Введение

Одним из условий достижения нового конструктивно-технологического уровня развития авиационной техники уже в ближайшем будущем является использование при ее создании принципиально новых материалов и технологий их переработки [1–4].

Применение неметаллических материалов в авиационной промышленности позволило поднять самолетостроение на качественно новую ступень [5]: снизить массу конструкции, увеличить ресурс эксплуатации и уменьшить трудоемкость изготовления изделий. Рост объемов использования неметаллических материалов ставит вопрос и об освоении новых, более эффективных, способов их обработки. Однако до настоящего времени основным способом их обработки в массовом производстве пока остается механический, для которого характерны большие трудозатраты, многостадийность и потери материала в зоне реза, особенно при изготовлении деталей сложного контура.

В последние годы наметилась перспектива применения лазеров для резки материалов любой твердости. При этом обеспечиваются высокая точность и качество реза (малая ширина и параллельные кромки), небольшая зона нагрева, высокая производительность процесса и возможность точного, автоматизированного управления [6, 7]. Это обусловлено появлением достаточно мощных промышленных CO₂-лазеров и созданием на их основе автоматизированных трехкоординатных лазерных технологических комплексов [6, 8].

Процесс разделения материала лазерным излучением описывают следующими основными стадиями:

-   поглощение света и последующая передача энергии внутрь материала;

-   нагревание материала в зоне реза без разрушения;

-   изменение агрегатного состояния вещества (испарение, плавление, сублимация, деструкция);

-   удаление вещества из зоны реза;

-   остывание материала после резки.

Каждую из этих стадий наблюдают при резке любого материала. В технологическом плане первые четыре стадии определяют производительность технологических операций; вторая и пятая ‒ ответственны за структурные и химические превращения в материале; четвертая ‒ влияет на качественные показатели процесса. Характерная продолжительность протекания каждой из этих стадий зависит от физико-химических свойств обрабатываемого материла, длины волны и плотности мощности лазерного излучения. Поэтому при разработке технологии лазерной раскройки конкретного материала важно изучить процессы, протекающие на каждой из этих стадий [9, 10].

Материалы и методы

При воздействии лазерного излучения на материал эффективность использования энергии лазерного пучка зависит от свойств поверхности материала, в частности от коэффициента отражения. Он представляет собой отношение интенсивностей отраженной световой волны и падающего светового пучка и определяется оптическими характеристиками материала и состоянием его поверхности. Однако на практике чаще используют термин «коэффициент поглощения», который характеризует поглощение материалом излучения с определенной длиной волны. В неметаллах взаимодействие лазерного излучения с материалом, сопровождающееся его деструкцией, носит сложный объемный характер. Поглотив энергию лазерного излучения, материал начинает нагреваться. Первоначально нагрев происходит в области поглощения света, определяемой глубиной проникновения излучения в среду l:

l=a^-1,

где a – коэффициент поглощения на данной длине волны.

С течением времени глубина прогрева увеличивается за счет теплопроводности:

l~(at)^1/2,

где a – температуропроводность; t – продолжительность воздействия излучения на материал.

В зависимости от достигнутых температур различают резку в режиме плавления и резку в режиме испарения обрабатываемого материала. При резке неметаллов наиболее характерен режим испарения (деструкция). В обоих режимах для удаления материала из зоны реза применяют поддув вспомогательного газа. При резке неметаллических материалов для предотвращения их окисления в качестве вспомогательного газа используют инертные газы, азот, реже воздух.

Энергетические условия лазерной резки часто характеризуют с помощью ее удельной энергии, которая является характеристикой материала и не зависит от условий резки. Для органических стекол (оргстекол) она составляет 2 Дж/кг·10^-5. Зная удельную энергию резки, можно оценить режим резки материала [6]. Для оргстекол марок СО-120 и АО-120 толщиной 10 мм мощность лазера составляет 900 Вт, при этом скорость резки 3,5 м/мин.

Последствия взаимодействия лазерного излучения с веществом выражаются в формировании в материале так называемой зоны термического воздействия (ЗТВ), в которой в наружных к лазерному резу слоях наблюдается глубокая деструкция исходного материала. Поэтому основные механические свойства материала зависят от степени совершенства структуры его поверхности. В этой связи при оптимизации режимов лазерной резки основным критерием должно быть минимальное нарушение структуры материала в ЗТВ.

Таким образом,  оптимизация параметров лазерной технологии для конкретного производства требует решения комплекса чисто материаловедческих вопросов, связанных с диагностикой зоны термического воздействия, определением ее влияния на структурные, прочностные и другие характеристики материала.

