CN113977099A - 一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于纤维复合材料的超快激光铣方法：S1、在大于由与所述纤维复合材料相同的材料制成的试片的阈值饱和值(F_th)的范围内，选取激光的多个通量(F)，测出多个临界往复刻蚀次数(N_th)，得到临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式；S2、沿待加工结构轮廓控制线处进行冷刻蚀，低热积累式往复刻蚀次数(N1)不超过所述低热累积式往复刻蚀次数临界值(N_th1)；S3、进行预设待加工结构轮廓控制线以内的轨迹填充区域的热刻蚀加工，高热积累式往复刻蚀次数(N2)大于所述热临界往复刻蚀次数(N_th2)，本发明能够实现精密性和高效性超快激光铣加工，提供了量化指导，能够提高加工效果具有较高可重复性。

Description

一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法

技术领域

本发明涉及超快激光加工技术领域，尤其涉及一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法。

背景技术

以碳纤维和玻璃纤维等无机纤维、芳纶纤维和PBO等有机纤维为代表的纤维复合材料，以其轻质、高强、高模量等理化特性和材料组分可设计的优点，广泛应用于航空航天、武器装备等军用领域的力、热、电磁功能产品，并逐渐向高端汽车、轨道交通列车等民用领域渗透。在高端汽车、轨道交通列车等纤维复合材料产品存在局域损伤修复等需求，须从受损断面开始向材料深处去除一定深度；航天器产品上的纤维复合材料需要进行精密装调用的通孔加工和盲孔加工。可满足这些制造需求的一个共性工艺即为铣加工。铣加工通过控制刀具轨迹能产生多样、复杂的几何形状，满足制品多种加工需求。

纤维复合材料整体优良的力学性，外加其各向异性且非均质、层合的特性，在给其制品带来优良力学性能的同时，也对高性能铣加工带来了挑战。对于传统接触式铣加工，当逐层去除材料的走刀方式遇上纤维复合材料高强、高硬、层合的特点时，易产生刀具磨损、材料分层、纤维碎裂或拉丝等问题；对于传统热效应激光加工等特种加工，突出的热效应极易造成加工结构边缘热损伤的扩展，造成加工结构边缘毛糙、尺寸精度低，且难以控制加工结构的深度。飞秒激光、皮秒激光作为一种光场持续时间超短、瞬时强度超大的光源，可最大限度避免传统激光加工热损伤、具有极高的材料去除分辨率，能够实现铣深的精确控制。但对于纤维复合材料的超快激光铣，尤其是对于宏观加工结构，即尺寸不低于1mm量级的加工结构，现有技术中的激光铣方法存在严重的低效率问题。

按照传统加工方式，即通过相同参数加工出结构的加工界面和内部去除的轨迹填充区域，亦即通过光斑切光斑或光斑叠光斑的方法，遍历所有需去除的材料部分，显然，这样需要较多的加工时间。若采用传统加工方法，即不利用高频道次导致的热积累引起的复合材料基体解体及汽化作用高效去除内部区域，为了填充10mm×10mm的区域，设置激光的扫描速度v＝20m/s、脉冲重复频率f＝1.0MHz、入射峰值通量为10.0J/cm²、光斑直径D＝25.0μm，那么设置填充轨迹间距一般至少应在L_max＝d＝25.0μm，即平行轨迹间距等于光斑直径——此种“光斑切光斑”的情况在实际工艺中一般是在极端情况才这么进行，一般都需要小间距。在传统的超快激光加工中至少需要399条填充线才能去除10mm×10mm的方孔内部区域。

一方面，激光刀的尺寸在

的量级，激光刀尺寸大大地小于加工结构的尺寸，导致需多层、多道次去除材料才能形成宏观加工结构，这也是包含传统激光在内的几乎所有激光铣都存在的共性不足；另一方面，现有技术中，使用超快激光铣时，通过相同参数刻蚀出加工结构的界面，例如孔壁，和轨迹填充部分，例如孔洞区域，需要通过光斑切光斑或光斑叠光斑的方法遍历所有需去除的材料部分。当使用激光铣时，由于宏观加工结构一般通过扫描振镜往复刻蚀实现，其不当参数极易造成热积累，从而导致加工界面出现毛刺，降低了加工精度。

发明内容

针对现在有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于纤维复合材料的高效率去除的，且能够保证铣削结构轮廓面具有精密与低损伤特性的方法。

本发明的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，包括以下步骤：

S1、在大于由与所述纤维复合材料相同的材料制成的试片的阈值饱和值的范围内，选取激光的多个通量，测出所述试片的多个临界往复刻蚀次数，得到临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式；

S2、从多个通量中选取一个作为低热累积式往复刻蚀所用通量，根据临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式，得到与低热累积式往复刻蚀所用通量相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值，沿预设待加工结构轮廓控制线处进行冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀次数不超过所述低热累积式往复刻蚀次数临界值；

S3、从多个通量中选取一个作为高热累积式往复刻蚀所用通量，根据临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式，得到与高热累积式往复刻蚀所用通量相对应的热临界往复刻蚀次数，进行预设待加工结构轮廓控制线以内的轨迹填充区域的热刻蚀加工，其中，高热积累式往复刻蚀次数大于所述热临界往复刻蚀次数，所述高热累积式往复刻蚀所用通量大于或等于所述低热累积式往复刻蚀所用通量。

本发明利用纤维复合材料特有的理化特性和超快激光加工热损伤大范围可调可控且存在临界拐点的特点，提供了将所述纤维复合材料的加工结构的不同区域材料分类去除、从而实现兼顾精密与高效性的超快激光铣方法。

