CN102762333A

CN102762333A - 纤维强化树脂的切割装置

Info

Publication number: CN102762333A
Application number: CN2010800508269A
Authority: CN
Inventors: 藤谷泰之; 川节望; 名山理介; 野冈晓; 马场智义
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2012-10-31
Also published as: CA2779822A1; EP2517818A1; BR112012012122A2; US20120211476A1; WO2011077832A1; JPWO2011077832A1

Abstract

本发明提供一种纤维强化树脂的切割装置，在抑制加工成本增加的同时能够抑制切断面的质量下降。该切割装置设置有：将向作为切割对象的纤维强化树脂（2）照射的激光呈脉冲状射出的激光发射部（10）、将自激光发射部（10）射出的激光向纤维强化树脂（2）射出的切割头（30），激光的脉冲宽度为1fs以上999ps以下，切割头（30）相对于纤维强化树脂（2）的相对移动速度为大约1.5m/min以上。

Description

纤维强化树脂的切割装置

技术领域

本发明涉及适用于切断碳纤维强化树脂等纤维强化树脂的切割装置。

背景技术

通常，在对金属材料、石料等陶瓷、纤维强化树脂（以下记为“FRP”）材等材料进行切割时，使用激光切割或水射流切割等切割方法（例如参照专利文献1）。

例如，在加工航空器或船舶等所使用的碳纤维强化树脂（以下记为“CFRP”）时，通常使用水射流切割、基于机械加工的切割。

专利文献1：日本特许第4038741号公报

如上所述在对CFRP进行机械加工时，由于碳素纤维较硬，因此，刀具等工具的寿命变短，所以存在加工成本增高的问题。并且，由于在加工面上产生碳素纤维的毛刺，因此，也存在需要追加用于除去毛刺的研磨工序等问题。

另一方面，在对上述CFRP进行水射流切割时，由于喷水嘴的寿命短，因此存在加工成本增高的问题。并且，由于需要驱动用于供给切割所使用的高压水的高压泵等，因此，噪音非常大，存在需要考虑对周围环境带来的影响的问题。

虽然也可以采用利用了激光的切割方法（激光切割）对FRP进行加工，但存在加工成本高的问题。即，对于激光切割而言，由于激光所产生的热影响大，因此导致在FRP的切断面形成碳化层、热影响层，不能得到品质好的切断面。于是，需要对切断面进行用于除去碳化层、热影响层等处理，从而存在加工成本变得非常高的问题。

虽然也提出有使用CO₂激光切割芳纶纤维强化树脂（以下记为“KFRP”）、进而利用准分子激光除去在KFRP的切断面上形成的碳化层的方法，但存在不能除去热影响层的问题。并且，存在能够切断的KFRP的板厚的极限低（例如1mm左右）而难以切断板厚厚的KFRP的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而作出的，其目的在于提供一种纤维强化树脂的切割装置，其在抑制加工成本增加的同时能够抑制切断面的质量下降。

为了实现上述目的，本发明提供以下方案。

本发明的纤维强化树脂的切割装置，其特征在于，设置有：将向作为切割对象的纤维强化树脂照射的激光呈脉冲状射出的激光发射部、将自该激光发射部射出的激光向所述纤维强化树脂射出的切割头，所述激光的脉冲宽度为1fs以上999ps以下，所述切割头相对于所述纤维强化树脂的相对移动速度为大约1.5m/min以上。

根据本发明，通过缩短激光的脉冲宽度（设为从fs单位到ps单位的长度），可以减小纤维强化树脂的切断面的热影响。具体而言，通过提高向纤维强化树脂照射的激光的能量密度，在提供给被照射激光的纤维强化树脂的热量向周围传递之前，该纤维强化树脂被除去。因此，不会在纤维强化树脂的切断面形成碳化层，可以减小受到热影响的区域。

并且，通过将切割头相对于纤维强化树脂的相对移动速度、换言之将纤维强化树脂的切断速度设为大约1.5m/min，可以进一步减小纤维强化树脂的切断面的热影响。具体而言，通过加快纤维强化树脂的被照射激光的区域的移动速度，向与纤维强化树脂的切断方向交叉的方向进行热传递的距离变短。由此，可以进一步减小纤维强化树脂的切断面的热影响。