Для исследования процессов лазерной резки органических стекол марок СО-120 и АО-120 использовали лазерную установку со следующими основными параметрами:

-     длина волны излучения 10,6 мкм;

-     мощность излучения 100‒1500 Вт;

-     характер излучения ‒ непрерывный;

-     расходимость излучения 1,5 мрад;

-     состав излучения ‒ одномодовый (мода ТЕМ¥);

-     предельная скорость резки 20 м/мин;

-     вспомогательный газ ‒ воздух, инертные газы.

Зону термического воздействия в оргстеклах изучали микроскопическим методом [11, 12], основанным на свойстве некоторых изотропных прозрачных материалов (включая ПММА – органическое стекло, или полиметилметакрилат) в напряженном состоянии становиться оптически анизотропными. Пучок поляризованного света, проходя через напряженный материал, разлагается на две составляющие, которые распространяются с разными скоростями. Возникающая оптическая разность хода лучей позволяет наблюдать напряженные участки в материале.

Образцы оргстекол, подвергнутые лазерной и механической обработкам, исследовали на «серебростойкость» [12]. Данный метод, используемый для оперативной оценки напряжений растяжений на поверхности обработанного материала, заключается в том, что существующие на поверхности напряжения растяжения легко обнаруживаются, если воздействовать на материал растворителем, в данном случае ацетоном. При этом на поверхности появляется «серебро», хорошо наблюдаемое под некоторым углом в проходящем свете.

Существует связь между величиной растягивающих напряжений σ_в (предел прочности при растяжении) и временем появления «серебра» t:

lgτ=lgθ–γlogσ_в,

где θ и γ – константы, характеризующие материал и растворитель.

Для ПММА в ацетоне их значения равны: lgθ=14,26; γ=1,89 [12].

Испытаниям подвергали образцы различной толщины. Механическую обработку выполняли по ПИ1.2.А.487–97. Испытания на растяжение проводили в соответствии с ГОСТ 11262–80 на разрывной испытательной машине Zwick Roell Z050, испытания на ударную вязкость – в соответствии с ГОСТ 4647–80 на маятниковом копре МК-50. Скорость испытания на растяжение составляла: 10 мм/мин ‒ для оргстекла марки АО-120 и 5 мм/мин – для марки СО-120. Энергию маятникового копра при испытаниях подбирали в диапазоне 20–80% от разрушающей нагрузки.

Результаты и обсуждение

Исследование образцов оргстекла, подвергнутых лазерной резке, показало, что зона термического воздействия в ПММА заметно отличается от ЗТВ в композиционных материалах – отсутствует зона коксообразования. Это хорошо согласуется с принятой классификацией полимерных материалов по характеру процессов, сопровождающих взаимодействие материала с лазерным излучением [13–15]. Кромка реза в ПММА – оплавленная, и существует лишь зона термопластичности, имеющая достаточно резкую границу раздела с основным веществом. В обычном свете поверхность лазерного реза по цвету не отличается от основного материала.

В процессе лазерной резки оргстекол марок АО-120 и СО-120 толщиной 10 мм  определено распределение температур в зоне реза, где d – диаметр распространяемого теплового поля от лазерного луча (рис. 1), и характер температурно-временнόго воздействия в определенных точках материала (рис. 2). Значения температур измеряли термопарами, «вживленными» в исследуемый образец на различной глубине от кромки реза.

Рис. 1. Распределение температуры в ЗТВ для оргстекла

Рис. 2. Измерение температуры оргстекол АО-120 и СО-120 на различной глубине (t)
от кромки реза: 1 – 0,5 мм; 2 – 1,0 мм; 3 – 1,87 мм; 4 – 2,37 мм

Из-за высоких скоростей нагрева и охлаждения материала, в зоне реза и ЗТВ формируются остаточные растягивающие напряжения. Геометрическую форму зоны термического воздействия в оргстеклах определяли микроскопическим исследованием шлифов образцов в проходящем поляризованном свете на микроскопе МБИ-15. Изготовленные обычным образом шлифы давали довольно четкую цветную картину с ярко выраженной границей расположения ЗТВ. Измерения позволили получить характерную глубину ЗТВ в органических стеклах, составляющую 0,28–0,33 мм, для образцов толщиной 10 мм при следующем режиме резки: мощность 850 Вт; скорость  1,7 м/мин; заглубление фокального пятна: 37% от толщины материала. Для образцов толщиной 3 мм глубина ЗТВ составила 0,14–0,17 мм при следующем режиме резки: мощность 200 Вт; скорость 2 м/мин; заглубление фокального пятна: 25% от толщины материала. Различий в размерах ЗТВ в образцах стекол марок АО-120 и СО-120 не наблюдали.

