CN103071928A - 一种环形脉冲激光加工碳纤维复合材料小孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光打孔技术，具体指一种采用环形脉冲激光在碳纤维复合材料上加工小孔的方法。本发明利用环形脉冲激光照射板料，在环形脉冲激光照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形激光层层切入材料，最终切穿整个照射区碳纤维复合材料完成小孔加工。本发明根据碳纤维复合材料特性,调整环形脉冲激光的脉宽、能量、频率以及光斑大小。有效地避免了加工碳纤维复合材料产生毛刺、撕裂和分层现象，减少了热影响作用，保证了碳纤维复合材料小孔的加工质量。

Description

一种环形脉冲激光加工碳纤维复合材料小孔的方法
技术领域
本发明涉及激光打孔技术，具体指一种采用环形脉冲激光在碳纤维复合材料上加工小孔的方法，用于碳纤维复合板料的小孔加工。
背景技术
碳纤维复合材料是由质软而粘性大的基体材料和强度高、硬度大的纤维增强材料混合而成的特殊材料，具有比重小、刚性好以及强度高等优点，作为一种先进的复合材料已经在飞机结构中得到了越来越广泛的应用。
随着碳纤维复合材料用量的不断扩大，机械加工工作越来越多，然而其力学性能呈现出各向异性，层间强度低等特点，在钻削过程中由于切削力的作用容易产生分层、撕裂、毛刺等缺陷，在钻孔出口处尤为严重。针对上述缺陷，人们想了很多方法，其中提出了振动钻削的方法，即通过在轴向施加一定振幅和频率的振动来减小钻削轴向力，有效地降低了缺陷的产生。
将激光打孔技术应用于小孔加工已经有较长的历史，对于加工孔径在φ1.0mm以上的孔，目前大多采用实心激光沿其边缘切割的方式进行，但是实心激光加工小孔时容易在开始和结束的地方由于停留时间过长或者过短而导致板材过度熔化或者未穿透，而且经常会产生热影响区降低材料的性能。
专利号为02158694.2的专利，名称为：变参数振动钻削微孔的设备，该发明采用压电陶瓷产生轴向振动从而实现振动钻削加工小孔，并将钻削过程分为三个阶段，根据不同阶段的钻削工况采用不同工艺参数优化钻削效果。其优点是振动钻削减小了钻削轴向力，降低分层、撕裂、毛刺缺陷的产生，但是振动钻削碳纤维复合材料时刀具还是容易磨损，磨损的刀刃在旋转中容易将碳纤维拉断拔出，同时刀具的磨损还会使上述提到的缺陷又再次发生。
专利号为200410012697.0的专利，名称为：激光环切打孔方法及其装置，该发明将实心激光转换成环形激光后照射在薄板上使其熔融汽化以达到环切打孔效果。其优点是避免了实心激光加工小孔时容易在开始和结束的地方由于停留时间过长或者过短而导致板材过度熔化或者未穿透的问题，但是由于基层树脂不耐热，在熔化汽化碳纤维层时必定对基层材料造成严重热影响，用该方法在碳纤维复合材料上单纯用环形激光照射的热效应来熔化汽化材料形成小孔必定会影响复合材料的整体性能，严重时甚至会导致碳纤维复合材料的失效。
发明内容
本发明的目的是为了克服碳纤维复合材料钻削加工小孔时容易产生分层、撕裂、毛刺等缺陷，刀具易于严重磨损；实心激光加工小孔时容易在开始和结束的地方由于停留时间过长或者过短而导致板材过度熔化或者未穿透，以及纯粹使用激光热效应熔融汽化材料打孔存在严重的热影响等问题，提供一种环形脉冲激光在碳纤维复合材料上加工小孔的方法。
一种环形脉冲激光加工碳纤维复合材料小孔的方法，利用环形脉冲激光照射板料，在环形脉冲激光照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形激光层层切入材料，最终切穿整个照射区碳纤维复合材料完成小孔加工。本发明工艺方法，可根据碳纤维复合材料特性, 调整环形脉冲激光的脉宽、能量、频率以及光斑大小。
本发明的具体步骤是：将垫板固定在数控工作台，将碳纤维复合材料固定在垫板的上端面，通过移动控制数控工作台控制环形脉冲激光中心、碳纤维复合材料打孔中心和垫板孔中心处于一条轴线上；打开激光器，脉冲激光通过反射镜、光学整形系统、环形光束产生系统、聚焦透镜后作用在复合材料表面上，计算机控制系统根据碳纤维复合材料特性, 调整环形脉冲激光的脉宽、能量、频率等参数；计算机控制系统协调控制光学整形系统、环形光束产生系统、聚焦透镜，在碳纤维复合材料上形成环形光斑；脉冲激光作用在复合材料表面，在环形脉冲激光照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形脉冲激光切入材料，通过层层深入最终切穿整个照射区碳纤维复合材料完成小孔加工；清理。
实施本发明的装置包括计算机控制系统、激光器、反射镜、光学整形系统、环形光束产生系统、聚焦透镜、垫板、数控工作台等。光学整形系统由两块凸透镜和中间一块凹透镜组成，环形光束产生系统由一对正负轴棱锥组成。通过调节光学整形系统中三块透镜之间的相对距离可以调节环形光斑的外径大小，通过调节环形光束产生系统中正负轴棱锥的相对位置可以调节环形光斑的内径大小。计算机控制系统和激光器、光学整形系统、环形光束产生系统、聚焦透镜、数控工作台相连，协调各部分进行环形激光打孔操作。
垫板上孔的大小根据碳纤维复合材料上打孔孔径大小而定，比碳纤维复合材料上打孔孔径略大，用于顶住复合材料下端面，防止环形脉冲激光打孔时力效应导致材料下端面分层、撕裂等缺陷。
本发明的有益效果：(1)综合利用环形脉冲激光照射的热效应和脉冲冲击波的力效应进行小孔加工，有效地避免了加工碳纤维复合材料产生毛刺、撕裂和分层现象；(2)用环形脉冲激光照射材料有效的控制了热效应，减少了纯粹使用激光热效应熔融汽化材料进行打孔时，因碳纤维和基层材料不同的热特性差异产生的问题，同时由于脉冲能量的力效应又对碳纤维复合材料能有足够的剪切力来完成小孔加工； (4)避免了实心（或环形）激光热效应切割小孔在开始和结束的地方由于停留时间过长或者过短而导致板材过度熔化或者未穿透的问题；(5)相对于实心激光打孔，环形激光加工小孔更能充分利用激光能量，加工小孔的孔径范围变大。
附图说明
图1本发明装置示意图。
图2环形激光加工小孔示意图。
图中，1.计算机控制系统 2.激光器 3.反射镜 4.光学整形系统 5.环形光束产生系统6.聚焦透镜 7.环形脉冲激光8.碳纤维复合材料9.垫板 10.数控工作台 11.环形光斑。
具体实施方式
碳纤维复合材料中碳纤维熔化汽化所需要的能量比基体大，激光加工需要的能量主要取决于纤维的体积分数，下面将结合图1，通过不同体积分数的碳纤维复合材料来说明本发明，加工小孔直径10mm。
实施例1：
碳纤维复合材料中碳纤维体积分数50%：将垫板9固定在数控工作台10上，将碳纤维复合材料8固定在垫板9的上端面，通过移动控制数控工作台10控制环形脉冲激光7中心、碳纤维复合材料8打孔中心和垫板9孔中心处于一条轴线上，垫板9上孔的大小为12mm；打开激光器2，脉冲激光通过反射镜3、光学整形系统4、环形光束产生系统5、聚焦透镜6后作用在复合材料表面，计算机控制系统1根据碳纤维复合材料8特性, 调整环形脉冲激光7的脉宽、能量、频率等参数，脉宽20ns，能量5J，频率5Hz，计算机控制系统1协调控制光学整形系统4、环形光束产生系统5、聚焦透镜6，在碳纤维复合材料8上形成环形光斑11，环形光斑11内径为8mm，外径为10mm；脉冲激光作用在复合材料表面，在环形脉冲激光7照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形脉冲激光7切入材料，通过层层深入最终切穿整个照射区碳纤维复合材料8完成小孔加工；清理。
实施例2：
碳纤维复合材料中碳纤维体积分数60%：将垫板9固定在数控工作台10上，将碳纤维复合材料8固定在垫板9的上端面，通过移动控制数控工作台10控制环形脉冲激光7中心、碳纤维复合材料8打孔中心和垫板9孔中心处于一条轴线上，垫板9上孔的大小为12mm；打开激光器2，脉冲激光通过反射镜3、光学整形系统4、环形光束产生系统5、聚焦透镜6后作用在复合材料表面，计算机控制系统1根据碳纤维复合材料8特性, 调整环形脉冲激光7的脉宽、能量、频率等参数，脉宽10ns，能量10J，频率5Hz，计算机控制系统1协调控制光学整形系统4、环形光束产生系统5、聚焦透镜6，在碳纤维复合材料8上形成环形光斑11，环形光斑11内径为8mm，外径为10mm；脉冲激光作用在复合材料表面，在环形脉冲激光7照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形脉冲激光7切入材料，通过层层深入最终切穿整个照射区碳纤维复合材料8完成小孔加工、清理。

