CN108817673A - 一种激光空泡表面预处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光空泡表面预处理装置及方法，待处理材料为纤维材料，所述待处理材料表面上存在杂质，还包括脉冲激光聚焦装置、容器和控制系统；所述容器内盛有液体介质，所述待处理材料浸泡在所述液体介质内，所述脉冲激光聚焦装置用于产生的脉冲激光，并将脉冲激光会聚在所述待处理材料的杂质上；所述控制系统用于控制所述脉冲激光聚焦装置。所述脉冲激光聚焦装置包括脉冲激光器、扫描振镜和聚焦透镜，所述扫描振镜、聚焦透镜位于所述脉冲激光器的光路上。本发明可以利用激光在液体介质中激发空泡，对碳纤维材料表面进行预处理，防止激光过度烧蚀碳纤维材料，形成表面微纳精细结构，提升表面粘结强度。

Description

一种激光空泡表面预处理装置及方法

技术领域

本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种激光空泡表面预处理装置及方法。

背景技术

碳纤维复合材料广泛应用于飞机制造、风力发电叶片等领域。碳纤维复合材料主要通过粘结剂粘合的胶接方式加固成型，而胶接表面的性能直接影响着材料结合强度。胶接前表面预处理，包括对油污等杂质直接清洗和板材材料的表面改性处理，预处理后可以增加粘结表面的粗糙度，提高碳纤维复合材料表面结合强度。

现有碳纤维复合材料表面预处理技术主要以化学处理法和手工打磨法为主。化学处理法将碳纤维置于HNO₃溶液中氧化处理，调整氧化时间及溶液浓度，可以去除杂质，但是化学处理法对碳纤维复合材料表面的刻蚀效果不明显，处理表面粗化程度不够，对碳纤维复合材料的制备没有优化效果，且对环境污染大。手工打磨法，采用砂纸等粗糙性材料对碳纤维材料表面进行打磨，通过磨去杂质露出基体，实现表面处理。手工打磨法操作简单，但处理效率低，杂质清除不均匀，导致表面性能差。近年，激光处理法开始应用于碳纤维表面处理，采用激光光束辐照材料表面，可以去除碳纤维材料表面的杂质，同时进行改性处理，碳纤维复合材料表面的剪切和粘接强度显著提高。激光处理法是一种无污染、高效、非接触精密处理技术，但由于激光热力扩散效应，在处理表面的同时，很容易烧蚀碳纤维材料，导致碳纤维材料产生裂纹或者断裂。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光空泡表面预处理装置及方法，利用激光在水等液体介质中激发空泡，对碳纤维材料表面进行预处理。这种激光空泡表面预处理的方法，保留了激光处理高效、高质量、非接触的特点，同时防止激光过度烧蚀碳纤维材料，形成表面微纳精细结构，提升表面粘结强度。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光空泡表面预处理装置，待处理材料为纤维材料，所述待处理材料表面上存在杂质，还包括脉冲激光聚焦装置、容器和控制系统；所述容器内盛有液体介质，所述待处理材料浸泡在所述液体介质内，所述脉冲激光聚焦装置用于产生的脉冲激光，并将脉冲激光会聚在所述待处理材料的杂质上；所述控制系统用于控制所述脉冲激光聚焦装置。

进一步，还包括移动平台，所述移动平台上放置所述容器，所述控制系统用于控制移动平台移动。

进一步，所述脉冲激光聚焦装置包括脉冲激光器、扫描振镜和聚焦透镜，所述扫描振镜、聚焦透镜位于所述脉冲激光器的光路上，所述控制系统用于控制和调节所述脉冲激光器的光束输出。

进一步，所述待处理材料为碳纤维复合材料。

进一步，所述液体介质为透明液体。

一种激光空泡表面预处理方法，包括如下步骤：

准备阶段：将所述待处理材料浸泡在所述液体介质内，使所述待处理材料上表面距离水面高度为h；

调节焦距：所述控制系统调节所述移动平台，使所述待处理材料上表面与聚焦透镜焦平面距离为h₀；

调节激光参数：根据h和h₀，选取所述待处理材料的激光处理能量J；

激光空泡表面预处理：脉冲激光器发射的脉冲激光入射到液体介质中，在聚焦点，激光能量密度超过液体介质的击穿阈值，在击穿区域形成发光的等离子体腔体，由于等离子体具有很强的光吸收能力，使其继续吸收激光能量，导致腔体内部压强大于液体介质中的压强，使得腔体迅速膨胀，形成空泡；所述空泡的脉动向液体中辐射冲击波，与剩余激光能量作用在所述待处理材料表面，用于去除表面杂质；空泡本身能量最后对所述待处理材料进行预处理，形成表面微细结构。

