в деталях из углепластиков представляют большой практический интерес. На основании результатов исследований по резке углепластиков толщиной 1-3 мм излучением импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров (см. п. 4.1 и 4.2) были определены оптимальные технологические параметры, обеспечивающие высокое качество обработки: ЗТВ в соответствие с классами А и Б (см. п. 1.3), конусность u 100 мкм, шероховатость Rz 40 мкм при скоростях резки до 3 м/мин. Применяемый алгоритм (см. Рисунки 1.12 и 4.4) был модифицирован в соответствии с решаемой задачей. Так при формировании отверстий послойное удаление материала в каждом проходе осуществлялось по нескольким концентрическим трекам-окружностям или треку в виде спирали. Пример такого алгоритма перемещения луча схематично представлен на Рисунке 4.32.

В ходе экспериментов было установлено, что выполнение прохода с разверткой луча по спирали предпочтительнее, чем обработка по нескольким концентрическим окружностям, поскольку позволяет минимизировать дефекты формирования канала реза в точке старта обхода вследствие погрешностей синхронизации включения и выключения излучения лазера с перемещением зеркал гальваносканера. Расположение точки старта обхода на внешнем диаметре обусловлено необходимостью обеспечить возможность применения разработанных методов лазерной многопроходной обработки с регулировкой ширины канала реза и скорости перемещения луча (см. п. 4.1 и 4.2). Применение фокусирующих Fheta линз (см. Таблицу 3) при формировании отверстий характеризуется некоторыми особенностями, влияющими на качество обработки. Так на Рисунке 4.33 представлено схематичное изображение прохождения лазерного излучения при двух типах фокусирующих Fheta линз: стандартной и телецентрической.

Использование стандартной Fheta линзы характеризуется постоянством фокусного расстояния в рабочем поле и вместе с этим лазерный луч падает на обрабатываемую поверхность под углом отличным от 900 при отклонении луча от центра рабочего поля. Телецентрическая Fheta линза обеспечивает перпендикулярное падение лазерного луча во всем рабочем поле. На Рисунке 4.34 схематично представлены особенности формирования сквозного отверстия радиусом (r) в углепластике толщиной (h) при использовании стандартной фокусирующей Fheta линзы с заданным фокусным расстоянием (F).

Как видно на Рисунок 4.34 обработка отверстий при наклонном падении лазерного излучения на образец способствует уменьшению конусности и, соответственно, повышению точности обработки. Величина компенсации конусности 11обр (см. Рисунок 4.34) прямо пропорциональна толщине материала и радиусу отверстия и обратно пропорционально фокусному расстоянию объектива, ее оценку возможно проводить по формуле (4.8):

При лазерном сверлении отверстий с диаметрами от 2 до 16 мм в углепластиках толщиной до 3 мм величина иобр с учетом фокусного расстояния используемых Fheta линз (см. Таблицу 3) может достигать 100 мкм, что способствует достижению высокой точности отверстий в соответствии с квалитетами Н9...Н12 [33-35] и практическому применению лазерного сверления углепластиков в промышленности как альтернативы традиционным способам обработки.

Из результатов экспериментальных исследований, представленных в п. 4.1 и 4.2, следует, что качественную обработку отверстий в углепластиках толщиной 1 мм рационально проводить излучением импульсного лазера модели YLPM-1-4x200-20-20 со средней мощность 20 Вт, а при толщине более 1 мм рекомендуется использовать импульсный лазер модели YLPP-1-150-30-М со средней мощностью 30 Вт и непрерывный - модели ЛК-1000-ОМ мощностью 1 кВт. На созданной экспериментальной технологической установке с применением разработанных алгоритмов лазерного сверления отверстий (см. Рисунок 4.32) при оптимальных технологических параметрах (см. п. 4.1 и 4.2) были получены сквозные отверстия диаметром от 2 до 16 мм в образцах из углепластиков толщиной от 1 до 3 мм. Результаты обработки представлены на Рисунках 4.35-4.41.

Изображения поверхности образцов со сквозным отверстием диаметром 6 мм из углепластиков толщиной 2 мм с разными технологическими свойствами со стороны входа и выхода луча при обработке излучением импульсного волоконного иттербиевого лазера модели YLPP-1-150-30-M с Pср = 30 Вт. Обозначения образцов указаны в соответствии с Таблицей 118

Изображения поверхности образцов со сквозным отверстием диаметром 6 мм из углепластиков толщиной 2 мм с разными технологическими свойствами со стороны входа и выхода луча при обработке излучением импульсного волоконного иттербиевого лазера модели YLPP-1-150-30-M с Pср = 30 Вт. Обозначения образцов указаны в соответствии с Таблицей 11.

Изображения поверхности образца со сквозным отверстием диаметром 6 мм из углепластика толщиной 3 мм со стороны входа - А) и выхода Б) луча при обработке излучением непрерывного волоконного иттербиевого лазера модели ЛК-1000-ОМ с P = 1 кВт

Точность выполнения отверстий контролировалась с помощью гладких калибров производства ЗАО ТД «ИТО-ТУЛМАШ». В Таблице 15 приведены основные результаты по лазерному сверлению сквозных отверстий излучением импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров в углепластиках толщиной 1-3 мм.

Данные, представленные в Таблице 15, свидетельствуют о возможности лазерного сверления качественных сквозных отверстий излучением импульсных и непрерывных волоконных иттербиевых лазеров в углепластиках толщиной до 3 мм c высокой производительностью. Следует отметить, что увеличение времени цикла обработки отверстий импульсным лазером более чем на порядок при изменении толщины образцов с 1 до 3 мм обусловлено как увеличением количества проходов так и введением паузы между последовательными проходами длительностью Tпаузы от 0,1 до 0,5 с для минимизации ЗТВ, которая возникает за счет эффекта накопления тепла в зоне обработки вследствие особенностей отвода тепла при резке по замкнутому контуру. Непрерывный волоконный иттербиевый лазер модели ЛК-1000-ОМ мощностью 1 кВт обеспечивает до 5 раз большую производительность по сравнению с импульсным лазером при обработке образцов толщиной h 2 мм с сохранением высокого качества. Существенно повысить производительность лазерного сверления возможно при обработке массива отверстий за счет оптимизации алгоритма обработки с минимизацией длительности пауз и повышением коэффициента использования лазера.