CN111408838A - 射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统和方法，其激光聚焦射流辅助切割单元包括聚焦装置和射流辅助装置，聚焦装置包括于镜筒内设置的的聚焦透镜和保护镜，镜筒上筒口的上方设有45°角斜置的反射镜；其射流辅助装置包括喷嘴和流体供给机构，流体供给机构通过管路连通镜筒，喷嘴通过锥形接头安装于镜筒的下筒口；其激光器设于反射镜的一侧，激光器发出的激光束经反射镜反射后进入镜筒，激光束经聚焦透镜和保护镜后聚焦于从喷嘴喷出射流中；其工件运行单元包括设于喷嘴下方的工作台，工作台上设有装夹碳纤维复合材料于锯齿架上的夹具，工作台将碳纤维复合材料运行至激光束的切割范围内。
Description
技术领域
本发明涉及激光切割加工技术，具体为一种射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统和方法。
背景技术
为解决碳纤维复合材料在接触式机械加工中容易出现一系列的问题(如刀具极易被磨损、复合材料分层和纤维容易破碎、加工质量不高、材料加工后性能变差等)，授权公告号为CN 206747799U的发明申请，公开了一种《光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的装置》，其技术方案中包括X-Y平台和Z轴，在X-Y平台上设置有通过夹具装夹的碳纤维复合材料层合板，在三轴数控工作台的一侧设置有光纤脉冲激光器，光纤脉冲激光器射出的激光束经过数个反射镜、透镜和透镜聚焦在碳纤维复合材料层合板表面，在三轴数控工作台的另一侧设置有含氧射流供给装置，含氧射流供给装置与含氧射流喷嘴连接，含氧射流喷嘴设置在透镜的下方，含氧射流喷嘴的气流方向与垂直于碳纤维复合材料层合板的激光光束同轴。
激光切割碳纤维复合材料的工作原理是利用碳纤维复合材料层的结构与氧化反应特性，随着碳纤维复合材料的氧化反应层的深入，最终切穿整个激光辐照区，完成碳纤维复合材料的激光切割。
发明内容
本发明的目的是提出了一种完善现有技术的射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统和方法。
本发明射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，其技术方案包括中央平台控制的激光器、激光聚焦射流辅助切割单元和工件运行单元，所不同的是：
1、所述激光聚焦射流辅助切割单元包括聚焦装置和射流辅助装置，所述聚焦装置包括设于镜筒内的聚焦元件，所述聚焦元件包括上、下同轴的聚焦透镜和保护镜，所述镜筒上筒口的上方设有45°角斜置的反射镜；所述射流辅助装置包括喷嘴和流体供给机构，所述流体供给机构通过管路连通镜筒，所述喷嘴通过锥形接头同轴安装于镜筒的下筒口。
2、所述激光器设于反射镜的一侧，激光器发出的水平激光束经反射镜反射后向下垂直进入镜筒，同轴的垂直激光束经聚焦透镜和保护镜后聚焦于从喷嘴喷出的射流中。
3、所述工件运行单元包括设于喷嘴下方的工作台(可三维运动)，所述工作台上设有装夹就位碳纤维复合材料于锯齿架上的夹具，工作台将碳纤维复合材料沿Z轴运行至激光束的切割范围内。
所述流体供给机构的一种结构为储存有压缩空气、或氮气、或氩气、或氧气、或含氧量12％～17％的氮气、或含氧量12％～17％的氩气的气压罐，所述喷嘴选用拉瓦尔喷嘴，所述拉瓦尔喷嘴产生的射流为气流。
进一步，所述拉瓦尔喷嘴的喷口口径设计为1mm～1.5mm，聚焦的激光束的切割范围优选为喷口下方的1.5mm～3mm位置处。
所述流体供给机构的另一种结构为液压罐，所述喷嘴选用高压液柱喷嘴，所述高压液柱喷嘴产生的射流为液流。
所述高压液柱喷嘴的喷口口径设计为1.5mm～3.0mm，聚焦的激光束的切割范围为喷口下方的10mm～30mm位置处。
采用本发明调制激光低损伤加工碳纤维复合材料的系统切割碳纤维复合材料的方法，包括如下步骤：
1、将碳纤维复合材料放置在工作台的锯齿架上并用夹具夹紧。
