Порівняльний аналіз впливу різних джерел лазерного випромінювання на результати обробки карбону

Abstract

Мета. Метою роботи є визначення закономірностей впливу геометричних (кут падіння, діаметр плями пучка) та енергетичних (потужність, тривалість впливу) параметрів лазерного випромінювання на інтенсивність і характер пробиття вуглепластикових зразків. Методика. У статті наведено результати комплексного експериментального дослідження процесу руйнування карбонових пластин товщиною 2,0 мм під дією випромінювання волоконного лазера та здійснено детальне порівняння з ефективністю застосування твердотільного Nd:YAG-лазера. У межах експериментальної програми було досліджено діапазон потужності лазерного випромінювання від 1,0 до 3,0 кВт, тривалість опромінення 0,5–3,0 с та діаметр лазерної плями 5,0–20,0 мм при кутах падіння випромінювання 90°, 60°, 45°, 30°. Результати. Отримані результати свідчать, що волоконний лазер демонструє значно вищу ефективність, оскільки забезпечує пробиття матеріалу при значно нижчих показниках енергетичних характеристик. Зокрема, при нормальному падінні лазерного випромінювання різниця у значеннях енергетичних параметрів становить 4–8 разів на користь волоконного лазера, при куті 30° від 2 до 9,1 разів, при 45° у 3–6 разів, а при 60° у 2–6 разів. Показано, що найменший розкид густини потужності досягається під прямим кутом, що пояснюється мінімальною площею матеріалу, яка потребує обробки. Водночас найменший розкид величин енергетичної експозиції лазерного випромінювання отримано при куті падіння 45°, що зумовлено стабільним співвідношенням між приростом об’єму оброблюваного матеріалу та необхідними енергетичними витратами. Найбільша різниця між джерелами спостерігається при обробці під кутом 30°, де відмінності сягають 9,1 рази, що пояснюється зростанням площі взаємодії та особливостями розподілу енергії у профілі пучка лазерного випромінювання. Наукова новизна. Наукова новизна роботи полягає у вперше здійсненому системному аналізі впливу кута падіння, потужності та часових параметрів випромінювання на ефективність руйнування вуглепластиків із застосуванням різних типів лазерів. Встановлені кількісні співвідношення дають можливість пояснити механізми переваги застосування випромінювання волоконного лазера над твердотільним і визначити критичні режими обробки, що дозволяють досягати максимальної результативності при мінімальних енергетичних витратах. Практична значимість. Практична значимість. отриманих результатів полягає у можливості їх застосування як у виробничих технологіях обробки композитних матеріалів (різання, свердління, мікрообробка), так і в оборонній сфері, зокрема при створенні систем протидії безпілотним літальним апаратам. В умовах сучасних конфліктів, де більшість дронів виготовлені з вуглепластикових конструкцій, розробка оптимальних режимів лазерного впливу дозволяє підвищити ефективність їх нейтралізації. Таким чином, результати дослідження можуть стати науковою основою для розробки нових технологій у сфері безпеки, а також слугувати орієнтиром для промислових і військових застосувань, де потрібне швидке й контрольоване руйнування конструкцій із карбону.