CN113732513A - 一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置 - Google Patents

一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置，涉及激光加工技术领域。本发明提供的树脂基复合材料表面激光预处理的方法，包括以下步骤：采用紫外激光对树脂基复合材料的表面进行激光扫描；所述紫外激光的波长为355nm。本发明采用紫外激光对树脂基复合材料的表面进行激光预处理(包括表面清洁、活化、粗化)，并限定紫外激光的波长为355nm，达到激光冷处理(温度不高于45℃)的目的，避免热聚集对树脂基复合材料的灼伤，具有预处理效率高、质量好、操作简单、环境无污染的优点。

Description

一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置。
背景技术
在“减重、提速、高可靠”的大背景下，树脂基复合材料在飞机、舰船、车辆等承载工具上大量使用，例如，波音737飞机蒙皮即为全碳纤维复合材料。树脂基复合材料在其制造连接、损伤修复清洁等场景中，需要对其表面进行预处理，树脂基复合材料表面预处理有别于金属表面预处理，传统化学、机械和喷砂等方法无法满足树脂基复合材料表面预处理需求，一方面，机械和化学溶剂处理树脂基复合材料难度大、毒性强、污染严重；另一方面处理效率低、耗时耗材、流程繁琐，极易造成严重的基体二次损伤问题，因此，必须发展更实用的优质、绿色、低成本的新型表面预处理技术。
激光表面处理技术是以光学系统将激光光束聚焦、整形后，扫描辐射待处理表面，可发挥光压力、冲击压力、振动波、等离子体爆发等多种效应的综合作用。对表面物理化学处理的激光加工技术，具有绿色环保、优质高效、无二次损伤、工艺简单、安全可靠、易于自动化和运维成本低等优点，是解决树脂基复合材料表面优质、高效、绿色预处理的理想技术手段。现有激光预处理常采用纳秒激光预处理方式，波长通常为1064nm，界面热聚集情况较为严重，界面瞬时温度可达70℃以上，树脂基复合材料常因激光热作用引起复合材料失效。
发明内容
本发明的目的在于提供一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法及装置，本发明采用紫外激光光源能较好控制预处理界面热输出，能最大限度降低激光热作用对树脂基复合材料表面的劣化。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法，包括以下步骤：
采用紫外激光对树脂基复合材料的表面进行激光扫描；
所述紫外激光的波长为355nm。
优选地，所述紫外激光为紫外脉冲激光。
优选地，所述紫外脉冲激光的激光脉宽为10～20ns。
优选地，所述紫外脉冲激光的重复频率为40～300kHz。
优选地，所述激光扫描时紫外激光的光斑形状为方形或圆形。
优选地，当所述紫外激光的光斑形状为方形时，方形光斑的大小为3mm×3mm～6mm×6mm，扫描搭接率为1～3％；当所述紫外激光的光斑形状为圆形时，圆形光斑的直径为20～150μm，扫描搭接率为2～5％。
优选地，所述激光扫描的扫描速度为600～3000mm/s，扫描路径为S型。
优选地，所述树脂基复合材料为有机聚合物为基体的纤维增强材料。
本发明提供了上述技术方案所述方法采用的装置，包括依次设置的紫外激光器、光束调制系统、光纤耦合系统和激光预处理载物台；使用时，所述激光预处理载物台上放置树脂基复合材料；所述光纤耦合系统的输出端与树脂基复合材料的待处理表面相对设置。
优选地，还包括界面温度监测预警系统；所述界面温度监测预警系统的感温端头设置于所述树脂基复合材料的待处理表面。
本发明提供了一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法，包括以下步骤：采用紫外激光对树脂基复合材料的表面进行激光扫描；所述紫外激光的波长为355nm。本发明采用紫外激光对树脂基复合材料的表面进行激光预处理(包括表面清洁、活化、粗化)，并限定紫外激光的波长为355nm，达到激光冷处理(温度不高于45℃)的目的，避免热聚集对树脂基复合材料的灼伤，具有预处理效率高、质量好、操作简单、环境无污染的优点。本发明提供的是一种高效、绿色、无损冷处理的树脂基复合材料表面激光预处理方法。