进一步，所述激光处理能量J满足如下要求：J₀+J₁+J₂≤J≤J₀+J₂+J₃；其中，J₀＝J_w(1+αh)，α为入射激光在水中的吸收系数，J_w为激光击穿液体介质所需能量，J₀为形成空泡所需最低能量；J₁为处理材料表面杂质所需最低能量；J₂为激光传输过程中的其它损耗；J₃为材料烧蚀阈值。

进一步，所述待处理材料上表面距离水面高度h的范围为：5mm≤h≤10mm。

进一步，所述待处理材料上表面与聚焦透镜焦平面距离为h₀的范围为：1mm≤h₀≤2mm。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的激光空泡表面预处理装置及方法，利用激光在液体介质中激发空泡，对碳纤维材料表面进行预处理。

2.本发明所述的激光空泡表面预处理装置及方法，保留了激光处理高效、高质量、非接触的特点，同时防止激光过度烧蚀碳纤维材料，形成表面微纳精细结构，提升表面粘结强度。

3.本发明所述的激光空泡表面预处理装置及方法，实现低损伤率，这是由于脉冲激光击穿液体介质产生等离子腔体，继而形成空泡，高能等离子及空泡脉动形成的冲击波作用于材料表面，高效、高质量处理杂质和表层树脂，同时又能避免内层碳纤维的断裂。

4.本发明所述的激光空泡表面预处理装置及方法，实现高质量，这是由于运用激光空泡处理之后的碳纤维复合材料表面，没有杂质残渣的存在，同时形成精细微纳结构，表面质量高，易于胶接并提升胶接强度。

5.本发明所述的激光空泡表面预处理装置及方法，实现无污染，这是由于激光空泡处理材料表面树脂产生的刺鼻性气体直接融入水中，对空气不产生污染，加工后的废水可作为普通污水处理，对环境无害。

附图说明

图1为本发明所述的激光空泡表面预处理装置结构示意图。

图2为用本发明所述的激光空泡表面预处理方法处理的实施例1的表面预处理SEM图。

图3为用本发明所述的激光空泡表面预处理方法处理的实施例2的表面预处理SEM图。

图4为用本发明所述的激光空泡表面预处理方法处理的实施例3的表面预处理SEM图。

图5为用本发明所述的激光空泡表面预处理方法处理的实施例4的表面预处理SEM图。

图中：

1-控制系统；2-脉冲激光器；3-扫描振镜；4-聚焦透镜；5-容器；6-待处理材料；7-移动平台；8-杂质；9-液体介质；10-空泡。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的激光空泡表面预处理装置，待处理材料6为纤维材料，所述待处理材料6表面上存在杂质8，还包括脉冲激光聚焦装置、容器5和控制系统1；所述容器5内盛有液体介质9，所述待处理材料6浸泡在所述液体介质9内；所述脉冲激光聚焦装置包括脉冲激光器2、扫描振镜3和聚焦透镜4，所述扫描振镜3、聚焦透镜4位于所述脉冲激光器2的光路上，所述控制系统1用于控制和调节所述脉冲激光器2的光束输出。所述脉冲激光聚焦装置用于产生的脉冲激光，并将脉冲激光会聚在所述待处理材料6的杂质8上；所述控制系统1用于控制所述脉冲激光聚焦装置。

为了方便脉冲激光对焦，还包括移动平台7，所述移动平台7上放置所述容器5，所述控制系统1用于控制移动平台7移动。所述待处理材料6为碳纤维复合材料或者其他复合纤维。所述液体介质9为透明液体，优选为水。