在上述发明中，优选为，还设置有将提高了压力的液体向所述切割头供给的供给部，在所述切割头上设置有喷嘴部，该喷嘴部将自所述供给部供给的所述液体向所述纤维强化树脂喷出并且在内部引导所述激光。

根据本发明，向纤维强化树脂的被照射激光的区域即切断面喷射液体。于是，纤维强化树脂的切断面的附近区域因喷射的液体而被冷却，因此，可以减小纤维强化树脂的切断面的热影响。

由于压力被提高的液体和激光利用喷嘴部同轴地喷出或照射，因此，可以提高纤维强化树脂的切断面的形状精度。即，与压力被提高的液体和激光自不同方向喷出或照射的情况相比，可以进一步提高切断纤维强化树脂的宽度精度、切断面的角度精度。

另一方面，由于将提高了压力的液体喷射到被照射激光的区域，因此，也具有利用高压液体除去纤维强化树脂的作用。因此，与不喷射提高了压力的液体的情况相比，可以提高纤维强化树脂的切断效率。

例如，在纤维强化树脂的板厚较薄的情况下，由于使用激光及压力被提高的液体这两者来切断纤维强化树脂，因此与仅使用提高了压力的液体进行切割的情况（水射流切割的情况）相比，可以使用更低压力的液体。其结果是，可以降低用于提高液体压力的供给部的能力，并且不需要设置用于遮蔽供给部产生的噪音的隔音设备。换言之，可以降低纤维强化树脂的切断所需的成本。

在使用与仅使用压力被提高的液体进行切割的情况（水射流切割的情况）相同的压力液体时，根据由压力被提高的液体和激光得到的切断效果，可以切断与使用压力被提高的液体进行切割和使用激光进行切割的切割方法中的任一种相比板厚更厚的纤维强化树脂。

根据本发明的纤维强化树脂的切割装置，通过将激光的激光平均输出功率设为约400W以上、脉冲宽度设为1fs以上999ps以下、切断速度设为大约1.5m/min以上，从而具有在抑制加工成本增加的同时能够抑制切断面的质量下降的效果。

附图说明

图1是说明本发明第一实施方式的切割装置的简要结构的示意图。

图2是说明CFRP被切断后的状态的示意图。

图3是说明照射到CFRP的激光的激光平均输出功率和CFRP的切断速度之间的关系的图。

图4是说明本发明第二实施方式的切割装置的简要结构的示意图。

图5是说明图4的切割头的结构的示意图。

图6是进行粗加工时的示意图。

图7是进行粗加工时的示意图。

附图标记说明

1、101切割装置

2CFRP（纤维强化树脂）

10激光发射装置（激光发射部）

30、130切割头

140高压水供给装置（供给部）

具体实施方式

〔第一实施方式〕

以下，参照图1~图3说明本发明第一实施方式的切割装置。

图1是说明本实施方式的切割装置的简要结构的示意图。

本实施方式的切割装置1用于切断作为航空器或船舶等的材料而使用的CFRP（纤维强化树脂）2。

如图1所示，切割装置1主要设置有：激光发射装置（激光发射部）10、导光部20、切割头30。

激光发射装置10将向CFRP2照射的激光呈脉冲状地射出。

在本实施方式中，激光发射装置10的激光平均输出功率约为400W以上、自激光发射装置10射出的激光的脉冲宽度为fs单位至ps单位的长度、优选为1fs以上999ps以下的长度、更优选为100fs以上900fs以下的长度。

如图1所示，导光部20以能够传送激光的方式与激光发射装置10连接。

作为激光发射装置10，可以使用公知的激光发射装置，并未特别限定。

导光部20将自激光发射装置10射出的激光向切割头30引导。导光部20的一端部与激光发射装置10连接，另一端部与切割头30连接。

作为导光部20，可以使用对激光进行引导的光纤等公知的传送线路，并未特别限定。

切割头30是向CFRP2射出激光的部件，相对于CFRP2能够相对移动。导光部20以能够传送激光的方式与切割头30连接。

并且，在本实施方式中，构成为切割头30相对于CFRP2能够移动。例如设置有移动机构（未图示），该移动机构使切割头30相对于CFRP2以大约1.5m/min以上的速度移动。

