CN108817699B - 一种利用超快激光切割两相复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，通过寻找复合材料中两种不同材料的孵化效应曲线交点，获取该交点处激光所需的切割速度、波长及切割能量，克服了现有技术中难以找到两相复合材料中能同时满足两种材料的复合材料切割单脉冲激光的两相共同阈值这一问题，同时克服了两相复合材料中增强相或基体相局域脱落、微细结构不连续的问题，方法流程简单，步骤清晰，方法可靠性好。

Description

一种利用超快激光切割两相复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，属于超快激光精密加工领域。

背景技术

以金属基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料为代表的复合材料，是目前最先进、最有竞争力的代表性复合材料种类，它们往往以高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等突出优势被世人所共识，已经成为航天领域应用极为广泛的基本材料之一。切割加工是复材料重要的加工种类之一，接触式加工与非接触式的加工均有所应用。由于复合材料因其固有属性，使得它们的切割加工面临很多突出问题。例如，对于碳纤维增强树脂基复合材料，由于它是由质软而粘性大的树脂基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相结构，材料各向异性、层间强度低，采用接触式切割——例如高速铣削，易产生材料分层、撕裂、纤维破碎等现象，且刀具磨损、因产生残余应力导致回弹而不易控制加工精度等现象均较为严重。又如，对于铝基碳化硅等金属基复合材料，由于材料中弥散着的脆、耐磨的高硬度碳化硅颗粒/晶须(其硬度仅次于PCD金刚石)，使得采用接触式的切削加工时刀具磨损严重、寿命耐用度很低。

激光加工等非接触式加工，由于不会引入接触应力，故可以避免材料的分层、撕裂、刀具磨损严重等问题，已经开始被应用于复合材料(尤其是薄壁结构的复合材料)的切割加工中。尤其是近年来新兴的低热激光——超快激光，由于可以极小化激光加工技术的热影响和热缺陷，已经开始在国内外航空航天等领域的复合材料切割应用方面得到率先应用。然而，由于超快激光加工本质上仍然是一种热加工，对于复合材料，若控制不当，超快激光加工依然会引起突出的加工问题，例如宏观切割时碳纤维增强树脂基复合材料的纤维拔出等问题；微细切割时，颗粒增强金属基复合材料中非金属颗粒脱落的问题、微细结构不连续等问题。同时，不同材料在相同能量参数的激光切割下，会因为孵化效应曲线的区别导致激光切面不平整，对后续工程造成困难。这些问题主要是由于参数使用不当，导致两相复合材料中的两相在蚀除率方面因存在巨大差异而无法协同蚀除造成的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，不同材料在相同能量参数的激光切割下，会因为孵化效应曲线的区别导致激光切面不平整、颗粒增强金属基复合材料中非金属颗粒容易脱落、结构不连续的问题，提出了一种利用超快激光切割两相复合材料的方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，步骤如下：

(1)根据两相复合材料中两种材料各自进行单脉冲序列激光切割时所需的波长求平均值，作为两相复合材料激光切割预设波长；

(2)分别测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，并判断这两种材料的孵化效应曲线于“蚀除阈值通量—激光脉冲数”坐标系中是否存在交点，若存在交点，则进入步骤(3a)，若不存在交点，进入步骤(3b)；

(3a)记录两种材料的孵化效应曲线交点处的蚀除阈值通量、激光脉冲数数值，并据此计算单脉冲序列激光的切割速度，进入步骤(4)；

(3b)于激光波长范围内改变预设波长值，重新测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，直至找到两种材料的孵化效应曲线交点，记录两种材料的孵化效应曲线交点处的蚀除阈值通量、激光脉冲数数值，计算此时单脉冲序列激光的切割速度，进入步骤(4)；

(4)采用上述步骤所得单脉冲序列激光的切割速度、切割能量值、两种材料孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数对两相复合材料进行激光切割。

所述步骤(3b)中，对步骤(1)中预设波长于初始限定波动值范围内进行波长切换，重新测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，若存在交点，则记录交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数数值并计算此时单脉冲序列激光的切割速度，其中，初始限定波动值范围为+100nm～-100nm；