具体地，超快激光加工一般被称为“冷”加工，但这一“冷”加工的前提是没有热积累效应对抗：如果有脉冲间的热累积,例如高频次脉冲作用，则因脉冲宽度极窄带来的“冷”加工效应将被脉冲间的热累积所抵消或覆盖，整体可表现为明显的热损伤—换言之超快激光加工可“冷”可“热”。一方面，当激光脉冲宽度达到皮秒或飞秒量级，可以在很大程度上避免对分子热运动的影响，产生更少的热影响。此时若无脉冲间的热累积效应干扰和抵消，那么，就能保持超快激光加工“冷”加工的优势，从而能够得到具有高平滑度的加工界面。另一方面，将超快激光的加工参数设置到较高的往复脉冲重复频率和较高的入射脉冲通量极易造成热积累，而在所述纤维复合材料具有特殊的组织结构及理化性的基础上，本发明的构思中，巧妙地利用了热累积效应对结构填充区域进行高效率的去除加工,同时采用避免热累积效应的参数在结构的轮廓处铣削。

根据本发明的一个方面，

在步骤S1中，所述阈值饱和值通过测量得到，所述阈值饱和值是所述试片的去除阈值的饱和值，相邻两个通量之间的差值至少为2倍的阈值饱和值，以每个选取的通量值为设置参数时为一组，以初始往复刻蚀频率,在试片上进行多组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片的被刻蚀区域的形貌，确定并记录每组中刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数，得到临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式；

在步骤S2中，将纤维复合材料的待加工界面放在焦点位置处，低热累积式往复刻蚀所用通量设定为步骤S1中的多个通量中的任一个，根据临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式得到与低热累积式往复刻蚀所用通量相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值，按小于所述步骤S1中的初始往复刻蚀频率的低热累积式往复刻蚀频率，沿预设待加工结构的轮廓控制线进行冷刻蚀；

在步骤S3中，将所述纤维复合材料的轨迹填充区域放在焦点位置处，设置纤维复合材料的轨迹填充区域的轨迹填充轨迹的形状、相邻轨迹填充线的距离和每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数,其中,高热累积式往复刻蚀频率≥初始往复刻蚀频率，以所述高热累积式往复刻蚀所用通量对轨迹填充区域进行热刻蚀加工。

激光加工系统的可使用每一个通量都有一个对应的临界往复刻蚀次数。在大于阈值饱和值的范围内选取多个通量，保证了在本发明中，每个选出的通量都具有能够去除所述纤维复合材料的能量。在此基础上，以固定的初始往复刻蚀频率和选定的某个通量加工多个所述试片，通过显微镜观察到出现热损伤层时的临界往复刻蚀次数既是在这个通量的激光加工所述纤维复合材料出现热损伤的最小次数，也是以这个通量的激光加工所述纤维复合材料时的所述冷刻蚀和所述热刻蚀的分界次数。在冷刻蚀加工过程中，设定低热累积式往复刻蚀频率小于所述步骤S1中的初始往复刻蚀频率，保证了冷刻蚀加工中不会出现热损伤层。在热刻蚀加工过程中，设定低热累积式往复刻蚀频率大于等于所述步骤S1中的初始往复刻蚀频率，保证了冷刻蚀加工中会出现热损伤层。

根据本发明的一个方面，

在所述步骤S1中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在所述步骤S1中，设定激光束的固定的扫描速度，固定的脉冲重复频率、固定的初始聚焦光斑直径的初始聚焦光斑、初始聚焦光斑的重叠率，按固定的初始往复刻蚀频率，选取4-7个通量，以每个选取的通量为设置条件时为一组，在每组中所述往复刻蚀次数逐次增加，在试片上进行4-7组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片在步骤S2中被刻蚀区域的每组、每次的刻蚀槽，确定并记录刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数，确定每组中满足往复刻蚀次数＞临界往复刻蚀次数的热损伤层刻蚀槽，从而得到临界往复刻蚀次数与通量有序数对，拟合确定临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式中的比例系数,得到临界往复刻蚀次数与通量的函数关系式。

根据本发明的一个方面，

在所述步骤S2中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在所述步骤S2中，设定与步骤S1中的相同的扫描速度，脉冲重复频率、初始聚焦光斑的直径，按小于步骤S1中的初始往复刻蚀频率的低热累积式往复刻蚀频率沿所述纤维复合材料的轮廓进行冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀深度由低热累积式往复刻蚀所用通量和低热积累式往复刻蚀次数确定。

根据本发明的一个方面，

在所述步骤S3中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在所述步骤S3中，设定与步骤S1中的相同的脉冲重复频率,设置纤维复合材料的轨迹填充区域的轨迹填充轨迹的形状和相邻轨迹填充线的距离、每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数、高热累积式往复刻蚀频率，参考热损伤层刻蚀深度典型值的数值，设置聚焦光斑的直径为热聚焦光斑直径，所述热聚焦光斑直径≥初始聚焦光斑直径，对轨迹填充区域热刻蚀；高热积累式往复刻蚀深度由高热累积式往复刻蚀所用通量和高热积累式往复刻蚀次数确定，所述高热积累式往复刻蚀深度等于所述低热积累式往复刻蚀深度。

根据本发明的一个方面，

当所述高热积累式往复刻蚀深度小于总铣深度时，重复所述步骤S2和所述步骤S3，直至所述低热积累式往复刻蚀深度或所述高热积累式往复刻蚀深度等于总铣深度。

在实际加工过程中，一方面，为了保证高热低热积累式刻蚀区域，亦即预设待加工结构的轮廓控制线以内填充区域，的热量不因越过轮廓控制线而热损伤预设加工结构的壁面，需要结构轮廓控制线处的已有累积刻蚀深度，始终约等于或略大于轮廓控制线以内的累积刻蚀深度；另一方面，由于在相等或相当的能量通量和往复刻蚀频率下，实现高热积累式刻蚀所需的往复刻蚀次数大于低热积累式刻蚀所需的往复刻蚀次数，故综合两方面看，采用“多轮的轮廓控制线处的冷刻蚀”-“一轮的轮廓控制线以内填充区域的热刻蚀”-“多轮的轮廓控制线处的冷刻蚀”的交替方式，变的必要，直到所述低热积累式往复刻蚀深度和所述高热积累式往复刻蚀深度等于总铣深度。相邻两轮的冷刻蚀通过引入0.3s-10s的停顿而保障。

