CN112192039A - 一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法 - Google Patents

一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112192039A
CN112192039A CN202011014874.4A CN202011014874A CN112192039A CN 112192039 A CN112192039 A CN 112192039A CN 202011014874 A CN202011014874 A CN 202011014874A CN 112192039 A CN112192039 A CN 112192039A
Authority
CN
China
Prior art keywords
processing
workpiece
laser
processed
composite material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
CN202011014874.4A
Other languages
English (en)
Inventor
张振宇
刘杰
崔祥祥
廖龙兴
李玉彪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian University of Technology
Original Assignee
Dalian University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian University of Technology filed Critical Dalian University of Technology
Priority to CN202011014874.4A priority Critical patent/CN112192039A/zh
Publication of CN112192039A publication Critical patent/CN112192039A/zh
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/60—Preliminary treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment

Abstract

本发明属于复合材料加工技术领域，公开了一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法，具体步骤为：S1：选择连续纤维增强多孔复合材料，使用无水乙醇清洗工件待加工表面；S2：将工件固定在加工平台上；S3：开启激光加工系统，将激光光束聚焦于工件待加工表面；S4：设置激光加工参数和辅助气体压力，使激光光束焦点在工件待加工表面完成指定扫描加工动作；S5：加工完成后，采用超声波清洗器对工件的已加工表面进行清洗。采用本发明的方法，加工后的连续纤维增强多孔复合材料表面材料去除均匀，去除率高，表面无毛刺无焦黑，热影响区小，表面加工质量提高50％以上。

