CN111618443A - 碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统及方法，能够切实满足航空航天构件碳纤维增强树脂基复合材料的高质高精高效加工需求。本发明所提供的绿光超快激光加工系统，包括：绿光激光器、扩束镜、第一空间光调制器、第一反射镜、第一透镜、第一分束镜、第一监测部、第二空间光调制器、第二反射镜、双透镜组、第二分束镜、第二监测部、第二透镜以及控制部。本发明所提供的绿光超快激光加工方法，其特征在于：采用前述绿光超快激光加工系统将绿光高斯激光调整成间隔一定距离的20个以上平顶环形光束，对碳纤维树脂基复合材料进行加工。

Description

碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统及方法

技术领域

本发明属于复合材料激光精密加工领域，具体涉及一种兼备高的加工质量、加工精度与加工效率的碳纳米管增强铜基复合材料高速铁路电网用接触线的制备方法。

技术背景

碳纤维增强树脂基复合材料性能优异，比强度和模量高，热膨胀系数小，导热、导电性能良好；抗蠕变性能、耐疲劳性能、耐化学腐蚀性能、耐磨性能优良，且具有自润滑性。使其在航空航天等领域得到了广泛的应用。例如，一些卫星构件就采用了T700、T800和M40J等碳纤维增强的环氧基和氰酸酯基复合材料。为满足后续精密配合、连接和装配需求，航空航天领域中碳纤维增强树脂基复合材料某些重要构件局部机械接口的尺寸精度、形位精度要求达到精度IT3，粗糙度等表面质量要求高。加工表面须光滑无毛刺，不能分层。这些复合材料构件通常厚度较大(≥2mm)，加工热影响区须严格控制在20μm之内。

然而，由于碳纤维复合材料的各项异性及异质结构，目前广泛采用传统机械加工方式如铣削、钻孔和切割等，易引起刀具磨损严重，切削污染机床、切削精度低、分层、拉毛、抽丝而导致材料失败，加工精度和效率低，对航空航天构件装配制造精度、承载性能、疲劳寿命和可靠性造成了不利影响。

碳纤维复合材料是由碳纤维和树脂基叠层获得的各向异性及异质结构，纤维与基体物理性能差异大，复合材料的轴向和径向性能差异也大。传统连续及长脉冲激光加工时，纤维热导率高于树脂基体，传热快，从而产生较大的热影响区，树脂基体局部产生降解、分解等热损伤，纤维/基体界面因聚合物降解而减弱，导致分层、拉毛、抽丝等缺陷。例如，传统连续及长脉冲激光高斯激光加工时，加工后底端热损伤严重且热影响区较大，同时易残余废料。另外，单点聚焦扫描激光加工的激光能量的利用率低，蚀除层深度浅，多次扫描造成单束激光加工效率也低。

专利文献“一种复合材料的切割方法”(CN108526719A)公开了，在激光对复合材料样品进行切割的过程中，由机械臂带动光学装置运动，红外线发射器对样品发射红外线，CCD检测器接收反射回的红外线，通过红外线收发的时间差计算材料切割深度，通过反馈调节装置提高对激光切割深度的控制。但此法采用单束激光加工，大大降低了切割效率。同时激光能量的利用率不够高，并且热影响区也较大。

专利文献“一种水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料的装置”(CN205702857U)公开了，在加工之前，向冷却液槽中注入定量的冷却用水，将碳纤维材料样品置于冷却用水中进行激光切割，或只保留样品正面暴露于空气中。样品浸泡于冷却用水中进行激光切割可有效减小样品背面产生的热影响区，使得样品加工表面的毛刺、分层和抽丝等得以减少或消除。但该方案同样存在效率太低的问题，并且碳纤维增强基复合材料长时间浸泡在水中，制件易膨胀变形，无法保证尺寸精度。同时激光能量的利用率不够高，并且热影响区也较大。

如上，目前亟需提供一种激光加工技术，来解决航空航天构件碳纤维增强树脂基复合材料在激光加工过程中出现的热影响区和热损伤过大、毛边、抽丝等缺陷而导致材料失效，加工精度和效率低的问题；传统连续及长脉冲激光高斯激光切割碳纤维增强树脂基复合材料时，易残余废料的问题；以及激光能量利用率低，加工效率低等问题。

发明内容

本发明正是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统及方法，能够切实满足航空航天构件碳纤维增强树脂基复合材料的高质高精高效加工需求。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