根据本发明的一个方面，

在所述步骤S1中，测出所述阈值饱和值后，记录各刻蚀槽的边缘的热损伤层厚的热损伤层厚典型值、热损伤层刻蚀深度典型值，从而得到多组热损伤层厚典型值和热损伤层刻蚀深度典型值的有序数对；

在所述步骤S1中，所述通量F的取值范围为F＝(2-100)F_th；

所述步骤S1中，初始光斑重叠率的取值区间[o1,o2]＝[20％，80％]，其中，光斑重叠率O按照下式计算：

O＝1-v/df

式中，v为激光束的扫描速度，d为试片用初始聚焦光斑直径，f为脉冲重复频率。

在所述步骤S1中，初始往复刻蚀频率的取值范围为：100Hz≤R0≤1000Hz；

往复刻蚀次数的取值范围为[5，1000]中的若干个不同的正整数，数量≥5个，在每组中，当往复刻蚀次数由小变大时，通过以相邻的两个往复刻蚀次数刻蚀加工得到的所述热损伤层厚的数值增加至少3倍。

根据本发明的一个方面，

在所述步骤S1中，临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式为：

N_th＝k×v/F²,

式中，v为激光束的扫描速度，F为入射脉冲的能量的通量，k为与试片相关的比例系数。

根据本发明的一个方面，

在所述步骤S3中，高热积累式往复刻蚀次数取为所述步骤S1中的临界往复刻蚀次数与系数乘积后的取整值，且系数的取值范围为1.3-10；

相邻两条轨迹填充线的距离L_max＝tt×D/d，

其中，tt为所述热损伤层厚典型值，且D≥d，其中D为热聚焦光斑直径，d为初始聚焦光斑直径。

在本发明中，对于加工结构控制边界以内部分，即轨迹填充区域，本发明提供的方法具有高效性源于以下因素：在本发明中提出的采用更大间距的轨迹：因填充线间的大距离导致的相邻轨迹间光斑无法交叠的不利效应，可被高频扫描次数导致的热积累引起的纤维复合材料的基体汽化及解体作用所填补，即通过解体及汽化的基体组分在纤维材料内部的轨迹填充区域产生的膨胀作用，将已变得酥松的材料被汽化的基体吹弹出去——这是纤维复合材料特殊的组织结构及其理化性给本发明提供的一个契机。此外，填充线间合理的大距离直接缩短了遍历待加工区域所需的铣削轨迹总长度，从而有效节省了加工时间，大大地提高了激光铣的效率。

根据本发明的一个方面，

所述纤维复合材料中的基体材料为室温热导率≤1.5W/mK的材料；

在所述步骤S2和S3中，在加工过程中，被加工区域设置旁轴倾斜吹气辅助装置，旁轴倾斜吹气辅助装置的空气气压为0.2Mpa-0.6Mpa。

加工过程旁轴倾斜吹气通过机械作用辅助微细区块的吹除，此方式能发挥作用，完全得益于高频扫描次数导致的热积累引起的纤维复合材料的基体汽化及解体作用所带来的所述纤维复合材料材料酥松化。旁轴倾斜吹气有益于加工过程中的排屑。

本发明具有如下的有益效果：本发明提出的方法是在超快激光加工精密性的同时实现的高效加工的用于纤维复合材料的超快激光铣方法。

本发明提供的用于纤维复合材料超快激光铣方法，是通过控制光斑重叠率和往复刻蚀频率、并充分利用纤维复合材料特有的各向异性非均质特点且材料基体组分熔沸点远低于所述纤维组分等特点实现的加工方法。在光斑重叠率和往复道次频率均较低时，由于激光脉冲间的热积累效应很弱，可充分保留超快激光“冷”加工的优势，反之则覆盖了其“冷”加工的优势而产生明显的热积累效应，在轨迹填充区域利用所述热累积效应提高加工效率。因此，既可利用“冷”加工特性对待加工结构的加工界面进行精密切沟，又可以利用热累积效应快速铣除轨迹填充区域。

首先刻蚀预设待加工结构的轮廓控制线，一方面，针对加工界面，精密冷刻蚀既能保证加工出的加工结构的轮廓的精确，又能阻隔轮廓以内在铣除的过程中积累的热传导至加工界面。另一方面，针对内部待去除的轨迹填充部分，由于所述纤维复合材料种类具有各向异性，垂直于纤维方向的复合材料整体热导率远低于平行方向的热导率，不同的热导率既能充分保证在平行于纤维方向热积累产生的热效应充分扩散、从而加速材料去除，又能在铣削深度方向既在垂直于纤维方向最大限度的阻隔热积累传导至所述纤维复合材料的深处的不需加工的区域。

本发明提供的用于纤维复合材料超快激光铣方法，是充分利用超快激光加工纤维复合材料热损伤程度大范围可调可控特点、纤维复合材料基体汽化产生的内生吹膨效应，合理实现的差异化对待加工结构加工面和内部去除的轨迹填充区域的部分的方法。对于待加工结构控制边界以内部分，本发明提供的方法具有高效性，在本发明中，对于加工结构控制边界以内部分，即轨迹填充区域，本发明提供的方法具有高效性，源于以下因素：第一，在本发明中提出的采用更大间距的轨迹。大间距轨迹导致的相邻轨迹间光斑无法交叠的不利效应，可被高频扫描次数导致的热积累引起的纤维复合材料的基体汽化及解体作用所填补，即通过解体及汽化的基体组分在纤维材料内部的轨迹填充区域产生的膨胀作用，将已变得酥松的材料被汽化的基体吹弹出去——这是纤维复合材料特殊的组织结构及其理化性给本发明提供的一个契机。第二，大间距轨迹导致的相邻轨迹直接缩短了遍历待加工区域所需的铣削轨迹总长度，从而有效节省了加工时间，大大地提高了激光铣的效率。