Description

一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法
技术领域
本发明涉及一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法，属于复合材料加工技术领域。
背景技术
连续纤维增强多孔复合材料是一种由碳纤维、玻璃纤维增强体和树脂基体组成的新型多相结构材料，具有低密度、高韧性以及良好的耐疲劳、抗冲击等优良特性，在航空航天、国防军工等诸多领域具有良好的应用价值和前景。
由于连续纤维增强多孔复合材料刚度弱难固持、纤维韧性强、加工过程粉尘量大、无法水冷和无法使用切削液等特点，使其成为一种典型的难加工材料。采用传统机械加工方式易出现刀具磨损、材料分层、纤维破碎、纤维拔出、加工面质量低以及加工后性能变差等问题，非接触式的激光加工成为连续纤维增强多孔复合材料加工的一种新型加工技术。但由于纤维与树脂在导热系数、热膨胀系数等热力学性能方面存在巨大差异，使得激光加工时易出现热影响区大(0.1～1mm)、灼烧严重、材料去除不均匀、纤维末端膨胀、基体崩裂等缺陷，严重影响材料的静态强度，限制着连续纤维增强多孔复合材料的规模化工程应用。
发明内容
为解决上述问题和不足，本发明提供了一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法。
为实现上述目的，本发明的方案是：
一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法，用于对连续纤维增强多孔复合材料表面进行加工，包括以下步骤：
步骤S1：选择待加工的连续纤维增强多孔复合材料为工件，使用无水乙醇清洗工件的待加工表面；
步骤S2：将工件固定在激光加工系统的加工平台上；
步骤S3：开启激光加工系统，激光光束由激光光源发出，经反射镜反射以及扫描透镜聚焦后，垂直照射于工件待加工表面；
步骤S4：选择激光加工参数和辅助气体压力，使激光光束焦点在工件表面完成指定的扫描加工动作，同时，辅助气体由气体喷嘴喷出，直至加工完成；
步骤S5：加工完成后，采用超声波清洗器对工件的已加工表面进行清洗。
其中，步骤S4所述的激光加工参数为：激光波长200～400nm，激光脉宽1～15ps，激光重复频率100～200kHz，激光功率1～3W，扫描速度5000～10000mm/s，扫描次数5～20次，扫描线间距0.007～0.015mm；所述的辅助气体为氮气和氧气的混合气体，氧气含量为15％～25％，辅助气体压力为0.2～0.6MPa。辅助气体中的氧气可提高材料去除率，氮气可起到对加工材料的冷却作用，避免焦黑表面的出现。
与现有技术相比本发明的有益效果如下：
1)本发明提供的一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法，采用非接触式的激光加工方法，避免了传统机械加工方法造成的加工精度低、效率低、刀具磨损严重、加工粉尘污染等缺陷，加工精度和质量易保证；
2)本发明提供的一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法，采用超短脉冲的激光加工，在保证加工效率的前提下，可实现“冷加工”效果，同时，在紫外激光加工条件下，材料的去除方式主要是光化学去除，热影响区小；
3)本发明提供的一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法，操作方法简单，设置的激光加工参数加工后的工件表面材料去除均匀，去除率高，表面无毛刺无焦黑，加工表面质量相较于加工前提高50％以上。
附图说明
图1是连续纤维增强多孔复合材料加工示意图；
图2是实施例1中连续纤维增强多孔复合材料加工后表面某区域的粗糙度测量曲线，表面粗糙度Ra值为3.605μm；
图3是实施例2中连续纤维增强多孔复合材料加工后表面某区域的粗糙度测量曲线，表面粗糙度Ra值为2.964μm；
图4是实施例3中连续纤维增强多孔复合材料加工后表面某区域的粗糙度测量曲线，表面粗糙度Ra值为3.840μm；
图中：1工件；2加工平台；3激光光束；4激光光源；5反射镜；6扫描透镜；7辅助气体；8气体喷嘴。
具体实施方式
现结合附图1～4对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
步骤S1：连续纤维增强多孔复合材料加工示意图如图1所示，选择尺寸为100×100×40mm(长×宽×厚)的连续纤维增强多孔复合材料作为工件1，使用无水乙醇清洗工件1的待加工表面，并采用接触式粗糙度仪测量工件1的待加工区域表面粗糙度Ra，得到待加工区域表面粗糙度的平均值为Ra 7.832μm。
步骤S2：将工件1固定在激光加工系统的加工平台2上。
步骤S3：开启激光加工系统，激光光束3由激光光源4发出，经反射镜5反射以及扫描透镜6(焦距为100mm)聚焦后，垂直照射于工件1的待加工表面。
步骤S4：选择激光加工参数：激光波长200nm，激光脉宽1ps，激光重复频率100kHz，激光功率1W，激光光束为高斯分布模式，光斑直径10μm，扫描线长10mm，扫描速度5000mm/s，扫描次数5次，扫描线间距0.007mm；选择辅助气体7为氮气和氧气的混合气体，氧气含量为15％，辅助气体7的压力为0.2MPa。设置完成激光加工参数和辅助气体7参数，使激光光束3焦点在工件1表面完成指定的扫描加工动作，同时，辅助气体7由气体喷嘴8喷出，直至加工完成。
步骤S5：加工完成后，采用超声波清洗器对工件1的已加工表面进行清洗，采用超景深显微镜观察热影响区，热影响区大小为53μm；采用接触式粗糙度仪测试工件1加工后的表面粗糙度值，如图2所示为加工后表面某区域处的粗糙度测量曲线，加工后的表面粗糙度值降低至Ra 3.605μm。
通过目测、显微镜观察以及粗糙度仪测量，相较于现有技术(机械加工方法：Ra4.6～6.3μm，表面多毛刺；其他激光加工方法：Ra 4.2～5.5μm，热影响区0.1～1mm，灼烧严重)，本实施例可最终实现材料去除均匀、表面无毛刺无焦黑、热影响区小等加工效果，表面加工质量相较于加工前提高50％以上。
实施例2
步骤S1：连续纤维增强多孔复合材料加工示意图如图1所示，选择尺寸为100×100×40mm(长×宽×厚)的连续纤维增强多孔复合材料作为工件1，使用无水乙醇清洗工件1的待加工表面，并采用接触式粗糙度仪测量工件1的待加工区域表面粗糙度Ra，得到待加工区域表面粗糙度的平均值为Ra 7.159μm。
步骤S2：将工件1固定在激光加工系统的加工平台2上。
步骤S3：开启激光加工系统，激光光束3由激光光源4发出，经反射镜5反射以及扫描透镜6(焦距为100mm)聚焦后，垂直照射于工件1的待加工表面。
步骤S4：选择激光加工参数：激光波长355nm，激光脉宽10ps，激光重复频率150kHz，激光功率2.53W，激光光束为高斯分布模式，光斑直径10μm，扫描线长10mm，扫描速度8000mm/s，扫描次数12次，扫描线间距0.01mm；选择辅助气体7为氮气和氧气的混合气体，氧气含量为20％，辅助气体7的压力为0.4MPa。设置完成激光加工参数和辅助气体7参数，使激光光束3焦点在工件1表面完成指定的扫描加工动作，同时，辅助气体7由气体喷嘴8喷出，直至加工完成。
步骤S5：加工完成后，采用超声波清洗器对工件1的已加工表面进行清洗，采用超景深显微镜观察热影响区，热影响区大小为35μm；采用接触式粗糙度仪测试工件1加工后的表面粗糙度值Ra，如图3所示为加工后表面某区域处的粗糙度测量曲线，加工后的表面粗糙度值降低至Ra 2.964μm。
通过目测、显微镜观察以及粗糙度仪测量，相较于现有技术(机械加工方法：Ra4.6～6.3μm，表面多毛刺；其他激光加工方法：Ra 4.2～5.5μm，热影响区0.1～1mm，灼烧严重)，本实施例可最终实现材料去除均匀、表面无毛刺无焦黑、热影响区小等加工效果，表面加工质量相较于加工前提高50％以上。
实施例3
步骤S1：连续纤维增强多孔复合材料加工示意图如图1所示，选择尺寸为100×100×40mm(长×宽×厚)的连续纤维增强多孔复合材料作为工件1，使用无水乙醇清洗工件1的待加工表面，并采用接触式粗糙度仪测量工件1的待加工区域表面粗糙度Ra，得到待加工区域表面粗糙度的平均值为Ra 6.985μm。
步骤S2：将工件1固定在激光加工系统的加工平台2上。
步骤S3：开启激光加工系统，激光光束3由激光光源4发出，经反射镜5反射以及扫描透镜6(焦距为100mm)聚焦后，垂直照射于工件1的待加工表面。
步骤S4：选择激光加工参数：激光波长400nm，激光脉宽15ps，激光重复频率200kHz，激光功率3W，激光光束为高斯分布模式，光斑直径10μm，扫描线长10mm，扫描速度10000mm/s，扫描次数20次，扫描线间距0.015mm；选择辅助气体7为氮气和氧气的混合气体，氧气含量为25％，辅助气体7的压力为0.6MPa。设置完成激光加工参数和辅助气体7参数，使激光光束3焦点在工件1表面完成指定的扫描加工动作，同时，辅助气体7由气体喷嘴8喷出，直至加工完成。
步骤S5：加工完成后，采用超声波清洗器对工件1的已加工表面进行清洗，采用超景深显微镜观察热影响区，热影响区大小为41μm；采用接触式粗糙度仪测试工件1加工后的表面粗糙度值Ra，如图4所示为加工后表面某区域处的粗糙度测量曲线，加工后的表面粗糙度值降低至Ra 3.840μm。
通过目测、显微镜观察以及粗糙度仪测量，相较于现有技术(机械加工方法：Ra4.6～6.3μm，表面多毛刺；其他激光加工方法：Ra 4.2～5.5μm，热影响区0.1～1mm，灼烧严重)，本实施例可最终实现材料去除均匀、表面无毛刺无焦黑、热影响区小等加工效果，表面加工质量相较于加工前提高50％左右。