В процессе сравнительных испытаний образцов из данных оргстекол отмечена особенность их поведения после резки лазером. Прочность образцов с течением времени снижалась и достигала 45% от первоначальной прочности, которая, в свою очередь, несмотря на большие значения растягивающих напряжений в зоне реза, практически не отличалась от прочности отфрезерованных образцов (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость прочности при растяжении оргстекол АО-120 и СО-120
от продолжительности выдержки после лазерной резки

Релаксация напряжений во время выдержки оргстекол АО-120 и СО-120 после лазерной резки происходит по сложному механизму, так как процесс релаксации зависит от большого количества факторов, которые трудно учесть (содержание мономера; степень разветвленности макромолекул, стереорегулярности; условия выдержки, степень влажности, значения температуры и др.).

Определение «серебростойкости» образцов оргстекол АО-120 и СО-120 после лазерной резки показало, что в широком диапазоне ее режимов данное явление возникало спустя 2–3 с после обработки ацетоном. Следует отметить, что для ПММА допустимым для эксплуатации является появление «серебра» более чем на 3 мин [12].

В термопластичных материалах существующие напряжения со временем релаксируют. Эта закономерность хорошо видна на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость «серебростойкости» от продолжительности выдержки
образцов оргстекла марки АО-120 толщиной 10 мм при комнатной температуре

С повышением температуры термообработки органических стекол процессы релаксации в них ускоряются. Так, отжиг оргстекла марки СО-120 при температуре 90±5 °С, а марки АО-120 при температуре 80±5 °С в течение 6 ч привел к увеличению параметра «серебростойкость» до 6 мин, что свидетельствует о значительном уменьшении существовавших напряжений в ЗТВ. Однако шлифы, изготовленные из отожженных образцов, показали, что зона оптической анизотропии в органических стеклах сохраняется практически без изменения.

Для определения механических свойств органических стекол исследовали образцы, изготовленные лазерной резкой и фрезерованием. Данные проведенных испытаний приведены в табл. 1–4.

Таблица 1

Прочность при разрыве оргстекла марки СО-120 после различных видов обработки

Таблица 2

Ударная вязкость оргстекла марки СО-120 после различных видов обработки

Таблица 3

Прочность при растяжении оргстекла марки АО-120 после различных видов обработки

Таблица 4

Ударная вязкость оргстекла марки АО-120 по Шарпи
после различных видов обработки

Испытания показали, что прочность при разрыве образцов органического стекла, полученных фрезерованием, выше на 30–45% прочности образцов, полученных лазерной резкой. Поверхность лазерного реза оргстекла ‒ гладкая, оплавленная, но с небольшой периодической волнистостью (размер впадин – до 0,2 мм). В отличие от лазерной резки, поверхность образцов после механической обработки ‒ шершавая, в отдельных местах со сколами на кромках реза. Однако прочность этих образцов оказалась выше. Причем с увеличением толщины образца его прочность после лазерной резки уменьшалась, т. е. чем продолжительнее было воздействие лазерного излучения, тем большее влияние оно оказывало на прочность образца.

Отличалось и «поведение» образцов при испытании. В образцах, полученных лазерной резкой, практически сразу после приложения нагрузки в оплавленном слое появлялся ряд трещин, одна из которых при дальнейшем нагружении развивалась и приводила к разрушению, в то время как в образцах, полученных механической обработкой, явление раннего трещинообразования не наблюдали. При учете обнаруженных больших остаточных напряжений растяжения в зоне термического воздействия при испытании на «серебростойскость» проведена серия испытаний отожженных образцов органических стекол.

Первоначально отжиг образцов оргстекол марки СО-120 проведен в соответствии с ПИ1.2.А.487‒97 при температуре 85±5 °С в течение 6 ч. Последующие испытания при растяжении показали (табл. 5), что прочность отожженных образцов практически не изменилась, хотя «серебростойкость» возросла до 3 мин. Другая партия образцов подвергалась более глубокой термообработке при температуре 140±5 °С в течение 3 ч. В данном случае прочность образцов резко возросла, приблизившись к прочности образцов, полученных механической обработкой.

Таблица 5

Прочность при растяжении оргстекла марки СО-120 после термической обработки

Заключения

Применение раскроя оргстекол с использованием лазерной резки позволяет снизить коэффициент использования материала (КИМ) на 10‒15%, а трудоемкость – на 30‒40% по сравнению с традиционной механической обработкой (распил, фрезерование) заготовок и деталей.

Таким образом, учитывая положительную тенденцию к повышению прочностных свойств оргстекол марки СО-120 за счет оптимизации температурно-временны́х режимов их обработки после лазерной резки, возможно полностью релаксировать напряжения в зонах термического воздействия с обеспечением в них необходимых механических свойств. Данная технология раскроя оргстекол марок СО-120 и АО-120 может быть использована для изготовления заготовок с последующей механической доработкой в размер изделия.