加工过程旁轴倾斜吹气通过机械作用辅助微细区块的吹除，此方式能发挥作用完全得益于高频扫描次数导致的热积累引起的纤维复合材料的基体汽化及解体作用所带来的所述纤维复合材料材料酥松化。旁轴倾斜吹气有益于加工过程中的排屑。

因此，本发明提出的方法是在保持冷加工加工精密性的前提下实现的高效的加工方法。

本发明提供的用于纤维复合材料超快激光铣方法，是利用超快激光加工纤维复合材料的量化的、高可靠性的方法。光斑的重叠率、往复刻蚀道次频率两个因素，均能调控刻蚀结构边缘热损伤程度，当二者取值均较大时，出于相同的物理原理，即热积累效应，它们均能引起明显的热损伤。在本发明的构思中，量化二者的综合等效作用，以指导加工过程中的加工界面的精密切沟和对边界内的轨迹填充区域热积累效应产生的高效激光铣加工。通过对所述试片加工拟合得出的临界往复刻蚀次数的表达式，具有计算量小、精度高，足以指导超快激光光束的参数选择的特点，为差异化对加工结构的加工界面和轨迹填充区域、从而实现兼顾精密性和高效性，提供了量化指导，能够提高加工效果具有较高的可重复性。

附图说明

图1是本发明的用于纤维复合材料的超快激光铣方法的一个实施例的流程图；

图2是本发明的用于纤维复合材料的超快激光铣方法的另一个实施例临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

根据图1所示，本发明的用于纤维复合材料的超快激光铣方法的一个实施例，包括以下步骤：

S1、在大于由与纤维复合材料相同的材料制成的试片的阈值饱和值F_th的范围内，选取激光的多个通量F，测出试片的多个临界往复刻蚀次数N_th，得到临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式；

S2、从多个通量F中选取一个作为低热累积式往复刻蚀所用通量F1，根据临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式，得到与低热累积式往复刻蚀所用通量F1相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值N_th1，沿预设待加工结构轮廓控制线处进行冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀次数N1不超过低热累积式往复刻蚀次数临界值N_th1；

S3、从多个通量F中选取一个作为高热累积式往复刻蚀所用通量F2，根据临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式，得到与高热累积式往复刻蚀所用通量F2相对应的热临界往复刻蚀次数N_th2，进行预设待加工结构轮廓控制线以内的轨迹填充区域的热刻蚀加工，其中，高热积累式往复刻蚀次数N2大于热临界往复刻蚀次数N_th2，高热累积式往复刻蚀所用通量F2大于或等于低热累积式往复刻蚀所用通量F1。

根据图2所示，本发明的用于纤维复合材料的超快激光铣方法的另一个实施例，包括以上步骤S1、步骤S2和步骤S3,包括以下步骤：

在该实施例中，利用纤维复合材料特有的理化特性和超快激光加工热损伤大范围可调可控且存在临界拐点的特点，提供了将纤维复合材料的加工结构的不同区域材料分类去除、从而实现兼顾精密与高效性的超快激光铣方法。

具体地，超快激光加工一般被称为“冷”加工，但这一“冷”加工的前提是没有热积累效应对抗：如果有脉冲间的热累积,例如高频次脉冲作用，则因脉冲宽度极窄带来的“冷”加工效应将被脉冲间的热累积所抵消或覆盖，整体可表现为明显的热损伤—换言之超快激光加工可“冷”可“热”。一方面，当激光脉冲宽度达到皮秒或飞秒量级，可以在很大程度上避免对分子热运动的影响，产生更少的热影响。此时若无脉冲间的热累积效应干扰和抵消，那么，就能保持超快激光加工“冷”加工的优势，从而能够得到具有高平滑度的加工界面。另一方面，将超快激光的加工参数设置到较高的往复脉冲重复频率和较高的入射脉冲通量极易造成热积累，而在纤维复合材料具有特殊的组织结构及理化性的基础上，本实施例中，巧妙地利用了热累积效应对结构填充区域进行高效率的去除加工，同时采用避免热累积效应的参数在结构的轮廓处铣削。

在本实施例中，

在步骤S1中，阈值饱和值F_th通过测量得到，阈值饱和值F_th是去除阈值的饱和值，相邻两个通量F之间的差值至少为10J/cm²，以每个选取的通量F值为设置参数时为一组，以初始往复刻蚀频率R0,在试片上进行多组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片的被刻蚀区域的形貌，确定并记录每组中刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数N_th，得到临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式；

在步骤S2中，将纤维复合材料的待加工界面放在焦点位置处，低热累积式往复刻蚀所用通量F1设定为步骤S1中的多个通量F中的任一个，根据临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式，得到与低热累积式往复刻蚀所用通量F1相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值N_th1，按小于步骤S1中的初始往复刻蚀频率R0的低热累积式往复刻蚀频率R1，沿预设待加工结构的轮廓控制线进行冷刻蚀；

在步骤S3中，将纤维复合材料的轨迹填充区域放在焦点位置处，设置纤维复合材料的轨迹填充区域的轨迹填充轨迹的形状、相邻轨迹填充线的距离L_max和每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数N2,其中,高热累积式往复刻蚀频率R2≥初始往复刻蚀频率R0，以高热累积式往复刻蚀所用通量F2对轨迹填充区域进行热刻蚀加工。

激光加工系统的可使用每一个通量F都有一个对应的临界往复刻蚀次数N_th。在大于阈值饱和值F_th的范围内选取多个通量F，保证了在本实施例中，每个选出的通量F都具有能够去除纤维复合材料的能量。在此基础上，以固定的初始往复刻蚀频率R0和选定的某个通量F加工多个试片，通过显微镜观察到出现热损伤层厚激增的临界往复刻蚀次数N_th，既是在这个通量F下因热积累效应开始出现明显热损伤的最小次数，也是以这个通量F下冷刻蚀和热刻蚀的大致分界次数。在冷刻蚀加工过程中，设定低热累积式往复刻蚀频率R1小于步骤S1中的初始往复刻蚀频率R0且每一轮的往复刻蚀次数不大于分界次数，保证了冷刻蚀加工中不会出现明显的热损伤层。在热刻蚀加工过程中，设定低热累积式往复刻蚀频率R1大于等于步骤S1中的初始往复刻蚀频率R0且往复刻蚀次数且每一轮的往复刻蚀次数大于分界次数，保证了热刻蚀加工中刻意的热损伤层的充分发展。