Claims (3)

1.一种环形脉冲激光加工碳纤维复合材料小孔的方法，其特征在于，利用环形脉冲激光(7)照射板料，在环形脉冲激光(7)照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形脉冲激光(7)层层切入材料，最终切穿整个照射区碳纤维复合材料(8)完成小孔加工，具体步骤如下：
A）将垫板(9)固定在数控工作台(10)，将碳纤维复合材料(8)固定在垫板(9)的上端面，通过移动控制数控工作台(10)控制环形脉冲激光(7)中心、碳纤维复合材料(8)打孔中心和垫板(9)孔中心处于一条轴线上；
B）打开激光器(2)，脉冲激光通过反射镜(3)、光学整形系统(4)、环形光束产生系统(5)、聚焦透镜(6)后作用在碳纤维复合材料(8)上，计算机控制系统(1)根据碳纤维复合材料(8)特性, 调整环形脉冲激光(7)的脉宽、能量、频率参数；计算机控制系统(1)控制光学整形系统(4)、环形光束产生系统(5)、聚焦透镜(6)，在碳纤维复合材料(8)上形成环形光斑(11)；
C）脉冲激光作用在复合材料表面，在环形脉冲激光(7)照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形脉冲激光(7)切入材料，通过层层深入最终切穿整个照射区碳纤维复合材料(8)完成小孔加工；
D）清理。
2.根据权利要求1所述的一种环形脉冲激光加工碳纤维复合材料小孔的方法，其特征在于，所述步骤B）中，根据碳纤维复合材料(8)特性, 调整环形脉冲激光(7)的脉宽、能量、频率以及光斑大小参数，具体参数为：脉宽10-6ns~50ns，能量0~50J，频率0~50Hz；作用在板料上的环形光斑(11)内径为0.1~50mm，外径为0.1~50mm。
3.根据权利要求1所述的一种环形脉冲激光加工碳纤维复合材料小孔的方法，其特征在于，所述方法适用于其他材料的小孔加工。
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