若不存在交点，则在预设波长数值进行限定波动变化后的波长上、下限波长值处增加100nm，直至找到两相各自对应的材料的孵化效应曲线交点，再记录交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数数值并计算此时单脉冲序列激光的切割速度。

所述步骤(3a)、(3b)中，单脉冲序列激光切割两相复合材料速度v的计算公式为：

式中，D为单脉冲序列激光的聚焦激光光斑直径，f为激光脉冲发生频率，F为激光切割能量值，F_th为孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量，N为孵化效应曲线交点处激光脉冲数。

所述激光切割能量值F为孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量F_th的1.1～1.5倍。

所述复合材料为金属基复合材料或碳纤维增强树脂基复合材料。

优选的，所述步骤(3b)中，波长切换范围为290nm～2600nm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，通过测定两相复合材料中两相的蚀除阈值的演化特性，找到两相的公共阈值以极小化两相蚀除率的差异，从而实现近阈值能量下两相材料的协同去除。同时，通过采用近阈值的加工能量切割两相复合材料，这样既能利用近阈值加工的低热优势而达到减小热影响区的目的，又能通过两相协同去除使得切割断面整齐或切割微细结构连续，同时实现了控性及控形的目的，从而综合实现了高质量切割的目的；

(2)本发明提供的激光切割方法，能够同时适应多种碳纤维增强树脂基复合材料、金属基复合材料，方法步骤简单，流程清晰，计算过程简便，对实验环境要求低，易于实现，方法稳定性好。

附图说明

图1为发明提供的激光切割系统示意图；

图2为发明提供的方法步骤流程图；

具体实施方式

利用如图1所示的激光切割系统，具体包括超快激光器1，光学参量放大器2，能量衰减器3、光快门4、聚焦透镜5、移动平台6，对待被加工两相复合材料7；

一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，具体步骤如图2所示，

步骤1：打开激光器，调节激光切割系统内部元器件的位置和姿态，根据两相复合材料中两种材料各自进行单脉冲序列激光切割时所需的波长求平均值，作为两相复合材料激光切割预设波长；

步骤2：保证试验中输出的单脉冲序列激光的光路导通，能依次通过能量衰减器、光控制光快门、透镜直至待加工复合材料；

步骤3：使用步骤(2)中的聚焦激光进行加工，所加工的对象为两相复合材料中两种相即基体相与和增强相对应的材料，它们需要另外准备并打磨平整、抛光。所需测定的是基体相与增强相材料各自的孵化效应曲线，即蚀除阈值通量F_th随脉冲数N组成的坐标系内的演化曲线；分别测定复合材料中两种材料的孵化效应曲线，并判断两种材料的孵化效应曲线于同一“蚀除阈值通量—激光脉冲数”坐标系中是否存在交点，若存在交点，则进入步骤(3a)，若不存在交点，停止试验并进入步骤(3b)；

此时，在上述步骤中，如果两种相的孵化效应曲线有交点，则意味着在选定的激光参数下，复合材料的两相存在公共蚀除阈值，跳转至步骤(3a)；否则，跳转到步骤(3b)；

步骤3a：记录存在交点的两种材料的孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数数值，并结合所欲使用的切割能量值，计算此时单脉冲序列激光的切割速度，其中，单脉冲序列激光切割两相复合材料速度v的计算公式如下：

式中，D为单脉冲序列激光的聚焦激光光斑直径，f为激光脉冲发生频率，F为所欲使用的切割两相复合材料的能量值，它受孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量F_th的限定，N为孵化效应曲线交点处激光脉冲数；

步骤3b：根据此时预设波长进行预设波长上下初始限定波动值范围内的波长切换，初始限定波动值范围为+100nm～-100nm，根据两种材料的孵化效应曲线于坐标系内的移动趋势判断波长改变的方向，若在初始限定波动值范围内修改波长值，两种材料的孵化效应曲线仍无焦点，则将限定波动值范围增加，每次于初始限定波动值范围上、下限值处增加100nm直至在该方向找到两种材料的孵化效应曲线交点，并结合所欲使用的切割能量值，计算此时单脉冲序列激光的切割速度，计算方法与步骤(3a)相同；

步骤4：记录上述步骤所得单脉冲序列激光的切割速度、所欲使用的切割能量值作为切割该复合材料的激光参数。

在进行复合材料加工前，还要进行另外准备并打磨平整、抛光。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