在本实施例中，

在步骤S1中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在步骤S1中，设定激光束的固定的扫描速度v，固定的脉冲重复频率f、固定的初始聚焦光斑直径d的初始聚焦光斑、初始聚焦光斑的重叠率O，按固定的初始往复刻蚀频率R0，选取4-7个通量F，以每个选取的通量F为设置条件时为一组，在每组中往复刻蚀次数N逐次增加，在试片上进行4-7组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片在步骤S2中被刻蚀区域的每组、每次的刻蚀槽，确定并记录刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数N_th，确定每组中满足往复刻蚀次数N＞临界往复刻蚀次数N_th的热损伤层刻蚀槽，从而得到临界往复刻蚀次数N_th与通量F的映射关系，拟合确定临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式中的未知系数k,得到临界往复刻蚀次数N_th与通量F的可量化计算的函数关系式。

在本实施例中，

在步骤S2中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在步骤S2中，设定与步骤S1中的相同的扫描速度v，脉冲重复频率f、初始聚焦光斑的直径d，按小于步骤S1中的初始往复刻蚀频率R的低热累积式往复刻蚀频率R1沿预设待加工结构轮廓控制线处进行冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀深度由低热累积式往复刻蚀所用通量F1和低热积累式往复刻蚀次数N1确定。

在本实施例中，

在步骤S3中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在步骤S3中，设定与步骤S1中的相同的脉冲重复频率f,设置预设待加工结构轮廓控制线以内的轨迹填充区域的填充轨迹的形状、相邻轨迹填充线的距离L_max、每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数N2、高热累积式往复刻蚀频率R2，参考热损伤层刻蚀深度典型值dd的数值，设置聚焦光斑的直径为热聚焦光斑直径D，热聚焦光斑直径D≥初始聚焦光斑直径d，对轨迹填充区域热刻蚀；高热积累式往复刻蚀深度由高热累积式往复刻蚀所用通量F2和高热积累式往复刻蚀次数N2确定，高热积累式往复刻蚀深度等于低热积累式往复刻蚀深度。

在本实施例中，

在步骤S1中，测出阈值饱和值F_th后，记录各刻蚀槽的边缘的热损伤层厚的热损伤层厚典型值tt、热损伤层刻蚀深度典型值dd，从而得到多组热损伤层厚典型值tt和热损伤层刻蚀深度典型值dd的有序数对；

在步骤S1中，通量F的取值范围为F＝(2-100)F_th；

步骤S1中，初始光斑重叠率O的取值区间[o1,o2]＝[20％，80％]，其中，光斑重叠率O按照下式计算：

O＝1-v/df

式中，v为激光束的扫描速度，d为试片用初始聚焦光斑直径，f为脉冲重复频率。

在步骤S1中，初始往复刻蚀频率R0的取值范围为：100Hz≤R0≤1000Hz；

往复刻蚀次数N的取值范围为[5，1000]中的若干个不同的正整数，数量≥5个，在每组中，当往复刻蚀次数N由小变大时，通过以相邻的两个往复刻蚀次数N刻蚀加工得到的热损伤层厚的数值增加至少3倍。

在本实施例中，

在步骤S1中，临界往复刻蚀次数N_th与通量F的函数关系式为：

N_th＝k×v/F²,

式中，v为激光束的扫描速度，F为入射脉冲的能量的通量，k为与试片材料种类相关的比例系数。

在本实施例中，

在步骤S3中，高热积累式往复刻蚀次数N2取为步骤S1中的临界往复刻蚀次数N_th与系数r乘积后的取整值，且系数r的取值范围为1.3-10；

相邻两条轨迹填充线的距离L_max＝tt×D/d，

其中，tt为热损伤层厚典型值，且D≥d，其中D为热聚焦光斑直径，d为初始聚焦光斑直径。

在本实施例中，对于加工结构控制边界以内部分，即轨迹填充区域，本实施例提供的方法具有高效性，源于以下因素：第一，在本实施例中提出的采用更大间距的轨迹：大间距轨迹导致的相邻轨迹间光斑无法交叠的不利效应，可被高频扫描次数导致的热积累引起的纤维复合材料的基体汽化及解体作用所填补，即通过解体及汽化的基体组分在纤维材料内部的轨迹填充区域产生的膨胀作用，将已变得酥松的材料被汽化的基体吹弹出去—这是纤维复合材料特殊的组织结构及其理化性给本实施例提供的一个契机。第二，大间距轨迹导致的相邻轨迹直接缩短了遍历待加工区域所需的铣削轨迹总长度，从而有效节省了加工时间，大大地提高了激光铣的效率。

在本实施例中，

纤维复合材料中的基体材料为室温热导率≤1.5W/mK的材料；

在步骤S2和S3中，在加工过程中，被加工区域设置旁轴倾斜吹气辅助装置，旁轴倾斜吹气辅助装置的空气气压为0.2Mpa-0.6Mpa，气流量为30L/min-60L/min。

加工过程旁轴倾斜吹气通过机械作用辅助微细区块的吹除，此方式能发挥作用完全得益于高频扫描次数导致的热积累引起的纤维复合材料的基体汽化及解体作用所带来的纤维复合材料材料酥松化。旁轴倾斜吹气有益于加工过程中的排屑。