作为切割头30的结构，可以使用使激光射出的公知结构，并未特别限定。

并且，切割头30和CFRP2只要能够相对移动即可，与本实施方式相反，也可以构成为使CFRP2相对于切割头30能够移动，并未特别限定。

接着，对利用由上述结构构成的切割装置1切断CFRP2的处理进行说明。在此，应用于对厚度约为5mm的CFRP2进行切断的情况进行说明。

在使用切割装置1切断CFRP2时，自激光发射装置10射出激光平均输出功率约为400W以上且脉冲宽度为fs单位至ps单位的脉冲状激光。

脉冲状激光入射到导光部20，利用导光部20向切割头30引导。引导到切割头30的脉冲状激光自切割头30照射到CFRP2的切断区域。与此同时，切割头30相对于CFRP2以大约1.5m/min的速度沿切断方向移动。

图2是说明CFRP被切断后的状态的示意图。

CFRP2的被照射脉冲状激光的区域利用激光被除去。另一方面，对于传递到CFRP2的与被照射激光的区域邻接的部分的热量而言，由于激光的脉冲宽度短，至少未形成碳化层，如图2所示，受到热影响的热影响层3的厚度被抑制在约0.1mm以下。

图3是说明向CFRP照射的激光的激光平均输出功率和CFRP的切断速度之间的关系的图。

如上所述，为了在厚度约为5mm的CFRP2的切断面上不形成碳化层并将热影响层3的厚度抑制在约0.1mm以下，如图3所示，需要使照射的激光的激光平均输出功率为大约400W以上且切断速度为大约1.5m/min以上。

例如，若切断速度比大约1.5m/min低，则CFRP2中的被照射激光的区域移动的速度变慢。于是，向与CFRP2的切断方向交叉的方向进行热传递的距离变长、热影响层3的厚度变厚。进而有可能形成碳化层。

另一方面，若激光的激光平均输出功率不到约400W，则激光除去CFRP2的能力降低，有可能不能切断CFRP2。

根据上述构成，通过缩短激光的脉冲宽度（设为从fs单位至ps单位的长度），可以减小CFRP2的切断面的热影响。具体而言，通过提高向CFRP2照射的激光的能量密度，在提供给被照射激光的CFRP2的热量向周围传递之前，该CFRP2被除去。因此，在CFRP2的切断面未形成碳化层，可以减小受到热影响的区域即热影响层3。

换言之，由于不需要进行切断面的碳化层的除去处理，因此，可以抑制加工成本增加，并且由于可以减小热影响层3，因此可以抑制切断面的质量下降。

并且，通过将切割头30相对于CFRP2的相对移动速度、换言之将CFRP2的切断速度设为大约1.5m/min以上，可以进一步减小CFRP2的切断面的热影响层3。具体而言，通过加快CFRP2的被照射激光的区域的移动速度，向与CFRP2的切断方向交叉的方向进行热传递的距离变短。由此，CFRP2的切断面的热影响层3进一步减小，在抑制加工成本增加的同时可以抑制切断面的质量下降。

在本实施方式中，在利用激光照射装置进行切断/开孔加工的范围宽广时，也可以具有对可以受到热影响的部分进行粗加工的工序。图6及图7表示进行粗加工时的示意图。在该图中表示使用本实施方式的切断/开孔加工方法加工的精密加工区域14和粗加工的粗加工区域15。图6是实施开孔加工的情况、图7是实施切断加工的情况。

粗加工在通过单次照射就能够对CFRP2进行切断/开孔加工的粗加工用激光16的加工速度及输出功率的条件（现有方法的输出功率水平及加工速度）下实施。可以受到热影响的部分指的是，CFRP2的处于自最终加工面离开的位置、使得由粗加工产生的热影响部不会到达最终加工面的部分。通过采用上述加工方式，容易自加工部除去被切断的CFRP2。另外，可以减小需要考虑热影响的切断区域，从而可以缩短加工时间。