附图说明
图1为树脂基复合材料表面激光预处理的装置示意图；其中，1为紫外激光器；2为低能激光束；3为光束调制系统；4为高能整形激光束；5为紫外激光预处理终端；6为树脂基复合材料；7为激光预处理载物台；8为温度感应器；9为“温度-电信号”转换器；10为信号传感控制系统；11为信号反馈控制系统；12为示波器；13为显示与控制计算机；
图2为实施例1～3紫外激光预处理的碳纤维树脂基复合材料表面的SEM图；
图3为实施例1紫外激光预处理的碳纤维树脂基复合材料的三维形貌图；
图4为实施例1紫外激光预处理的碳纤维树脂基复合材料的扫描电镜图。
具体实施方式
本发明提供了一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法，包括以下步骤：
采用紫外激光对树脂基复合材料的表面进行激光扫描；
所述紫外激光的波长为355nm。
在本发明中，所述紫外激光优选为紫外脉冲激光。本发明采用波长355nm的紫外脉冲激光，具有脉冲激光波长短、加工精度高、冷加工等特性，其单光子能量高，能直接打断物质原子/分子间连接的化学键产生光化学剥离过程，不对周围物质产生影响。
在本发明中，所述紫外脉冲激光的激光脉宽优选为10～20ns，更优选为12～15ns；所述紫外脉冲激光的重复频率优选为40～300kHz，更优选为60～150kHz。在本发明中，所述紫外脉冲激光的光束质量M2优选小于1.3，更优选为1.2，光束发散角优选为2mrad。
在本发明中，所述激光扫描时紫外激光的光斑形状优选为方形或圆形。在本发明的具体实施例中，圆形光斑的圆度为90％。在本发明中，圆形光斑的光斑调制相对简单，光斑输出可靠，相应预处理工艺简单；方形光斑能量均匀性好，搭接率易于控制和计算。
在本发明中，当所述紫外激光的光斑形状为方形时，方形光斑的大小优选为3mm×3mm～6mm×6mm，扫描搭接率优选为1～3％；当所述紫外激光的光斑形状为圆形时，圆形光斑的直径优选为20～150μm，更优选为60～100μm，扫描搭接率优选为2～5％。
在本发明中，所述激光扫描的扫描速度优选为600～3000mm/s，更优选为1500～2600mm/s；扫描路径优选为S型。在本发明中，所述激光扫描的平均输出功率优选为10～50W，更优选为13～16W。在本发明中，所述激光扫描的次数优选为1次。本发明采用紫外激光聚焦于树脂基复合材料的表面，只需要扫描1次，即可得到预处理的树脂基复合材料表面。
本发明对所述树脂基复合材料的具体组分没有特殊要求，本领域熟知的树脂基复合材料均适用于本方案。在本发明中，所述树脂基复合材料优选为有机聚合物为基体的纤维增强材料，更优选包括碳纤维增强的环氧树脂基复合材料、芳纶纤维增强的环氧树脂基复合材料、玻璃纤维增强的环氧树脂基复合材料或碳化硅纤维增强的环氧树脂基复合材料。
采用本发明提供的方法能够得到树脂基复合材料表面清洁、活化、粗化中一种或多种复合的预处理效果，呈现较高的表面粗糙度，粗化效果明显。
本发明采用紫外激光辐射预处理工艺简单实用，预处理质量高，预处理速度快，基体表面附着物有效清除，且对树脂基复合材料没有损伤。而且本发明在紫外激光辐射预处理过程中不使用化学试剂，不产生废水废液，属于绿色预处理。
本发明还提供了上述技术方案所述方法采用的装置，包括依次设置的紫外激光器、光束调制系统、光纤耦合系统和激光预处理载物台；使用时，所述激光预处理载物台上放置树脂基复合材料；所述光纤耦合系统的输出端与树脂基复合材料的待处理表面相对设置。
本发明提供的装置包括紫外激光器。在本发明中，所述紫外激光器为355nm紫外激光器，具有产生的脉冲激光波长短、加工精度高、冷加工等特性，其单光子能量高，能直接打断物质原子/分子间连接的化学键产生光化学剥离过程，不对周围物质产生影响。
在本发明中，所述紫外激光器优选包括激光谐振装置和激光发射终端。激光谐振装置产生紫外激光通过光束传输系统传输至激光发射终端。在本发明中，所述紫外激光器的输出功率优选为10～50W，更优选为13～16W。
作为本发明的一个实施例，所述紫外激光器还包括参数控制部分。在本发明中，所述参数控制部分优选包括激光功率计、能量计、光谱仪、干涉仪、示波器及相关计算与显示系统；所述参数控制部分主要用于控制紫外激光在时间、空间和频谱的分布特征，例如激光输出功率、频率、脉宽和扫描速度工艺参数的执行。
