СПОСОБ РАЗМЕРНОЙ ОБРАБОТКИ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2003 года по МПК B23K26/38 

Предлагаемое изобретение относится к лазерной технологии размерной обработки композиционного материала, включающего матрицу из акриловой или эпоксидной смолы, армированную углеродсодержащими волокнами, и, в частности, может быть использовано при изготовлении сложноконтурных изделий.

Известные механические способы размерной обработки композиционных материалов с использованием сверхтвердых материалов характеризуются быстрым износом режущего инструмента, невысокой производительностью и низким качеством реза, не позволяют осуществлять непрямолинейный раскрой материала.

Использование электронно-лучевых и электроэрозионных методов для сложноконтурной размерной обработки композиционных материалов, относящихся к диэлектрикам и характеризующихся большой разницей температур разрушения структурных составляющих (от 2300-2800^o до 450^oС), практически неосуществимо (см. А.А. Углов. Состояние и перспективы лазерной технологии. - Ж. "Физика и химия обработки материалов", 1992, 4, с. 342-42).

Известен способ лазерной размерной обработки композиционного материала, имеющего матрицу из эпоксидной смолы, армированную углеродсодержащими волокнами, согласно которому предложено использовать первую, вторую и третью гармоники излучения твердотельного лазера на алюмоиттриевом гранате с неодимом, работающего в режиме модулированной добротности. Размерную обработку осуществляют в атмосфере азота.

В способе предложена избирательность воздействия лазерного излучения с длиной волны 265, 530 и 1060 нм, а также комбинация этих длин (см. патент США 5500505, В 23 К 26/00, 19 марта 1996).

Основным недостатком известного способа является усложненная конструкционно-технологическая схема, существенный разброс излучения 1-й, 2-й и 3-й гармоник по мощности и соответственно рост ее непроизводительных потерь.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является способ лазерной размерной обработки утолщенных материалов, в том числе и композиционных, согласно которому луч делят на два и фокусируют их на противоположные поверхности обрабатываемого материала с заглублением внутрь материала на расстояние 1/4-1/6 его толщины, расстояние между фокусами лучей в материале поддерживают в пределах 1/2-2/3 его толщины. Способ предусматривает использование одного лазера мощностью 6 кВт или двух лазеров, каждый мощностью по 3 кВт (см. патент США 5521352, В 23 К 26/00, от 28 мая 1996).

Основными недостатками известного способа являются:
- усложненность аппаратурно-технологической схемы, связанная с использованием двух лучей, направленных на обе стороны материала, а также с необходимостью обеспечения их точного взаимного позиционирования в материале;
- многократное преломление лучей в оптической схеме ведет к несовпадению поляризации падающего излучения, что влияет на качество реза на противоположных поверхностях материала, особенно это касается композиционных материалов;
- схема способа предусматривает резку материала только вдоль одного прямолинейного направления, произвести сложноконтурную резку известным способом практически невозможно.

В основу изобретения положена задача разработки способа лазерной резки композиционных материалов, который бы обеспечил высокое качество реза на верхней и нижней поверхностях материала с уменьшенной зоной термического влияния при оптимальных режимах процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе размерной обработки композиционного материала, включающем воздействие лазерного излучения, фокусируемого внутрь материала, согласно предлагаемому изобретению, в качестве модового состава излучения используют комплексную моду, а фокус луча направляют внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/2-5/8 толщины его, поддерживая при этом мощность излучения 500÷700 Вт и скорость движения луча в пределах 0,8÷2,5 см/с.

Преимущество предлагаемого технического решения заключается в том, что фокусировка луча внутрь материала на заявленное расстояние с предложенным модовым составом излучения при поддержании оптимальной мощности излучения и скорости движения луча обеспечит получение сквозного реза при минимальной зоне термического влияния и шероховатости по контуру реза в пределах 0,05-0,1 мм.