<系统>

本发明提供一种碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统，其特征在于，包括：绿光激光器，发射绿光激光；扩束镜，对绿光激光器发射的绿光激光进行准直；第一空间光调制器，将准直后的绿光激光分成多束，并且到达第一空间光调制器的光的入射角应在10°以内；第一反射镜，对多束绿光激光进行反射；第一透镜，对反射来的多束绿光激光进行聚焦；第一分束镜，将聚焦后的每束绿光激光的一部分光从主光路中分离并将其反射至第一监测用光路，剩下一部分光则沿着主光路继续传播；第一监测部，设置在第一监测用光路上，接收发射来的激光束，监测激光束的全息形貌；第二空间光调制器，设置在主光路上，将每束能量不均匀的圆形高斯光斑整形成能量均匀的环形光斑，到达第二空间光调制器的光的入射角应在10°以内；第二反射镜，对环形光斑进行反射；双透镜组，为光学4f系统，对反射来的环形光斑进行聚焦；第二分束镜，将聚焦后的每束环形光斑的一部分光从主光路中分离并将其反射至第二监测用光路，剩下一部分光则沿着主光路继续传播；第二监测部，设置在第二监测用光路上，接收发射来的多光束，监测多光束的能量分布情况；第二透镜，设置在主光路上，将能量均匀的环形光斑聚焦后辐照至碳纤维树脂基复合材料加工位置上；以及控制部，与绿光激光器、第一空间光调制器、第一监测部、第二空间光调制器、第二监测部通信相连，控制部设置绿光激光器发射的每个光斑的数量和坐标位置，生成相应的全息图，并将全息图加载到第一空间光调制器中；当第一监测部监测到的全息形貌与全息图不相符，则调整绿光激光器的设置参数直至相符；控制部基于第二监测部监测到的能量分布情况，通过调节第二空间光调制器上每个小的区域电压将能量不均匀的圆形高斯光斑整形成能量均匀的平顶环形光斑。

进一步地，本发明提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统还可以包括：移动部，与绿光激光器、扩束镜、第一空间光调制器、第一反射镜、第一透镜、第一分束镜、第一监测部、第二空间光调制器、第二反射镜、双透镜组、第二分束镜、第二监测部、第二透镜均相连，并且与控制部通信相连；控制部控制移动部进行移动，使得能量均匀的绿光环形光斑与加工位置处于同一直线上，这样可精确保证加工位置的准确性。

<方法>

另外，本发明还提供一种碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法，其特征在于：采用上述<系统>中所描述的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统将绿光高斯圆形激光调整成间隔一定距离的20个以上平顶环形光束，对碳纤维树脂基复合材料进行加工。

进一步地，本发明提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法还可以具有以下特征：环形光斑的搭接率设置为87％～95％。

进一步地，本发明提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法还可以具有以下特征：绿光激光的功率设置为8.5W～10W，扫描速度100mm/s～1200mm/s、能量13J～20J。

进一步地，本发明提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法还可以具有以下特征：在加工位置处，平顶环形光斑之间的间距为1.97mm～3.97mm。

进一步地，本发明提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法还可以具有以下特征：平顶环形光斑的内外径差控制在2μm以内，光束之间的中心距为2～4mm，光斑焦点落差为1～2μm。

发明的作用与效果

本发明所提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统及方法，将绿光激光器发射的一束绿光激光分成若干束，然后将各高斯光束整形成能量均匀分布的平顶环形光，多光束能量均匀性≥95％，焦点光斑形状、尺寸和三维空间位置可调，可精准控制沿焦深方向的强激光场能量分配，再用该多束环形绿光激光加工碳纤维增强树脂基复合材料；本发明可将激光加工的道次减少20倍，并且加工热影响区小，纤维增强树脂基复合材料受热均匀，切口锥度小，复合材料热影响和热损伤影响小，有效抑制了传统加工方法常见的缺陷产生，包括毛刺、分层、抽丝等，同时光能利用率及加工效率高，本发明切实地提升了对碳纤维增强树脂基复合材料的加工质量、精度和效率，实现了碳纤维增强树脂基复合材料的精准、高效、高质加工。

附图说明

图1是本发明实施例中碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中高斯光(a)与平顶光(b)能量利用率的对比示意图；