在本实施例中，

当高热积累式往复刻蚀深度小于预设的总铣深度时，重复步骤S2和步骤S3，直至低热积累式往复刻蚀深度或高热积累式往复刻蚀深度等于总铣深度。

在实际加工过程中，一方面，为了保证高热低热积累式刻蚀区域，亦即预设待加工结构的轮廓控制线以内填充区域，的热量不因越过轮廓控制线而热损伤预设加工结构的壁面，需要结构轮廓控制线处的已有累积刻蚀深度，始终约等于或略大于轮廓控制线以内的累积刻蚀深度；另一方面，由于在相等或相当的能量通量和往复刻蚀频率下，实现高热积累式刻蚀所需的往复刻蚀次数大于低热积累式刻蚀所需的往复刻蚀次数，故综合两方面看，采用“多轮的轮廓控制线处的冷刻蚀”-“一轮的轮廓控制线以内填充区域的热刻蚀”-“多轮的轮廓控制线处的冷刻蚀”的交替方式，变的必要，直到低热积累式往复刻蚀深度和高热积累式往复刻蚀深度等于总铣深度。相邻两轮的冷刻蚀通过引入0.3s-10s的停顿而保障。

本实施例提供的纤维复合材料超快激光铣方法，是通过综合控制光斑重叠率、往复刻蚀频率、往复刻蚀次数，并充分利用纤维复合材料特有的各向异性非均质特点、材料基体组分熔沸点远低于纤维组分等特点实现的加工方法。在光斑重叠率和往复频率均较低时，由于激光脉冲间的热积累效应很弱，可充分保留超快激光“冷”加工的优势，反之则覆盖了其“冷”加工的优势而产生明显的热积累效应，在轨迹填充区域利用热累积效应提高加工效率。因此，既可利用“冷”加工特性对预设结构的轮廓控制线进行精密切沟，又可以利用热累积效应快速铣除轮廓控制线以内的轨迹填充区域。

首先刻蚀预设待加工结构轮廓控制线，一方面，针对轮廓控制线，精密冷刻蚀既能保证加工出的加工结构的轮廓的精确，又能阻隔轮廓控制线以内在铣除的过程中积累的热传导至加工界面。另一方面，针对轮廓控制线以内待去除的轨迹填充部分，由于纤维复合材料种类具有各向异性，垂直于纤维方向的复合材料整体热导率远低于平行方向的热导率，不同的热导率既能充分保证在平行于纤维方向热积累产生的热效应充分扩散、从而加速材料去除，又能在铣削深度方向最大限度的阻隔热积累传导至纤维复合材料的深处的不需加工的区域。

本实施例提供的纤维复合材料超快激光铣方法，是充分利用超快激光加工纤维复合材料热损伤程度大范围可调可控特点、纤维复合材料基体汽化产生的内生吹膨效应，合理实现的差异化对待轮廓控制线和轮廓控制线以内轨迹填充区域即待去除区域材料的方法。因此，本实施例提出的方法是在保持精密性的前提下实现的材料高效去除的方法。

本实施例提供的纤维复合材料超快激光铣方法，是利用超快激光加工纤维复合材料的量化的、高可靠性的方法。光斑的重叠率、往复刻蚀次数两个因素，均能调控刻蚀结构边缘热损伤程度，当二者取值均较大时，出于相同的物理原理，即热积累效应，它们均能引起明显的热损伤。在本实施例的构思中，通过量化二者的综合等效作用，指导了加工过程中的结构轮廓控制线处的精密切沟和轮廓控制线以内的轨迹填充区域在热积累效应下的高效铣除。通过对试片加工拟合得出的临界往复刻蚀次数的表达式，具有计算量小、精度高，足以指导超快激光光束的参数选择的特点，为差异化对预设结构的轮廓控制线和轮廓控制线以内的轨迹填充区域、从而实现兼顾精密性和高效性，提供了量化指导，能够提高加工效果，具有较高的可重复性。

根据本发明的另一个实施例的用于纤维复合材料超快激光铣方法，具体步骤如下，纤维复合材料是航天器用某高模量碳纤维增强的某牌号树脂。

S1：选取与纤维复合材料相同的试片，考虑远程激光扫描式的脉冲激光,以波长1064nm、脉宽10ps的激光加工方式，记录在显微观测加工形貌且找出刚好可以加工出微坑时所对应的通量，测得某高模量碳纤维增强的某牌号树脂的试片的多脉冲去除阈值的阈值饱和值F_th的数量级为1.0J/cm²；

调整激光束的扫描速度v＝10m/s，以使得初始聚焦光斑直径d＝25.0μm、脉冲重复频率固定为f＝1.0MHz时光斑重叠率O＝60％；在大于1.0J/cm²的范围内，考虑6个取值具有明显区分度的通量F，即10.0、20.0、30.0、50.0、80.0、100.0J/cm²；针对某一通量F，按初始往复刻蚀频率R0＝200Hz，在试片上不同部位分别进行往复刻蚀次数N由小到大的往复刻蚀，其中往复刻蚀次数N的取值如下，N＝5，15，50，50，100，200，500，800…；以每个选取的通量F值为设置参数时为一组，以初始往复刻蚀频率R0＝200Hz,在试片上进行多组、每组逐渐增加的往复刻蚀次数N的往复刻蚀；

使用显微设备观测试片被辐照区域形貌；针对在某一入射通量F下往复刻蚀次数N由小到大的所有刻蚀槽，找出刻蚀槽边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数N_th，针对所有满足往复刻蚀次数N＞临界往复刻蚀次数N_th条件的刻蚀槽，记录其各自边缘的热损伤层厚典型值tt、刻蚀深度典型值dd，从而得到热损伤层厚典型值tt和刻蚀深度典型值dd有序数对；重复上述步骤，从而得到的临界往复刻蚀次数N_th与相对应的通量F的有序数对；

拟合确定临界往复刻蚀次数N_th与相对应的通量F的函数关系式中的比例系数k,如图2所示，得到可量化的函数关系式：N_th＝k×v/F²，其中k≈8.0×107J·s/m³；