2、开启中央平台，根据碳纤维复合材料中碳纤维铺层方向，通过中央平台调制激光器的激光束的脉冲波形(控制烧蚀树脂和碳纤维的能量密度，低能量烧蚀树脂而高能量烧蚀碳纤维)，设置激光束功率、运动速度和扫描次数以及流体供给机构的射流压力，保证当激光束扫描方向垂直于当前碳纤维束方向划切时，采用大流速射流，而平行于当前铺层时则采用小流速的射流。
3、启动激光器并调节镜筒的上、下位置，激光器发射出的激光束经反光镜、聚焦透镜和保护镜并通过喷嘴而聚焦到碳纤维复合材料表面。
4、开启流体供给机构，进入镜筒的流体于喷嘴的喷口处产生射流并与聚焦的激光束形成射流光束。
5、中央平台按照设定的加工程序运行工作台而进行碳纤维复合材料的单道逐层切割。
本发明的有益效果：
1、本发明利用拉瓦尔喷嘴或高压液柱喷嘴产生同轴超音速气流或高速液流辅助激光切割碳纤维复合材料，对切割区进行冷却和冲击，针对铺层的碳纤维方向采用不同的气流或液流速度。
2、本发明利用拉瓦尔喷嘴产生的超音速气流或高压液柱喷嘴产生的高速液流冲击激光加工区域，可以提高去除熔渣的能力，同时有效阻止树脂热解产物对碳纤维的保护作用，减少热量沿碳纤维方向的传导和蓬松的碳化层的厚度。
3、本发明采用含氧量12％～17％的混合气体辅助时，其中的氧气可以使树脂和碳纤维在低温下发生氧化反应，氮气或氩气则能起到良好的冷却效果；通过拉瓦尔喷嘴强化冷却、激光时域波形峰值调制和混合气体协同降低碳纤维材料和树脂热特性差异大导致的热损伤，实现低损伤加工。
附图说明
图1为本发明一种实施方式的结构示意图。
图号标识：1、激光器；2、工作台；3、聚焦透镜；4、保护镜；5、镜筒；6、反射镜；7、激光束；8、喷嘴；9、流体供给机构；10、碳纤维复合材料；11、锯齿架；12、夹具；13、中央平台；14、锥形接头。
具体实施方式
下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，包括中央平台13控制的激光器1、激光聚焦射流辅助切割单元和工件运行单元。
所述工件运行单元包括可三轴运动的工作台2，所述工作台2上设有锯齿架11和夹具12，所述夹具12碳纤维复合材料10夹紧固定于工作台2上，如图1所示。
所述激光聚焦射流辅助切割单元设于工作台2上方，包括聚焦装置和射流辅助装置：
所述聚焦装置包括设于镜筒5内的聚焦元件，所述聚焦元件包括上、下同轴设置的聚焦透镜3和保护镜4，所述镜筒5上筒口的上方设有45°角斜置的反射镜6，所述镜筒5的下筒口同轴安装有锥形接头14，如图1所示。
所述射流辅助装置包括喷嘴8和流体供给机构9，所述流体供给机构9通过管路连通镜筒5，所述喷嘴8同轴安装于锥形接头14的下端口，如图1所示。
所述流体供给机构9的一种结构为气压罐，对应的喷嘴8选用拉瓦尔喷嘴(包括自上而下同轴的稳定段、亚音速收缩段、喉部和超音速扩张段)，所述气压罐可储存压缩空气、或氮气、或氩气、或氧气、或含氧量12％～17％的氮气、或含氧量12％～17％的氩气，所述气压罐的压力气体于拉瓦尔喷嘴产生超音速气流，拉瓦尔喷嘴的喷口口径选择为1mm～1.5mm；所述流体供给机构9的另一种结构为液压罐，对应的喷嘴8选用高压液柱喷嘴，所述液压罐的压力液体(水)于高压液柱喷嘴产生高速液流，所述高压液柱喷嘴的喷口口径选择为1.5mm～3.0mm，如图1所示。
所述激光器1设于反射镜6右侧，激光器1发出的水平激光束7(向左)经反射镜6反射后向下垂直进入镜筒5，同轴的垂直激光束7经聚焦透镜3和保护镜4后同轴聚焦于从拉瓦尔喷嘴或高压液柱喷嘴喷出的超音速气流或高速液流中，采用超音速气流辅助切割时，聚焦的激光束7的切割范围为拉瓦尔喷嘴的喷口下方的1.5mm～3mm位置处，采用高速液流辅助切割时，聚焦的激光束7的切割范围为高压液柱喷嘴的喷口下方的10mm～30mm位置处，如图1所示。
本发明射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料方法，其方案步骤为：
1、将碳纤维复合材料10放置在工作台2的锯齿架11上并用夹具12夹紧。