本发明所述的激光空泡表面预处理方法，包括如下步骤：

准备阶段：将所述待处理材料6浸泡在所述液体介质9内，使所述待处理材料6上表面距离水面高度为h；

调节焦距：所述控制系统1调节所述移动平台7，使所述待处理材料6上表面与聚焦透镜4焦平面距离为h₀；

调节激光参数：根据h和h₀，选取所述待处理材料6的激光处理能量J；

调节激光光束方向：调节激光光束方向平行于待处理材料表面的法线方向；

激光空泡表面预处理：脉冲激光器2发射的脉冲激光入射到液体介质9中，在聚焦点，激光能量密度超过液体介质9的击穿阈值，在击穿区域形成发光的等离子体腔体，由于等离子体具有很强的光吸收能力，使其继续吸收激光能量，导致腔体内部压强大于液体介质9中的压强，使得腔体迅速膨胀，形成空泡10；所述空泡10的脉动向液体中辐射冲击波，与剩余激光能量作用在所述待处理材料6表面，用于去除表面杂质；空泡10本身能量最后对所述待处理材料6进行预处理，形成表面微细结构。

所述激光处理能量J满足如下要求：J₀+J₁+J₂≤J≤J₀+J₂+J₃；其中，J₀＝J_w(1+αh)，α为入射激光在水中的吸收系数，J_w为激光击穿液体介质9所需能量，J₀为形成空泡10所需最低能量；J₁为处理材料表面杂质所需最低能量；J₂为激光传输过程中的其它损耗；J₃为材料烧蚀阈值。所述待处理材料6上表面距离水面高度h的范围为：5mm≤h≤10mm。所述待处理材料6上表面与聚焦透镜4焦平面距离为h₀的范围为：1mm≤h₀≤2mm。

实施例1

选择待处理材料6为T300/环氧树脂复合材料，表面为待处理的杂质和环氧树脂，将待处理材料6置于容器5后加液体介质9为水，使得材料上表面距离水面高度距离h＝5mm；将容器5置于移动平台7上，通过控制系统1控制移动平台7移动，使得材料上表面杂质8与聚焦透镜4焦平面距离h₀＝1mm；通过扫描振镜3调节激光光束方向，使其平行于待处理材料6上表面的法线方向。

设置激光能量，J₀+J₁+J₂≤J≤J₀+J₂+J₃。其中，J₀＝J_w(1+αh),α＝14.6171m^-1，J_w＝0.4mJ，J₀＝0.6mJ；J₁＝15mJ；J₂＝5mJ；J₃＝60mJ。即21mJ≤J≤66mJ。设置激光能量J＝25mJ，达到处理能量要求。

如图2所示为J＝25mJ，h＝5mm，h₀＝1mm时碳纤维复合材料激光空泡表面预处理SEM图，从图中发现表面去除效果好，碳纤维基体完整，无断裂，在保证去除高效，高质量，不破坏碳纤维复合材料基体的前提下，形成凹凸不平的表面，增大了材料表面的粗糙度，改性效果好，便于后期提升胶接强度。

实施例2

选择待处理材料6为T300/环氧树脂复合材料，表面为待处理的杂质和环氧树脂，将待处理材料6置于容器5后加入液体介质9为10％甘油水溶液，使得材料上表面距离液面高度距离h＝5mm；通过控制系统1控制移动平台7移动，使材料上表面杂质8与聚焦透镜4焦平面距离增加为h₀＝2mm；通过扫描振镜3调节激光光束方向，使其平行于待处理材料6上表面的法线方向。激光能量增加为J＝50mJ。

如图3所示为J＝50mJ,h＝5mm,h₀＝2mm时碳纤维复合材料激光空泡表面预处理SEM图，从图中发现表面去除效果好，碳纤维基体完整，无断裂，表面有微小起伏，改性效果良好。

实施例3

所有准备工作与实施例1相同，材料上表面距离水面高度距离增加为h＝10mm；材料上表面杂质8与聚焦透镜4焦平面距离h₀＝2mm；激光能量J＝50mJ。

如图4所示为J＝50mJ,h＝10mm,h₀＝2mm时碳纤维复合材料激光空泡表面预处理SEM图，从图中发现表面去除效果较好，碳纤维基体完整，无断裂。与实施例1比较，能量损耗增加，去除区域扩大，表面几乎无起伏，改性效果差。