图3是本发明实施例中光斑数量和位置的设置界面示意图；

图4是本发明实施例中第二空间光调制器对进行光束进行整形的流程图；

图5是本发明实施例中多束光加工过程示意图一；

图6是本发明实施例中多束光加工过程示意图二；

图7是本发明实施例中绿光环形光斑搭接率示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明涉及的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统及方法作详细阐述。

<实施例一>

如图1所示，本实施例一提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统10，包括绿光激光器11、扩束镜12、第一空间光调制器13、第一反射镜14、第一透镜15、第一分束镜16、第一监测部17、第二空间光调制器18、第二反射镜19、双透镜组20、第二分束镜21、第二监测部22、第二透镜23、移动部以及控制部。

绿光激光器11用于发射绿光激光。

扩束镜12对绿光激光器11发射的绿光激光进行准直。

第一空间光调制器13将准直后的单束绿光高斯激光分成多束，并且到达第一空间光调制器13的光的入射角应控制在10°以内，多束激光应间隔一定距离，并且激光数应在20束以上。

第一反射镜14对多束绿光激光进行反射。

第一透镜15对反射来的多束绿光激光进行聚焦。

第一分束镜16将聚焦后的每束绿光激光的一部分光从主光路中分离并将其反射至第一监测用光路，剩下一部分光则沿着主光路继续传播。

第一监测部17设置在第一监测用光路上，接收发射来的激光束，生成激光束的全息图，监测激光束的全息形貌。本实施例中，第一监测部17采用的是与计算机联用的CCD相机。

第二空间光调制器18设置在主光路上，到达第二空间光调制器18的光的入射角应在10°以内，第二空间光调制器18用于将每束能量不均匀的圆形高斯光斑整形成能量均匀的平顶环形光斑，如图2所示，平顶光的能量分配均匀，并且能量利用率明显大于高斯光。如图4所示，为第二空间光调制器18在控制部的控制下，对进行光束进行整形的具体流程。

第二反射镜19对环形光束进行反射。

双透镜组20为光学4f系统，对反射来的环形光束进行聚焦。

第二分束镜21将聚焦后的每束环形光的一部分光从主光路中分离，并将其反射至第二监测用光路，剩下一部分光则沿着主光路继续传播。

第二监测部22设置在第二监测用光路上，接收发射来的多光束，生成多光束的能量分布图，监测多光束的能量分布情况。本实施例中，第二监测部22采用的是与计算机联用的CCD相机。

第二透镜23设置在主光路上，如图5和6所示，将能量均匀的环形光斑聚焦后辐照至碳纤维树脂基复合材料S加工位置上。

移动部与绿光激光器11、扩束镜12、第一空间光调制器13、第一反射镜14、第一透镜15、第一分束镜16、第一监测部17、第二空间光调制器18、第二反射镜19、双透镜组20、第二分束镜21、第二监测部22、第二透镜23均相连，用于带动它们移动。

控制部与绿光激光器11、第一空间光调制器13、第一监测部17、第二空间光调制器18、第二监测部22、第二透镜23、移动部均通信相连，控制它们的运行，并能够调整各个结构器件的运行参数。如图4所示，通过控制部可以设置绿光激光器11发射的每个光斑的数量、形状、大小和坐标位置，生成相应的全息图，并将全息图加载到第一空间光调制器13中；当第一监测部17监测到的全息形貌与全息图不相符，则调整绿光激光器11的设置参数直至相符；并且，控制部还能够基于第二监测部22监测到的能量分布情况，通过调节第二空间光调制器18上每个小的区域电压将能量不均匀的圆形高斯光斑整形成能量均匀的环形光斑。另外，控制部能够控制移动部进行移动，从而带动相应的结构移动调整位置，直至使得能量均匀的绿光环形光斑与加工位置处于同一直线上。

本实施例中，通过控制部设置环形光斑的搭接率(如图7所示)设置为87％～95％，绿光激光的功率为8.5W～10W，扫描速度为100mm/s～1200mm/s、能量为13J～20J；平顶环形光斑之间的间距控制在1.97mm～3.97mm，平顶环形光斑的内外径差控制在2μm以内，光束之间的中心距为2～4mm，光斑焦点落差为1～2μm。

基于以上结构，本实施例所提供的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统的加工方法，包括如下步骤：