2、开启中央平台13，根据碳纤维复合材料10中碳纤维铺层方向，通过中央平台13调制激光器1的激光束7的脉冲波形，设置激光束7的功率、运动速度和扫描次数以及流体供给机构9的射流压力，保证当激光束7扫描方向垂直于当前碳纤维束方向划切时，采用大速度射流，而平行于当前铺层时则采用小速度的射流。
3、启动激光器1并调节镜筒5的上、下位置，激光器1发射出的激光束7经反光镜6、聚焦透镜3和保护镜4并通过拉瓦尔喷嘴或高压液柱喷嘴而聚焦到碳纤维复合材料10表面。
4、开启流体供给机构9，进入镜筒5的流体于拉瓦尔喷嘴或高压液柱喷嘴的喷口处产生射流并与聚焦的激光束7形成射流光束。
5、中央平台15按照设计的加工程序运行工作台2而进行碳纤维复合材料10的单道逐层切割。
本发明射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料方法选用波长为1064nm的毫秒或纳秒脉冲激光器，利用高的峰值功率密度快速的分层烧蚀碳纤维层，最终完成对碳纤维复合材料的切割，通过控制运动平台移动方向和速度(0～1000mm/s)进而得到不同激光扫描方向和速度；根据碳纤维轴向和径向的传热特性差异，为了控制热影响区范围，可以采取分层多次扫描的方式：当激光束7沿垂直于碳纤维束方向划切时，采用大的液流速度辅助，加快对流，增强散热，减少沿碳纤维轴向传播的热量，同时抑制沿碳纤维轴向传导热量的汽化树脂；而当激光束沿平行于碳纤维束方向划切时(碳纤维径向热传导系数下，同时碳纤维之间的树脂热传导率极低，热影响区相对小)，可以采用小的液流速度，加快去除材料，其余铺层加工方法以此类推。
以本发明的流体供给机构9采用气压罐为例，其与采用普通平行或锥型喷嘴产生的低速气流辅助激光加工相比，经过拉瓦尔喷嘴产生的超音速气流均匀一致，边界整齐，紊流度小，且不存在激波(激波的存在会干扰激光束7的传播，影响加工效果和质量)，采用拉瓦尔喷嘴产生均匀的超音速气流冲击加工区域，能大大加强对流换热，减少热量的累积，此外，超音速气流能阻止树脂热分解产物对碳纤维的保护，促进激光烧蚀碳纤维，提高加工效率。
本发明采用气流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料方法中，利用中央平台15设置激光束7的脉冲波形(波长1064nm，单脉冲能量密度5J/cm2～50J/cm2)，控制烧蚀能量大小，并利用拉瓦尔喷嘴形成超音速气流(马赫数1.2～4)辅助激光加工，调制的脉冲波形控制烧蚀树脂和碳纤维的能量密度，实现低能量烧蚀树脂而高能量烧蚀碳纤维的目的；根据碳纤维复合材料10每层碳纤维方向调整超音速气流大小，以获得不同程度的冷却和冲击效果，阻止树脂热解产物对碳纤维的保护作用，减少热量沿碳纤维方向的传导和蓬松的碳化层的厚度，获得小的热影响区；同时含氧的超音速辅助气流使碳纤维在其汽化温度(约3500℃)之前进行氧化烧蚀(约850℃)，接近树脂的汽化温度(约600℃)。
采用拉瓦尔喷嘴产生均匀的超音速气流冲击加工区域，能大大加强对流换热，减少热量的累积，尤其是在加大马赫数加工与激光扫描方向垂直的碳纤维铺层时；此外，超音速的气流能阻止树脂热分解产物对碳纤维的保护，促进激光烧蚀碳纤维，提高加工效率。
所述拉瓦尔喷嘴的优势在于：
1、能使气流从亚音速到音速，直至加速至超音速。
2、拉瓦尔喷嘴进口截面的滞止压强P0的能量可以全部有效的转化成气流速度能量，所以喷出气体的速度会超过音速且能随着喷入气体压强P0的增加而增加，可以获得更高的气体动力来提高去除熔渣的能力，将大大提高激光切割速度和减少热影响区域。
3、超音速喷嘴的超音速气流边界细长清晰，非常适合精加工激光切割和切割厚材料。
4、拉瓦尔喷嘴能使供气的滞压全部转化成动能，可以有效地把熔化材料及其夹渣物从切缝前沿吹走。
Claims (6)
1.射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，包括中央平台(13)控制的激光器(1)、激光聚焦射流辅助切割单元和工件运行单元，其特征在于：