本发明提供的装置包括光束调制系统。本发明对所述光束调制系统的具体结构没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的光束调制系统即可。在本发明中，所述光束调制系统为紫外激光器发出激光束的整形模块。
本发明提供的装置包括光纤耦合系统。在本发明中，所述光纤耦合系统优选包括光纤耦合组件、铠装光纤组件和准直聚焦组件。在本发明中，所述光纤耦合组件是高功率激光光源和光纤之间的接口，紫外激光器输出的紫外激光经过光纤耦合组件后聚焦在光纤纤芯中；光纤耦合组件通过处理传感器安全功能指令来监测光纤耦合组件的工作状态。紫外激光器输出的紫外激光经光纤耦合系统后进入光纤，光纤输出端经过准直透镜压缩发散角后进入一维振镜扫描系统，最终实现激光扫描输出。
在本发明中，所述铠装光纤组件优选采用光纤激光光缆(QBH)；所述光纤激光光缆优选采用阶梯折射率光纤；光纤芯径优选为纯硅材料；光纤硅包层优选为F型掺杂；光纤芯径的标准截面优选为圆形。
作为本发明的一个实施例，所述装置还包括设置于所述光纤耦合系统末端的紫外激光预处理终端。在本发明中，所述紫外激光预处理终端为控制扫描输出激光束加工的组件，为手持组件或安装于移动平台上。紫外激光通过光纤耦合系统后，输出的激光光束经过紫外激光预处理终端辐照到待处理树脂基复合材料表面，进行预处理。
本发明提供的装置包括激光预处理载物台；使用时，所述激光预处理载物台上放置树脂基复合材料；所述光纤耦合系统的输出端与树脂基复合材料的待处理表面相对设置。在本发明的具体实施例中，所述光纤耦合系统的输出端设置于所述树脂基复合材料的待处理表面的正上方。在本发明的具体实施例中，所述紫外激光预处理终端与树脂基复合材料表面的工作距离为300～1500mm。
作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括界面温度监测预警系统；所述界面温度监测预警系统的感温端头设置于所述树脂基复合材料的待处理表面。本发明利用界面温度监测预警系统调控预处理作业进程，更有利于降低激光热作用对复合材料表面的劣化。
在本发明中，所述界面温度监测预警系统优选包括感温系统和预警系统。在本发明中，所述感温系统的感温端头在激光扫描过程中实时测量激光预处理界面温度，当温度达到设定阀值45℃时，预警系统发出预警，并将停止激光扫描的信号反馈给紫外激光器的参数控制部分，执行停止激光扫描的指令。
作为本发明的一个实施例，所述感温系统包括温度感应器、“温度-电信号”转换器、显示与控制计算机；所述预警系统包括信号传感控制系统、信号反馈控制系统、示波器、显示与控制计算机。
作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置还包括除尘净化组件。在本发明中，所述除尘净化组件位于激光预处理界面周围，且会随着激光预处理部位的移动而变换位置，用于除去激光扫描树脂基复合材料过程中产生的杂质。
作为本发明的一个实施例，本发明提供的装置如图1所示，紫外激光器发出低能激光束，经过光束调制系统后形成高能整形激光束，以光纤耦合系统传输，通过紫外激光预处理终端扫描到树脂基复合材料的待处理表面，实现对树脂基复合材料表面的预处理；界面温度监测预警系统的感温端头设置于所述树脂基复合材料的待处理表面，在激光扫描过程中实时测量激光预处理界面温度，当温度达到设定阀值45℃时，预警系统发出预警，并将停止激光扫描的信号反馈给紫外激光器的参数控制部分，执行停止激光扫描的指令。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
启动设备系统：按照图1所示，设置紫外激光器、光束调制系统、光纤耦合系统、界面温度监测预警系统和树脂基复合材料；所述光纤耦合系统的输出端与树脂基复合材料的待处理表面相对设置；所述界面温度监测预警系统的感温端头设置于所述树脂基复合材料的待处理表面。打开紫外激光器，预热紫外激光器至计算机显示温度为10℃，开启除尘净化组件。
选择紫外脉冲激光参数：脉冲激光波长为355nm，重复频率为60kHz，激光脉宽为12ns，光束质量M2＝1.2，光束发散角2mrad，圆形光斑的圆度为90％，圆形光斑的直径为60μm。