(1)如图2所示，通过控制部设置每个光斑的数量和坐标位置再点击运行得到设定全息图，将得到的设定全息图加载到第一空间光调制器13中，从而得到多个光斑。

(2)当第一监测部17监测到的全息形貌与全息图不相符，控制部调整绿光激光器11的设置参数直至相符。

(3)通过控制部将所需的几何掩膜图加载到第二空间光调制器18生成模拟光栅图。当多光束入射到第二空间光调制器18上后，通过第二监测部22观察出射的平顶光是否符合加工要求，然后控制部基于监测情况控制调节第二空间光调制器18上每个小的区域电压，以改变多光束的相位，随后多光束在第二空间光调制器18内自由发生衍射，将每一束光都整形成能量均匀的平顶环形光。

(4)控制部控制控制移动部进行移动，从而带动相应的结构移动调整位置，使得能量均匀的绿光平顶环形光斑与加工位置处于同一直线上对碳纤维树脂基复合材料S进行精确、高效地加工。

<实施例二>

本实施例二是对2mm厚的卫星连接架装配接口进行切割加工，卫星连接架材料为T800碳纤维增强环氧基复合材料S，要求尺寸精度、形位精度达到精度IT3，加工表面光滑无毛刺，不能分层，加工热影响区必须严格控制在20μm以内。

先使用99.7％的无水乙醇对其碳纤维增强树脂基复合材料S的表面进行擦拭，以减少其它因素的影响。本实施例采用绿光飞秒激光器切割加工，优化后的激光参数为功率10W、扫描速度1000mm/s、能量为13J，环形光斑搭接率(扫描方向)为90％。采用实施例一中所描述的激光加工系统10，通过分光和整形得到的能量均匀的多束的环形光通过透镜聚焦到碳纤维增强树脂基复合材料S上，同时控制环形光斑的内径为9um，外径为11um，光束之间的中心距为3mm，每束光斑焦点落差为1um，即后一束光斑在材料加工位置上的焦点比一束光斑焦点低一个加工层。多束环形光以0.1mm/s的速度向左移动。

当最后一束环形光离开材料后加工完成，即激光扫描一次就可完成零件的切割加工，加工效率大大提升。

观察热影响区，发现热影响区范围介于11um到14um之间，符合航空航天构件加工的要求(≤20μm)；激光加工后材料拉伸强度是本征拉伸强度的99％；激光切割加工内壁光滑无分层、起毛、抽丝缺陷；底端无残余材料；尺寸精度、形位精度达到精度IT3。

<实施例三>

本实施例三是对5mm厚的卫星连接架装配接口进行切割加工，卫星连接架材料为T800碳纤维增强环氧基复合材料S，要求尺寸精度、形位精度达到精度IT3，加工表面光滑无毛刺，不能分层，加工热影响区必须严格控制在20μm以内。

先使用99.7％的无水乙醇对碳纤维增强树脂基复合材料S的表面进行擦拭，以减少其它因素的影响。本实施例采用绿光皮秒激光器切割加工，优化后的激光参数为功率8.5W、扫描速度1200mm/s、能量为15J、环形光斑搭接率(扫描方向)为90％。采用实施例一中所描述的激光加工系统10，通过分光和整形得到的能量均匀的多束的环形光通过透镜聚焦到碳纤维增强树脂基复合材料S上，同时控制环形光斑的内径为10um，外径为12um，光束之间的中心距为3mm，每束光斑焦点落差为1um，即后一束光斑在材料加工位置上的焦点比一束光斑焦点低一个加工层。多束环形光以0.07mm/s的速度向左移动。

当最后一束环形光离开材料后加工完成，即激光扫描一次就可完成零件的切割加工，加工效率大大提升。

观察热影响区，发现热影响区范围介于12um～15um之间，符合航空航天构件加工的要求(≤20μm)；激光加工后材料拉伸强度是本征拉伸强度的99％；激光切割加工内壁光滑无分层、起毛、抽丝缺陷；底端无残余材料；尺寸精度、形位精度达到精度IT3。

<实施例四>

本实施例四是对5mm厚的卫星连接架装配接口进行切割加工，卫星连接架材料为T800碳纤维增强环氧基复合材料S，要求尺寸精度、形位精度达到精度IT3，加工表面光滑无毛刺，不能分层，加工热影响区必须严格控制在20μm以内。