S2：在被加工区域旁轴倾斜吹气辅助的情况下，将纤维复合材料的加工界面放在焦点位置处，使用低热累积式往复刻蚀所用通量F1＝10.0J/cm²、与步骤S1中的相同的d、f和v、低热累积式往复刻蚀频率R1不超过步骤S1中R0的参数，R1≤200Hz，沿预设待加工结构的轮廓，即为10mm×10mm的正方形的轮廓，进行≥1轮的冷刻蚀，两轮之间的停顿为0.3s-10s，其中每一轮低热积累式往复刻蚀次数N1不超过800次，因为N_th＝k×v/F²＝(8.0×107J·s/m³)×(10m/s)/(10.0J/cm²)²＝800次，并根据预设的总铣深度确定需要的轮次，这里考虑往复刻蚀100次/轮，共刻蚀15轮，产生约1500μm的深度；

S3：通过扫描振镜的激光加工系统的控制系统，设置轨迹填充区域的填充轨迹形状，即10mm×10mm的正方形区域，相邻填充线的最大距离L_max、每条填充线上高热积累式往复刻蚀次数N2。具体地，参考步骤S1中的边缘的热损伤层厚值tt数据，设置填充轨迹为间距L_max＝0.5mm的19条平行线，其外包络即10mm×10mm的正方形域；设置扫描速度v＝20m/s、脉冲重复频率f＝1.0MHz、高热累积式往复刻蚀所用通量F2＝10.0J/cm²、通过错焦膨大调整加工光斑直径为热聚焦光斑直径D＝50.0μm，并参考步骤S1中的dd数据，依次沿着第1条平行线往复扫描高热积累式往复刻蚀次数N2≈1400次，然后沿着第2条往复扫描高热积累式往复刻蚀次数N2≈1400次，以此类推，直到完成沿着第19条平行线的往复扫描，最终产生了和步骤S2中的低热积累式往复刻蚀深度几乎相等的高热积累式往复刻蚀深度。

由于预设待加工结构的总铣深度为1500.0μm，且由于步骤S3产生了和步骤S2中几乎相等的加工深度，故该预设待加工结构的铣削已完成。

下面结合具体另一个实施例进行进一步说明：

在本实施例中，纤维复合材料为厚度2.0mm的航天器用某高模量碳纤维增强的某牌号树脂复合多向板，其中所用碳纤维的沿纤维热导率在100-150W/mK之间，而垂直于纤维方向仅为10W/mK以下的量级、树脂热导率＜1W/mK，所用碳纤维汽化点在4000K以上而所用树脂的仅为几百K。这使得二者结合形成的复合材料多向板沿厚度方向平均热导率仅有10W/mK以下的量级，而材料内部，例如其复合材料单向板单元的热导率至少在50W/mK。碳纤维增强树脂复合多向板的各向异性非均质的特性，以及纤维和树脂迥异的理化特性，为采用本实施例的方法对航天器用某高模量碳纤维增强的某牌号树脂复合多向板提供了便利。加工结构为10mm×10mm×1.5mm的方形盲孔。

在本实施例中采用直径膨大约1倍的热聚焦光斑直径的光斑，这就为增大扫描速度，即由刻蚀边界时采用的v＝10m/s加速至v＝20m/s且提高往复刻蚀频率1倍创造了便利，从而也就为加重高频道次导致的热累积效应，创造了条件，从而提高了材料去除的效率。在热刻蚀加工中的扫描速度的增大不会降低光斑重叠率，因为在本实施例中，热聚焦光斑与冷聚焦光斑相比也膨大了一倍，退一步讲，即使在本实施例中步骤S3中不膨大光斑，而是采用与冷刻蚀加工时相同的光斑尺寸、扫描速度和填充轨迹间距L_max＝0.25mm也仅需要填充39条填充线，这约为传统方法需要的399条填充线数量的1/10。而且，在本实施例中采用的低填充密度的填充线导致的相邻填充线间光斑无法交叠的不利效应，可被高频道次导致的热积累引起的复合材料基体解体及汽化作用所填补，这使得在不降低扫描速度的前提下，可以成倍地降低扫描路径总长度，也就极大地减小了材料铣除所需要的时间。同时，在本实施例步骤S2中的预设待加工结构的轮廓控制线处的精密刻蚀作业，既能保证最终加工结构的轮廓的精确，又能阻隔轮廓以内的轨迹填充区域在铣除的过程中的热积累传导至预设待加工结构的轮廓控制线以外，且所用某高模量碳纤维增强的某牌号树脂复合多向板在铣削深度方向的低热导率特性最大限度地阻隔热损伤传导至深处。因此，本实施例的超快激光铣方法是用于纤维复合材料的精密且高效的加工方法。

上述内容仅为本发明的具体实施方式的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在大于由与所述纤维复合材料相同的材料制成的试片的阈值饱和值(F_th)的范围内，选取激光的多个通量(F)，测出所述试片的多个临界往复刻蚀次数(N_th)，得到临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式；

S2、从多个通量(F)中选取一个作为低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)，根据临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式，得到与低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值(N_th1)，进行预设待加工结构轮廓控制线处的冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀次数(N1)不超过所述低热累积式往复刻蚀次数临界值(N_th1)；

S3、从多个通量(F)中选取一个作为高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)，根据临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式，得到与高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)相对应的热临界往复刻蚀次数(N_th2)，进行预设待加工结构轮廓控制线以内的轨迹填充区域的热刻蚀加工，其中，高热积累式往复刻蚀次数(N2)大于所述热临界往复刻蚀次数(N_th2)，所述高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)大于或等于所述低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)。

2.根据权利要求1所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，

在步骤S1中，所述阈值饱和值(F_th)通过测量得到，所述阈值饱和值(F_th)是去除阈值的饱和值，相邻两个通量(F)之间的差值至少为2倍的阈值饱和值(F_th)，以每个选取的通量(F)值为设置参数时为一组，以初始往复刻蚀频率(R0),在试片上进行多组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片的被刻蚀区域的形貌，确定并记录每组中刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数(N_th)，得到临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式；