〔第二实施方式〕

接着，参照图4及图5说明本发明的第二实施方式。

本实施方式的切割装置的基本结构与第一实施方式相同，但与第一实施方式的不同之处在于：并非仅使用激光，也使用被升压的水进行切割。因此，在本实施方式中，使用图4及图5仅对与使用了激光及被升压的水的切断相关的结构进行说明，省略其他构成要素等的说明。

图4是说明本实施方式的切割装置的简要结构的示意图。图5是说明图4的切割头的结构的示意图。

对于与第一实施方式相同的构成要素，标注相同附图标记并省略其说明。

如图4所示，切割装置101主要设置有：激光发射装置10、导光部20、高压水供给装置（供给部）140、水供给流路150、切割头130。

高压水供给装置140用于向切割头130供给已升压的水（液体）。水供给流路150以能够流过被升压的高压水的方式与高压水供给装置140连接。

在本实施方式中，将高压水供给装置140应用于供给升压至数MPa至数百MPa的压力范围的水的情况进行说明。

作为高压水供给装置140，可以使用使水升压的泵等公知装置，并未特别限定。

水供给流路150用于将利用高压水供给装置140被升压的水向切割头130引导。水供给流路150的一端部以能够流过高压水的方式与高压水供给装置140连接，另一端部以能够流过高压水的方式与切割头130的喷嘴部132连接。

作为水供给流路150，可以使用耐压软管等公知部件，并未特别限定。

切割头130用于向CFRP2射出激光并且喷出高压水。并且，切割头130与第一实施方式中的切割头30同样地构成为相对于CFRP2能够相对移动。

如图5所示，切割头130主要设置有透镜收纳部131和喷嘴部132。

透镜收纳部131是与喷嘴部132一起构成切割头130的部件。

透镜收纳部131是形成为一端部被堵塞的大致圆筒状的部件，在开口侧的端部连接有喷嘴部132，以使激光入射到该喷嘴部132。另一方面，在透镜收纳部131的被堵塞的端部连接有导光部20，以使激光入射到透镜收纳部131的内部。

在透镜收纳部131的内部设置有使自导光部20入射的激光向喷嘴部132的喷嘴孔134聚光的透镜系统133。

本实施方式中，以由将自导光部20射出的激光变换成平行光的第一透镜133A和使变换成平行光的激光向喷嘴孔134聚光的第二透镜133B构成透镜系统133的情况为例进行说明。

喷嘴部132将自透镜收纳部131入射的激光照射到CFRP2并且使高压水向CFRP2喷出。

在喷嘴部132主要设置有：喷嘴孔134、流入部135、导光窗136。

喷嘴孔134用于将激光及高压水朝向CFRP2进行引导。喷嘴孔134是形成在喷嘴部132内部的通孔，一端部在喷嘴部132的端部开口、另一端部在流入部135开口。

在喷嘴部132的内周面实施了镀金加工。

流入部135是自水供给流路150供给的高压水流入的空间，并且是将高压水向喷嘴孔134引导的空间。而且，流入部135也是自透镜收纳部131入射的激光向喷嘴孔134入射时通过的光路。

在流入部135以能够流过高压水的方式连接有水供给流路150及喷嘴孔134，并且，导光窗136与该流入部135邻接而配置。具体而言，沿着激光的光轴且朝向激光照射的方向，依次配置有导光窗136、流入部135及喷嘴孔134。水供给流路150自与激光的光轴交叉的方向被连接。

导光窗136供激光自透镜收纳部131入射，并且该导光窗136形成流入部135的空间。

导光窗136是由具有能够承受高压水的压力的强度且透过激光的材料形成的板状部件。并且，导光窗136的一侧的面构成喷嘴部132的与透镜收纳部131邻接的面的一部分，另一侧的面构成流入部135的内表面的一部分。

