Влияние лазерной резки на свойства органических стёкол
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».
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 σв (предел прочности при растяжении) и временем появления «серебра» t:
lgτ=lgθ–γlogσв,
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
Тип образца | Вид обработки | Толщина образца, мм | Прочность | Коэффициент вариации, % |
I | Механическая | 9,3 | 54,5 | 1,2 |
Лазерная | 9,6 | 27,6 | 2,3 | |
II | Механическая | 9,0 | 73,9 | 3,1 |
Лазерная | 9,0 | 43,5 | 2,2 | |
III | Механическая | 9,3 | 54,5 | 4,8 |
Лазерная | 9,6 | 27,2 | 1,9 |
Таблица 2
Ударная вязкость оргстекла марки СО-120 после различных видов обработки
Тип образца | Вид обработки | Толщина | Ударная вязкость, кДж/м2 | Коэффициент вариации, % |
I | Механическая | 8,9 | 16,7 | 1,3 |
Лазерная | 8,9 | 13,5 | 2,8 | |
II | Механическая | 8,9 | 15,2 | 3,2 |
Лазерная | 8,9 | 10,7 | 2,4 | |
III | Механическая | 8,9 | 12,6 | 4,6 |
Лазерная | 8,9 | 7,5 | 3,1 |
Таблица 3
Прочность при растяжении оргстекла марки АО-120 после различных видов обработки
Тип образца | Вид обработки | Толщина | Прочность при | Коэффициент вариации, % |
I | Механическая | 2,8 | 85,9 | 1,4 |
4,1 | 88,2 | 2,3 | ||
10,1 | 81,7 | 0,8 | ||
Лазерная | 3,2 | 80,3 | 3,4 | |
4,6 | 64,1 | 1,2 | ||
10,3 | 44,1 | 2,9 | ||
II | Механическая | 3,0 | 89,2 | 0,8 |
4,2 | 84,6 | 1,3 | ||
10,1 | 93,0 | 3,4 | ||
Лазерная | 3,2 | 86,5 | 0,9 | |
4,3 | 72,8 | 4,8 | ||
10,3 | 62,0 | 3,1 | ||
III | Механическая | 2,8 | 80,1 | 1,1 |
4,2 | 87,3 | 6,8 | ||
10,1 | 87,1 | 4,2 | ||
Лазерная | 3,1 | 81,1 | 1,3 | |
4,2 | 83,7 | 2,8 | ||
10,1 | 71,6 | 3,2 |
Таблица 4
Ударная вязкость оргстекла марки АО-120 по Шарпи
после различных видов обработки
Тип образца | Вид обработки | Толщина | Ударная вязкость, кДж/м2 | Коэффициент вариации, % |
II | Механическая | 2,9 | 30,5 | 3,8 |
4,2 | 24,8 | 5,2 | ||
10,0 | 31,9 | 6,8 | ||
Лазерная | 2,9 | 21,9 | 4,1 | |
4,5 | 12,1 | 7,2 | ||
10,0 | 23,1 | 3,3 | ||
III | Механическая | 3,0 | 29,4 | 1,3 |
4,2 | 21,9 | 2,8 | ||
10,0 | 21,4 | 4,0 | ||
Лазерная | 3,1 | 20,5 | 2,1 | |
4,7 | 11,3 | 5,8 | ||
10,4 | 11,5 | 4,0 |
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
Тип образца | Вид обработки | Толщина | Прочность при разрыве, МПа | Коэффициент вариации, % |
II | Лазерная резка | 9,0 | 43,5 | 3,7 |
Лазерная резка с отжигом при 140±5 °С в течение 3 ч | 9,0 | 63,4 | 3,9 | |
Механическая | 9,0 | 70,4 | 4,2 | |
II | Лазерная резка | 10,1 | 44,5 | 2,1 |
Лазерная резка с отжигом при 85±5 °С в течение 6 ч | 10,1 | 45,1 | 2,3 | |
Механическая | 10,1 | 73,9 | 3,1 |
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.
- Каблов Е.Н. Материалы нового поколения – основа инноваций, технологического лидерства и национальной безопасности России // Интеллект & Технологии. 2016. №2. С. 41–46.
- Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
- Подживотов Н.Ю., Каблов Е.Н., Антипов В.В., Ерасов В.С., Серебренникова Н.Ю., Абдуллин М.Р., Лимонин М.В. Слоистые металлополимерные материалы в элементах конструкции воздушных судов // Перспективные материалы. 2016. №10. С. 5–19.
- Гращенков Д.В. Стратегия развития неметаллических материалов, металлических композиционных материалов и теплозащиты // Авиационные материалы и технологии. 2017. №S. С. 264–271. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-264-271.
- Сентюрин Е.Г., Мекалина И.В., Айзатулина М.К., Исаенкова Ю.А. История создания материалов самолетного остекления и полимерных материалов со специальными свойствами (к 75-летию лаборатории полимерных материалов со специальными свойствами) // Авиационные материалы и технологии. 2017. №3 (48). С. 81–86. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-3-81-86.
- Григорянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
- Постнов В.И., Постнова М.В. Механика процессов резки полимерных материалов лазером // Механика и процессы управления: сб. науч. тр. / Ульяновский гос. техн. ун-т. Ульяновск: УлГТУ, 2000. С. 64–70.
- Виноградов Б.А., Гавриленко В.Н., Ли Бенсон М.Н. Теоретические основы воздействия лазерного излучения на материалы. Благовещенск: БПИ, 1993. 344 с.
- Голубенко Ю.В., Бондарев А.В., Пономаренко К.В. Лазерная резка полимеров и неметаллических композиционных материалов // Технология машиностроения. 2005. №10. С. 57–59.
- Постнов В.И., Постнова М.В., Постнов А.В. Исследование параметров лазерной резки препрегов из органоткани // Сборник материалов III Всерос. науч.-практ. конф. «Современные технологии в машиностроении». Пенза: Приволжский дом знаний, 2000. С. 35–38.
- Харитонов Г.М., Яковлев Н.О., Мекалина И.В. Влияние физико-механических характеристик оргстекол на напряжения в самолетном остеклении при аэродинамическом нагреве // Авиационные материалы и технологии. 2015. №S1. С. 56–60. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-S1-56-60.
- Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов: справочное пособие: в 3 т. / под ред. А.Т. Туманова. М.: Машиностроение, 1973. Т. 3: Методы исследования неметаллических материалов. 146 с.
- Аксеева Р.М., Заикова Г.Е. Горение полимерных материалов. М.: Наука, 1981. 280 с.
- Халтуринский Н.А., Берлин А.А. Закономерности макрокинетики пиролиза полимеров // Успехи химии. 1983. Т. 52. №12. С. 2819–2838.
- Асеева Р.М., Смуткина З.С., Берлин А.А., Касаточкин В.И. О термических превращениях карбо- и гетероцепных полимеров // Структурная химия углерода и углей. М.: Наука, 1969. С. 161–200.