Claims (1)

1.一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法，用于对连续纤维增强多孔复合材料表面进行加工，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：选择待加工的连续纤维增强多孔复合材料为工件，使用无水乙醇清洗工件的待加工表面；
步骤S2：将工件固定在激光加工系统的加工平台上；
步骤S3：开启激光加工系统，激光光束由激光光源发出，经反射镜反射以及扫描透镜聚焦后，垂直照射于工件待加工表面；
步骤S4：选择激光加工参数和辅助气体压力，使激光光束焦点在工件表面完成指定的扫描加工动作，同时，辅助气体由气体喷嘴喷出，直至加工完成；
步骤S5：加工完成后，采用超声波清洗器对工件的已加工表面进行清洗；
其中，步骤S4所述的激光加工参数为：激光波长200～400nm，激光脉宽1～15ps，激光重复频率100～200kHz，激光功率1～3W，扫描速度5000～10000mm/s，扫描次数5～20次，扫描线间距0.007～0.015mm；所述的辅助气体为氮气和氧气的混合气体，氧气含量为15％～25％，辅助气体压力为0.2～0.6MPa。
CN202011014874.4A 2020-09-24 2020-09-24 一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法 Withdrawn CN112192039A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011014874.4A CN112192039A (zh) 2020-09-24 2020-09-24 一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011014874.4A CN112192039A (zh) 2020-09-24 2020-09-24 一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112192039A true CN112192039A (zh) 2021-01-08