在步骤S2中，将纤维复合材料的待加工界面放在焦点位置处，低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)设定为步骤S1中的多个通量(F)中的任一个，根据临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式得到与低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)相对应的低热累积式往复刻蚀次数临界值(N_th1)，按小于所述步骤S1中的初始往复刻蚀频率(R0)的低热累积式往复刻蚀频率(R1)，沿预设待加工结构的轮廓控制线进行冷刻蚀；

在步骤S3中，将所述纤维复合材料的轨迹填充区域放在焦点位置处，设置纤维复合材料的轨迹填充区域的轨迹填充轨迹的形状、相邻轨迹填充线的距离(L_max)和每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数(N2),其中,高热累积式往复刻蚀频率(R2)≥初始往复刻蚀频率(R0)，以所述高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)对轨迹填充区域进行热刻蚀加工。

3.根据权利要求2所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在所述步骤S1中，设定激光束的固定的扫描速度(v)，固定的脉冲重复频率(f)、固定的初始聚焦光斑直径(d)的初始聚焦光斑、初始聚焦光斑的重叠率(O)，按固定的初始往复刻蚀频率(R0)，选取4-7个通量(F)，以每个选取的通量(F)为设置条件时为一组，在每组中所述往复刻蚀次数(N)逐次增加，在试片上进行4-7组、每组多次的往复刻蚀，使用显微设备观测试片在步骤S2中被刻蚀区域的每组、每次的刻蚀槽，确定并记录刻蚀槽的边缘的热损伤层厚开始激增时对应的临界往复刻蚀次数(N_th)，确定每组中满足往复刻蚀次数(N)＞临界往复刻蚀次数(N_th)的热损伤层刻蚀槽，从而得到临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)有序数对，拟合确定临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式中的比例系数(k),得到临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式。

4.根据权利要求3所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在所述步骤S2中，设定与步骤S1中的相同的扫描速度(v)，脉冲重复频率(f)、初始聚焦光斑的直径(d)，按小于步骤S1中的初始往复刻蚀频率(R0)的低热累积式往复刻蚀频率(R1)沿所述纤维复合材料的轮廓进行冷刻蚀，其中，低热积累式往复刻蚀深度由低热累积式往复刻蚀所用通量(F1)和低热积累式往复刻蚀次数(N1)确定。

5.根据权利要求4所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所施加的脉冲激光的脉宽范围为≤20ps；

在所述步骤S3中，设定与步骤S1中的相同的脉冲重复频率(f),设置纤维复合材料的轨迹填充区域的轨迹填充轨迹的形状和相邻轨迹填充线的距离(L_max)、每条轨迹填充线上的高热积累式往复刻蚀次数(N2)、高热累积式往复刻蚀频率(R2)，参考热损伤层刻蚀深度典型值(dd)的数值，设置聚焦光斑的直径为热聚焦光斑直径(D)，所述热聚焦光斑直径(D)≥初始聚焦光斑直径(d)，对轨迹填充区域热刻蚀，其中，高热积累式往复刻蚀深度由高热累积式往复刻蚀所用通量(F2)和高热积累式往复刻蚀次数(N2)确定，所述高热积累式往复刻蚀深度等于所述低热积累式往复刻蚀深度。

6.根据权利要求5所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，

当所述低热积累式往复刻蚀深度或所述高热积累式往复刻蚀深度小于总铣深度时，重复所述步骤S2和所述步骤S3，直至所述低热积累式往复刻蚀深度或所述高热积累式往复刻蚀深度等于总铣深度。

7.根据权利要求6所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，

在所述步骤S1中，测出所述阈值饱和值(F_th)后，记录各刻蚀槽的边缘的热损伤层厚的热损伤层厚典型值(tt)、热损伤层刻蚀深度典型值(dd)，从而得到多组热损伤层厚典型值(tt)和热损伤层刻蚀深度典型值(dd)的有序数对；

在所述步骤S1中，所述通量(F)的取值范围为F＝(2-100)F_th；

所述步骤S1中，初始光斑重叠率(O)的取值区间[o1,o2]＝[20％，80％]，其中，光斑重叠率(O)按照下式计算：

O＝1-v/df

式中，v为激光束的扫描速度，d为试片用初始聚焦光斑直径，f为脉冲重复频率；

在所述步骤S1中，初始往复刻蚀频率(R0)的取值范围为：1000Hz≥R0≥100Hz；

往复刻蚀次数(N)的取值范围为[5，1000]中的若干个不同的正整数，数量≥5个，在每组中，当往复刻蚀次数(N)由小变大时，通过以相邻的两个往复刻蚀次数(N)刻蚀加工得到的所述热损伤层厚的数值增加至少3倍。

8.根据权利要求7所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，在所述步骤S1中，临界往复刻蚀次数(N_th)与通量(F)的函数关系式为：

N_th＝k×v/F²,

式中，v为激光束的扫描速度，F为入射脉冲的能量的通量，k为与试片相关的比例系数。

9.根据权利要求8所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，在所述步骤S3中，高热积累式往复刻蚀次数(N2)取为所述步骤S1中的临界往复刻蚀次数(N_th)与系数(r)乘积后的取整值，且系数(r)的取值范围为1.3-10；

相邻两条轨迹填充线的距离L_max＝tt×D/d，

其中，tt为所述热损伤层厚典型值，且D≥d，其中D为热聚焦光斑直径，d为初始聚焦光斑直径。

10.根据权利要求9所述的用于纤维复合材料的超快激光铣方法，其特征在于，所述纤维复合材料中的纤维为沿纤维的室温热导率≥5W/mK的纤维，所述纤维复合材料中的材料基体为室温热导率≤1.5W/mK的材料

在所述步骤S2和S3中，在加工过程中，被加工区域设置旁轴倾斜吹气辅助装置，旁轴倾斜吹气辅助装置的空气气压为0.2Mpa-0.6Mpa。

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