При комплексной моде поляризации излучения распределение интенсивности в ней является аксиально-симметричным и имеет форму кольца в поперечном сечении, в результате чего внутри кольца происходит разогрев материала за счет экзотермических реакций, что, в свою очередь, приводит к уменьшению мощности, необходимой для осуществления процесса качественной резки материала. Снижение мощности до 400 Вт, сохранение значения скорости движения луча 0,8 см/с и оптимальное заглубление фокуса в заявленных пределах, с одной стороны, приводит к уменьшению ширины реза и зоны термического влияния, а с другой - к увеличению удельной энергии процесса до 19,2 кДж/см³. Повышение мощности при скорости движения луча 0,8 см/с и оптимальном значении заглубления фокуса приводит как к увеличению ширины реза и зоны термического влияния, так и к увеличению удельной энергии реза до 17,1 кДж/см³. При мощности 700 Вт, скорости движения луча 2,5 см/с и оптимальном значении заглубления фокуса в заявленных пределах получены качественные характеристики сквозного реза по ширине реза, зоне термического влияния при удельной энергии 8,5 кДж/см³, при дальнейшем увеличении мощности качественные характеристики процесса не притерпевают значительных изменений.

Пример. Исследования проводили на образцах из полимерных углеродволокнистых композиционных материалов с акриловыми или эпоксидными связующими смолами. Резку осуществляли по криволинейной траектории в форме эллипса с полуосями 3 и 4 см в заданном прямоугольнике с размерами 3х4 см².

В качестве источника непрерывного лазерного излучения служил СO₂-лазер. В качестве оптимального модового состава при обработке указанных композиционных материалов с помощью лазерного излучения является комплексная мода поляризации - TEM₀₁*, которая представляет суперпозицию двух одинаковых мод, повернутых относительно друг друга на 90^o, и образована как наложение мод TEM₀₁ и ТЕМ₁₀. Давление воздуха в сопле вблизи выходной линзы составляло 0,2 МПа, что обеспечивало полный вынос продуктов горения и испарения их из зоны реза. Фокусное расстояние определяли на основе критерия оптимальности: наибольшая скорость движения луча при наименьшей мощности. Оно составило 1/2-5/8 толщины материала от его поверхности. В результате получены качественные резы при мощности излучения 500-700 Вт и скорости движения луча в пределах 8,8-2,5 см/с.

Ширину реза на верхней D_a и нижней D_b поверхностях, зону термического влияния L, шероховатость R_z определяли как среднее между измеренными их значениями с обоих краев реза. По этим размерам рассчитывался энерговклад в единицу объема W (удельная энергия резки). Измерения параметров проводили в нескольких точках реза, при разных углах резания относительно выбранной оси при движении луча по эллиптической траектории.

Полученные в этих условиях технологические параметры размерной резки композиционных материалов представлены в таблице.

Предлагаемый способ размерной обработки композиционного материала при использовании позволит:
- проводить качественную размерную обработку композиционных материалов по криволинейной траектории в автоматизированном режиме,
- достигнуть оптимальную производительность процесса при относительно невысокой мощности излучения,
- повысить рентабельность процесса за счет использования для поддува обычного воздуха, подаваемого под небольшим давлением.

Изобретение относится к лазерной технике, в частности к размерной обработке композиционных материалов при изготовлении сложноконтурных изделий. В качестве модового состава излучения используют комплексную моду. Фокус луча направляют внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/2-5/8 толщины. Мощность излучения поддерживается в пределах 500-700 Вт. Скорость движения луча находится в пределах 0,8-2,5 см/с. Это позволяет получить высокое качество реза на верхней и нижней поверхностях материала при минимальной зоне термического влияния. 1 табл.

Способ размерной обработки композиционного материала, включающий воздействие лазерного излучения, фокусируемого внутрь материала, отличающийся тем, что в качестве модового состава излучения используют комплексную моду, а фокус луча направляют внутрь материала на расстояние от поверхности в пределах 1/2÷5/8 его толщины, поддерживая при этом мощность излучения 500÷700 Вт и скорость движения луча в пределах 0,8-2,5 см/с.