先使用99.7％的无水乙醇对碳纤维增强树脂基复合材料S的表面进行擦拭，以减少其它因素的影响。本实施例采用绿光激光器11切割加工，优化后的激光参数为功率10.5W、扫描速度1500mm/s、能量为20J、环形光斑搭接率(扫描方向)为90％。采用实施例一中所描述的激光加工系统10，通过分光和整形得到的能量均匀的多束的环形光通过透镜11聚焦到碳纤维增强树脂基复合材料S上，同时控制环形光斑的内径为9um，外径为11um，光束之间的中心距为3mm，每束光斑焦点落差为1um，即后一束光斑在材料加工位置上的焦点比一束光斑焦点低一个加工层。多束环形光以0.07mm/s的速度向左移动。

当最后一束环形光离开材料后加工完成，即激光扫描一次就可完成零件的切割加工，加工效率大大提升。

观察热影响区，发现热影响区范围介于10um～12um之间，符合航空航天构件加工的要求(≤20μm)；激光加工后材料拉伸强度是本征拉伸强度的99％；激光切割加工内壁光滑无分层、起毛、抽丝缺陷；底端无残余材料；尺寸精度、形位精度达到精度IT3。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统及方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统，其特征在于，包括：

绿光激光器，发射绿光激光；

扩束镜，对所述绿光激光器发射的绿光激光进行准直；

第一空间光调制器，将准直后的绿光激光分成多束，到达所述第一空间光调制器的光的入射角应在10°以内；

第一反射镜，对多束绿光激光进行反射；

第一透镜，对反射来的多束绿光激光进行聚焦；

第一分束镜，将聚焦后的每束绿光激光的一部分光从主光路中分离并将其反射至第一监测用光路，剩下一部分光则沿着主光路继续传播；

第一监测部，设置在第一监测用光路上，接收发射来的激光束，监测激光束的全息形貌；

第二空间光调制器，设置在主光路上，将每束能量不均匀的圆形高斯光斑整形成能量均匀的环形光，到达所述第二空间光调制器的光的入射角应在10°以内；

第二反射镜，对环形光束进行反射；

双透镜组，为光学4f系统，对反射来的环形光进行聚焦；

第二分束镜，将聚焦后的每束环形光的一部分光从主光路中分离并将其反射至第二监测用光路，剩下一部分光则沿着主光路继续传播；

第二监测部，设置在第二监测用光路上，接收发射来的多光束，监测多光束的能量分布情况；

第二透镜，设置在主光路上，将能量均匀的环形光斑聚焦后辐照至碳纤维树脂基复合材料加工位置上；以及

控制部，与所述绿光激光器、第一空间光调制器、第一监测部、第二空间光调制器、第二监测部通信相连，所述控制部设置所述绿光激光器发射的每个光斑的数量和坐标位置，生成相应的全息图，并将全息图加载到所述第一空间光调制器中；当所述第一监测部监测到的全息形貌与所述全息图不相符，则调整所述绿光激光器的设置参数直至相符；所述控制部基于所述第二监测部监测到的能量分布情况，通过调节所述第二空间光调制器上每个小的区域电压将能量不均匀的圆形高斯光斑整形成能量均匀的平顶环形光斑。

2.根据权利要求1所述的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统，其特征在于，还包括：

移动部，与所述绿光激光器、所述扩束镜、所述第一空间光调制器、所述第一反射镜、所述第一透镜、所述第一分束镜、所述第一监测部、所述第二空间光调制器、所述第二反射镜、所述双透镜组、所述第二分束镜、所述第二监测部、所述第二透镜均相连，并且与所述控制部通信相连；

所述控制部控制所述移动部进行移动，使得能量均匀的绿光环形光斑与加工位置处于同一直线上。

3.碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法，其特征在于：

采用权利要求1或2所述的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工系统将绿光高斯激光调整成间隔一定距离的20个以上平顶环形光束，对碳纤维树脂基复合材料进行加工。

4.根据权利要求3所述的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法，其特征在于：

其中，环形光斑的搭接率设置为87％～95％。

5.根据权利要求4所述的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法，其特征在于：

其中，绿光激光的功率设置为8.5W～10W，扫描速度100mm/s～1200mm/s、能量13J～20J。

6.根据权利要求3所述的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法，其特征在于：

其中，在加工位置处，平顶环形光斑之间的间距为1.97mm～3.97mm。

7.根据权利要求3所述的碳纤维树脂基复合材料绿光超快激光加工方法，其特征在于：

其中，平顶环形光斑的内外径差控制在2μm以内，光束之间的中心距为2～4mm，光斑焦点落差为1～2μm。

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