Лазерный мир

Постнов В.И., Постнова М.В., Богатов В.А., Стрельников С.В. // Труды ВИАМ, 2020

Рост объемов производства изделий из неметаллических материалов требует внедрения современных высокопроизводительных технологий. В связи с этим в данной статье рассмотрена возможность использования лазерного излучения для раскроя деталей из органических стекол, проведены сравнительные прочностные испытания образцов, полученных с помощью лазерного и механического раскроя, а также представлены результаты исследований по влиянию теплового излучения лазерной резки на остаточные напряжения в оргстекле, и в частности на его «серебростойкость».

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

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/кг10-5. 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.

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-временного воздействия в определенных точках материала (рис. 2). Значения температур измеряли термопарами, «вживленными» в исследуемый образец на различной глубине от кромки реза.

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 «сереб-ростойскость» проведена серия испытаний отожженных образцов органических стекол.

Полное содержание статьи: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-lazernoy-rezki-na-svoystva-organicheskih-stekol/pdf