选择脉冲激光扫描参数：扫描速度为150cm/s，扫描搭接率2％；平均输出功率为10W，所述界面温度监测预警系统在激光扫描过程中实时测量激光预处理界面温度，当温度达到设定阀值45℃时，预警系统发出预警，并将停止激光扫描的信号反馈给紫外激光器的参数控制部分，执行停止激光扫描的指令。
将紫外脉冲激光聚焦于碳纤维树脂基复合材料表面，以S型往复扫描一次，得到预处理的碳纤维树脂基复合材料表面。
实施例2
与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于将脉冲激光扫描的平均输出功率由“10W”调整为“13W”。
实施例3
与实施例1的方法基本相同，不同之处仅在于将脉冲激光扫描的平均输出功率由“10W”调整为“16W”。
测试例1
实施例1～3预处理的碳纤维树脂基复合材料表面的SEM图如图2所示，其中图2中的(a)为实施例1，图2中的(b)为实施例2，图2中的(c)为实施例3。
由图2可以看出，三种激光参数剥蚀加工后的区域切口整齐，没有发现明显的热影响区，随着紫外激光输出功率增加，表层树脂并没有发现明显的汽化现象，这是因为紫外激光的加工原理与红外激光加工有所不同，该过程热输入较低，被称之为“冷加工”，能够避免激光热作用对树脂基复合材料表面的劣化。
测试例2
实施例1紫外激光预处理的碳纤维树脂基复合材料的三维形貌图如图3所示。由图3可以看出，预处理的碳纤维树脂基复合材料的表面粗糙度Ra为2.7μm，具有较大粗糙度。采用本发明的预处理方法有利于预处理部位的修复(如胶接等和预装作业)。
测试例3
实施例1紫外激光预处理的碳纤维树脂基复合材料的扫描电镜图如图4所示。图4可以看出，采用本发明预处理后的碳纤维树脂基复合材料，表层的树脂全部去除，碳纤维整体暴露，但纤维保留完好，没有出现断裂、缺块等损伤情况，说明紫外激光预处理是一种无损的预处理方式。
本发明为大规模、高质量、精准可控的预处理树脂基复合材料表面提供了新方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种树脂基复合材料表面激光预处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
采用紫外激光对树脂基复合材料的表面进行激光扫描；
所述紫外激光的波长为355nm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述紫外激光为紫外脉冲激光。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述紫外脉冲激光的激光脉宽为10～20ns。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述紫外脉冲激光的重复频率为40～300kHz。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光扫描时紫外激光的光斑形状为方形或圆形。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述紫外激光的光斑形状为方形时，方形光斑的大小为3mm×3mm～6mm×6mm，扫描搭接率为1～3％；当所述紫外激光的光斑形状为圆形时，圆形光斑的直径为20～150μm，扫描搭接率为2～5％。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光扫描的扫描速度为600～3000mm/s，扫描路径为S型。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树脂基复合材料为有机聚合物为基体的纤维增强材料。
9.权利要求1～8任一项所述方法采用的装置，包括依次设置的紫外激光器、光束调制系统、光纤耦合系统和激光预处理载物台；使用时，所述激光预处理载物台上放置树脂基复合材料；所述光纤耦合系统的输出端与树脂基复合材料的待处理表面相对设置。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括界面温度监测预警系统；所述界面温度监测预警系统的感温端头设置于所述树脂基复合材料的待处理表面。
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