接着，说明利用由上述结构构成的切割装置101对CFRP2进行切断的处理。

在使用切割装置101切断CFRP2的情况下，如图4所示，自激光发射装置10与第一实施方式的情况同样地射出脉冲状激光。

如图5所示，脉冲状激光经由导光部20入射到切割头130的透镜收纳部131。激光自导光部20的端部扩散的同时射出，向第一透镜133A入射。利用第一透镜133A，激光变换成平行光后射出，向第二透镜133B入射。利用第二透镜133B，激光朝向喷嘴孔134聚光。

自第二透镜133B射出的激光通过导光窗136及流入部135向喷嘴孔134入射。入射到喷嘴孔134的激光在镀金的喷嘴孔134的内周面进行反射的同时朝向CFRP2被引导。在喷嘴孔134的内部被引导的激光自喷嘴孔134的CFRP2侧的端部朝向CFRP2照射。

另一方面，如图4及图5所示，利用高压水供给装置140将水升压到自数MPa至数百MPa的压力范围，被升压的高压水经由水供给流路150向切割头130的喷嘴部132供给。

高压水流入喷嘴部132的流入部135并自流入部135流入喷嘴孔134。流入到喷嘴孔134的高压水利用喷嘴孔134朝向CFRP2被引导并向CFRP2喷出。

在自流入部135至喷嘴部132之间，激光和高压水经由同一路径、换言之同轴地朝向CFRP2被引导。

自喷嘴孔134喷出的高压水流入形成于CFRP2的切断孔4。此时，由于使喷嘴部132靠近CFRP2而配置，因此，可以抑制喷出的高压水飞溅。一旦高压水的飞溅被抑制，则可以防止照射到CFRP2的激光散射，从而能够将激光可靠地向切断孔4的内表面照射。

根据上述结构，向CFRP2的被照射激光的区域即切断孔4喷射高压水。于是，CFRP2的切断孔4的附近区域因喷射的高压水而被冷却，因此，可以减小CFRP2的切断面的热影响。

由于高压水和激光利用喷嘴部132同轴地喷出或照射，因此，可以提高CFRP2的切断面的形状精度。即，与高压水和激光自不同的方向喷出或照射的情况相比，可以进一步提高切断CFRP2的宽度精度、切断面的角度精度。

另一方面，由于将高压水向被照射激光的区域喷射，因此，也具有利用高压水除去CFRP2的作用。因此，与不喷射高压水的情况相比，可以提高CFRP2的切断效率。

例如，在CFRP2的板厚较薄时，由于使用激光及高压水这两者来切断CFRP2，因此，与仅使用高压水进行切割的情况（水射流切割的情况）相比，可以使用压力更低的水。其结果是，可以降低用于提高水的压力的高压水供给装置140的能力，并且，不需要设置用于遮蔽高压水供给装置140所产生的噪音的隔音设备。换言之，可以降低切断CFRP2所需要的成本。

在使用与仅利用高压水进行切割的情况（水射流切割的情况）同样的压力的水时，根据由高压水和激光得到的切断效果，可以切断与使用高压水进行切割和使用激光进行切割的切割方法中的任一种相比板厚更厚的CFRP2。

本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能够进行各种变更。

例如，在上述实施方式中，将本发明应用于对CFRP2进行切割的切割装置1进行了说明，但并不限于对CFRP2进行切割的切割装置1，也可以应用于对KFRP等其他各种FRP进行切割的装置，并未特别限定。

Claims

1.一种纤维强化树脂的切割装置，其特征在于，设置有：

将向作为切割对象的纤维强化树脂照射的激光呈脉冲状射出的激光发射部、

将自该激光发射部射出的激光向所述纤维强化树脂射出的切割头，

所述激光的脉冲宽度为1fs以上999ps以下，

所述切割头相对于所述纤维强化树脂的相对移动速度为大约1.5m/min以上。

2.如权利要求1所述的纤维强化树脂的切割装置，其特征在于，

还设置有将提高了压力的液体向所述切割头供给的供给部，

在所述切割头上设置有喷嘴部，该喷嘴部将自所述供给部供给的所述液体向所述纤维强化树脂喷出并且在内部引导所述激光。