根据上述激光加工系统，进行铝基碳化硅(17％SiCp/2009Al)的激光精细切割试验。首分，针对铝基碳化硅中基体相(即2009Al)和增强相(即SiC)，分别测定它们的蚀除阈值通量F_th随脉冲数辐照次数N的演化规律，并制定表格或函数曲线，其目的是获得基体相与增强相共同的阈值F_th。所施加的激光脉宽约为50fs、激光脉冲重复频率为f＝1kHz。

首先，考虑波长为800nm超快激光。在此波长下，阈值试验发现基体相与增强相可以找到相同的蚀除阈值F_th。因此此时不用再考虑新的波长。具体地，在波长为800nm的情况下，当数辐照次数N≈100时，基体相与增强相共同的阈值F_th≈0.21J/cm²。当采用光斑直径D＝35μm、重复频率f＝1kHz、切割能量F＝1.25F_th＝0.263J/cm²，时，所需的切割铝基碳化硅速度为

尽管在切割铝基碳化硅的过程中，基体相(即铝)和增强相(即碳化硅)在光学、热力学等方面存在巨大的差异——这导致二者的损伤阈值能量随辐照次数的演化规律不同，然而，这不妨碍可以找到两相的公共蚀除阈值，并得到选用近公共阈值能量时所需要满足的切割速度。一旦采用公共阈值附近的能量和所需要的切割速度，基体相(即铝)和增强相(即碳化硅)的蚀除率的差异就能最小化，从而能最大限度避免出现切割断面不整齐、切割微细结构出现断续的加工质量问题，达到较好的“控形”效果。同时，结合众所周知的超快激光在近阈值附近加工具有低热缺陷的特性，所采用的(1.1～1.5)F_th的近阈值能量能够极大地减小热影响区的特性，从而实现较好的“控性”效果。

Claims (5)

1.一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据两相复合材料中两种材料各自进行单脉冲序列激光切割时所需的波长求平均值，作为两相复合材料激光切割预设波长；

(2)分别测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，并判断这两种材料的孵化效应曲线于“蚀除阈值通量—激光脉冲数”坐标系中是否存在交点，若存在交点，则进入步骤(3a)，若不存在交点，进入步骤(3b)；

(3a)记录两种材料的孵化效应曲线交点处的蚀除阈值通量、激光脉冲数数值，并据此计算单脉冲序列激光的切割速度，进入步骤(4)；其中，所述单脉冲序列激光的激光切割能量值F为孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量F_th的1.1～1.5倍；

(3b)于激光波长范围内改变预设波长值，重新测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，直至找到两种材料的孵化效应曲线交点，记录两种材料的孵化效应曲线交点处的蚀除阈值通量、激光脉冲数数值，计算此时单脉冲序列激光的切割速度，进入步骤(4)；其中，所述单脉冲序列激光的激光切割能量值F为孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量F_th的1.1～1.5倍；

(4)采用上述步骤所得单脉冲序列激光的切割速度、切割能量值、两种材料孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数对两相复合材料进行激光切割。

2.根据权利要求1所述的一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(3b)中，对步骤(1)中预设波长于初始限定波动值范围内进行波长切换，重新测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，若存在交点，则记录交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数数值并计算此时单脉冲序列激光的切割速度，其中，初始限定波动值范围为+100nm～-100nm；

若不存在交点，则在预设波长数值进行限定波动变化后的波长上、下限波长值处增加100nm，直至找到两相各自对应的材料的孵化效应曲线交点，再记录交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数数值并计算此时单脉冲序列激光的切割速度。

3.根据权利要求2所述的一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(3a)、(3b)中，单脉冲序列激光切割两相复合材料速度v的计算公式为：

式中，D为单脉冲序列激光的聚焦激光光斑直径，f为激光脉冲发生频率，F为激光切割能量值，F_th为孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量，N为孵化效应曲线交点处激光脉冲数。

4.根据权利要求1所述的一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，其特征在于：所述复合材料为金属基复合材料或碳纤维增强树脂基复合材料。

5.根据权利要求3所述的一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，其特征在于：所述步骤(3b)中，波长切换范围为290nm～2600nm。

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