所述激光聚焦射流辅助切割单元包括聚焦装置和射流辅助装置，所述聚焦装置包括设于镜筒(5)内的聚焦元件，所述聚焦元件包括上、下同轴的聚焦透镜(3)和保护镜(4)，所述镜筒(5)上筒口的上方设有45°角斜置的反射镜(6)；所述射流辅助装置包括喷嘴(8)和流体供给机构(9)，所述流体供给机构(9)通过管路连通镜筒(5)，所述喷嘴(8)通过锥形接头(14)同轴安装于镜筒(5)的下筒口；
所述激光器(1)设于反射镜(6)的一侧，激光器(1)发出的水平激光束(7)经反射镜(6)反射后向下垂直进入镜筒(5)，同轴的垂直激光束(7)经聚焦透镜(3)和保护镜(4)后聚焦于从喷嘴(8)喷出的射流中；
所述工件运行单元包括设于拉瓦尔喷嘴(8)下方可三维运动的工作台(2)，所述工作台(2)上设有装夹就位碳纤维复合材料(10)于锯齿架(11)上的夹具(12)，工作台(2)将碳纤维复合材料(10)运行至激光束(7)的切割范围内。
2.根据权利要求1所述的射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，其特征在于：所述流体供给机构(9)为储存有压缩空气、或氮气、或氩气、或氧气、或含氧量12％～17％的氮气、或含氧量12％～17％的氩气的气压罐，所述喷嘴(8)为拉瓦尔喷嘴，所述拉瓦尔喷嘴产生的射流为气流。
3.根据权利要求2所述的射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，其特征在于：所述拉瓦尔喷嘴的喷口口径为1mm～1.5mm，聚焦的激光束(7)的切割范围为喷口下方的1.5mm～3mm位置处。
4.根据权利要求1中任意一项所述的射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，其特征在于：所述流体供给机构(9)为液压罐，所述喷嘴(8)为高压液柱喷嘴，所述高压液柱喷嘴产生的射流为液流。
5.根据权利要求4中任意一项所述的射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，其特征在于：所述高压液柱喷嘴的喷口口径为1.5mm～3.0mm，聚焦的激光束(7)的切割范围为喷口下方的10mm～30mm位置处。
6.射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料方法，其特征在于采用了如权利要求1所述的射流辅助调制激光低损伤加工碳纤维复合材料系统，其方案步骤为：
①、将碳纤维复合材料(10)放置在工作台(2)的锯齿架(11)上并用夹具(12)夹紧；
②、开启中央平台(15)，根据碳纤维复合材料(10)中碳纤维铺层方向，通过中央平台(15)调制激光器(1)的激光束(7)的脉冲波形，设置激光束(7)功率、运动速度和扫描次数以及流体供给机构(9)的射流压力，保证当激光束(7)扫描方向垂直于当前碳纤维束方向划切时，采用大流速射流，而平行于当前铺层时则采用小流速的射流；
③、启动激光器(1)并调节镜筒(5)的上、下位置，激光器(1)发射出的激光束(7)经反光镜(6)、聚焦透镜(3)和保护镜(4)并通过拉瓦尔喷嘴(8)而聚焦到碳纤维复合材料(10)表面；
④、开启流体供给机构(9)，进入镜筒(5)的流体于拉瓦尔喷嘴(8)的喷口处产生射流并与聚焦的激光束(7)形成射流光束；
⑤、中央平台(15)按照设计的加工程序运行工作台(2)而进行碳纤维复合材料(10)的单道逐层切割。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114749812A (zh) * | 2022-03-29 | 2022-07-15 | 华中科技大学 | 一种碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划方法及系统 |
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2020
- 2020-05-09 CN CN202010387467.1A patent/CN111408838A/zh active Pending
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