实施例4

所有准备工作与实施例1相同，材料上表面距离水面高度距离h＝10mm；材料上表面杂质8与聚焦透镜4焦平面距离h₀＝2mm；激光能量J＝75mJ，超过阈值。

如图5所示为J＝75mJ,h＝10mm,h₀＝2mm时碳纤维复合材料激光空泡表面预处理SEM图，从图中发现表面去除效果较好，但碳纤维断裂严重，且表面无起伏，改性效果差。

因此，所述的激光空泡表面预处理方法，满足该条件：J₀+J₁+J₂≤J≤J₀+J₂+J₃，5mm≤h≤10mm，1mm≤h₀≤2mm，可以实现表面去除效果好，碳纤维基体完整，无断裂。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光空泡表面预处理装置，待处理材料(6)为纤维材料，所述待处理材料(6)表面上存在杂质(8)，其特征在于，还包括脉冲激光聚焦装置、容器(5)和控制系统(1)；所述容器(5)内盛有液体介质(9)，所述待处理材料(6)浸泡在所述液体介质(9)内，所述脉冲激光聚焦装置用于产生的脉冲激光，并将脉冲激光会聚在所述待处理材料(6)的杂质(8)上；所述控制系统(1)用于控制所述脉冲激光聚焦装置。

2.根据权利要求1所述的激光空泡表面预处理装置，其特征在于，还包括移动平台(7)，所述移动平台(7)上放置所述容器(5)，所述控制系统(1)用于控制移动平台(7)移动。

3.根据权利要求1所述的激光空泡表面预处理装置，其特征在于，所述脉冲激光聚焦装置包括脉冲激光器(2)、扫描振镜(3)和聚焦透镜(4)，所述扫描振镜(3)、聚焦透镜(4)位于所述脉冲激光器(2)的光路上，所述控制系统(1)用于控制和调节所述脉冲激光器(2)的光束输出。

4.根据权利要求1所述的激光空泡表面预处理装置，其特征在于，所述待处理材料(6)为碳纤维复合材料。

5.根据权利要求1所述的激光空泡表面预处理装置，其特征在于，所述液体介质(9)为透明液体。

6.一种激光空泡表面预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

准备阶段：将所述待处理材料(6)浸泡在所述液体介质(9)内，使所述待处理材料(6)上表面距离水面高度为h；

调节焦距：所述控制系统(1)调节所述移动平台(7)，使所述待处理材料(6)上表面与聚焦透镜(4)焦平面距离为h₀；

调节激光参数：根据h和h₀，选取所述待处理材料(6)的激光处理能量J；

激光空泡表面预处理：脉冲激光器(2)发射的脉冲激光入射到液体介质(9)中，在聚焦点，激光能量密度超过液体介质(9)的击穿阈值，在击穿区域形成发光的等离子体腔体，由于等离子体具有很强的光吸收能力，使其继续吸收激光能量，导致腔体内部压强大于液体介质(9)中的压强，使得腔体迅速膨胀，形成空泡(10)；所述空泡(10)的脉动向液体中辐射冲击波，与剩余激光能量作用在所述待处理材料(6)表面，用于去除表面杂质；最后空泡(10)能量对所述待处理材料(6)进行预处理，形成表面微细结构。

7.根据权利要求6所述的激光空泡表面预处理方法，其特征在于，所述激光处理能量J满足如下要求：J₀+J₁+J₂≤J≤J₀+J₂+J₃；其中，J₀＝J_w(1+αh)，α为入射激光在水中的吸收系数，J_w为激光击穿液体介质(9)所需能量，J₀为形成空泡(10)所需最低能量；J₁为处理材料表面杂质所需最低能量；J₂为激光传输过程中的其它损耗；J₃为材料烧蚀阈值。

8.根据权利要求6所述的激光空泡表面预处理方法，其特征在于，所述待处理材料(6)上表面距离水面高度h的范围为：5mm≤h≤10mm。

9.根据权利要求6所述的激光空泡表面预处理方法，其特征在于，所述待处理材料(6)上表面与聚焦透镜(4)焦平面距离为h₀的范围为：1mm≤h₀≤2mm。