Family

ID=74016134

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011014874.4A Withdrawn CN112192039A (zh) 2020-09-24 2020-09-24 一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112192039A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113333252A (zh) * 2021-05-08 2021-09-03 上海克络蒂材料科技发展有限公司 一种纤维增强树脂型材喷漆前处理工艺
CN113732513A (zh) * 2021-09-26 2021-12-03 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104384719A (zh) * 2014-09-19 2015-03-04 江苏大学 一种去除纤维增强复合材料受损区的装置和方法
CN106975847A (zh) * 2017-05-27 2017-07-25 南京工程学院 一种光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的装置和方法
US20170247785A1 (en) * 2014-10-13 2017-08-31 Washington State University Reactive deposition systems and associated methods
CN110977206A (zh) * 2019-12-25 2020-04-10 南开大学 基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法
CN111037101A (zh) * 2019-11-29 2020-04-21 北京卫星制造厂有限公司 一种复合材料的高效精密加工方法
CN111229733A (zh) * 2020-01-08 2020-06-05 天津大学 一种纤维增强复合材料表面处理方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104384719A (zh) * 2014-09-19 2015-03-04 江苏大学 一种去除纤维增强复合材料受损区的装置和方法
US20170247785A1 (en) * 2014-10-13 2017-08-31 Washington State University Reactive deposition systems and associated methods
CN106975847A (zh) * 2017-05-27 2017-07-25 南京工程学院 一种光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的装置和方法
CN111037101A (zh) * 2019-11-29 2020-04-21 北京卫星制造厂有限公司 一种复合材料的高效精密加工方法
CN110977206A (zh) * 2019-12-25 2020-04-10 南开大学 基于飞秒激光的纤维增强树脂基复合材料精密加工方法
CN111229733A (zh) * 2020-01-08 2020-06-05 天津大学 一种纤维增强复合材料表面处理方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张学聪，钱静: "激光加工纤维增强复合材料研究进展", 《激光与光电子学进展》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113333252A (zh) * 2021-05-08 2021-09-03 上海克络蒂材料科技发展有限公司 一种纤维增强树脂型材喷漆前处理工艺
CN113732513A (zh) * 2021-09-26 2021-12-03 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置
CN113732513B (zh) * 2021-09-26 2023-03-14 中国人民解放军陆军装甲兵学院 一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109366256B (zh) 一种基于激光与等离子体的复合抛光方法
CN112192039A (zh) 一种连续纤维增强多孔复合材料加工方法
Sun et al. The experimental investigation of water jet–guided laser cutting of CFRP
CN108081137B (zh) 一种带有气液并联管式的砂轮双激光修整装置及方法
CN100455398C (zh) 基于激光冲击波技术的去除切削毛刺的装置
Wu et al. The cutting process and damage mechanism of large thickness CFRP based on water jet guided laser processing
CN113649706A (zh) 一种基于水射流激光的SiC晶片高效倒角方法
CN108296633A (zh) 激光水射流加工装置及其应用
Qiao et al. Experimental study on water jet guided laser micro-machining of mono-crystalline silicon
CN112371653A (zh) 一种去除钛合金表面氧化皮的激光清洗方法
WO2021190530A1 (zh) 一种组合激光加工复杂刃口刀具的加工方法
CN111545918B (zh) 焊接或增材修复区域的激光抛光与激光冲击强化制造方法
CN113649707B (zh) 一种SiC晶体的滚圆与参考面一次成型的加工方法
CN106956079A (zh) 一种激光微熔凝弥合金属表面微裂纹的方法
Boyu et al. Current status of water-jet guided laser cutting technology
CN115365639A (zh) 一种基于超声振动辅助飞秒激光加工C/SiC复合材料的方法
Jiang et al. Water-jet assisted laser cutting of Korean pine (Pinus koraiensis): Process and parameters optimization
CN115365649A (zh) 一种水射流辅助激光诱导等离子体加工方法及装置
Kang et al. Experimental investigation on the CO 2 laser cutting of soda-lime glass
Wang et al. Experimental research on chemical polishing of metal capillary inner wall for laser-assisted electrochemical machining
CN207788233U (zh) 激光水射流加工装置
WO2022222590A1 (zh) 一种增材制造工艺、增材层、增材后的产品及复合激光器
Shi et al. Analysis and evaluation of natural diamond cut by water jet-guided laser
Zhang et al. A theoretical and experimental study on laser-induced deterioration in wet grinding of Al 2 O 3 engineering ceramic
CN103831674A (zh) 氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20210108

WW01 Invention patent application withdrawn after publication