CN114178688B - 基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工cfrp的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，属于CFRP材料加工领域。本发明在飞秒激光加工CFRP的基础上，引入热防护层作为保护层，能够实现CFRP的高质量加工。首先在待加工的CFRP表面铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层，然后按预先设定的运动轨迹进行飞秒激光逐层扫描直写加工，加工完成后揭去铺设的热防护层，最终在CFRP材料上得到所需的高质量的槽/孔结构。这种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，得到的加工结果无分层、毛刺、撕裂等不良现象，且同时具有极低的热影响区和极小的锥度，该方法展示出高质量加工CFRP的制造能力以及应用前景。

Description

基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法

技术领域

本发明涉及一种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，属于CFRP材料加工领域。

背景技术

碳纤维增强聚合物(CFRP)材料具有超高的比强度和比模量、低密度、低热膨胀、耐磨损、耐腐蚀等诸多优异的性能，其作为核心材料被应用于诸多重大工程领域，譬如航空航天、汽车制造、轨道交通、风力发电、高压电缆等等，展示出了巨大的应用空间和发展前景。

尽管CFRP材料通常在制造过程中已经近净成形，但在制件最终装配过程中仍需进行大量的切割、钻孔等加工过程。但由于其各向异性、非均质、耐磨、脆性大等特点，成为了典型的难加工材料。目前应用最为广泛的机械加工方法得到的加工结果通常会出现分层、毛刺、撕裂等等不良现象，加工质量差，严重影响CFRP材料构件后续的装配、性能和寿命；机械加工过程中刀具磨损严重，切削性能急剧退化，需要频繁更换刀具；且难以加工出高精度的微型槽/孔结构。这都严重制约了CFRP材料的制造和应用。

激光加工由于其高精度、非接触、无应力、无刀具磨损的特点，可以有效地解决目前面临的加工问题。虽然激光加工可以很大程度上解决材料分层、结构缺陷、刀具磨损等问题，但由于CFRP非均质的复合结构，碳纤维和聚合物基体的热/光学性质迥异，并且加工过程中通常需要进行多层的进给加工，使得CFRP的加工结构边缘会产生明显的热影响区(HAZ)，并且加工结果往往呈现出较大的锥度。因此，目前对于热影响区和锥度的同时优化控制仍是激光加工CFRP材料所面临的瓶颈问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法加工CFRP材料中存在的材料分层、毛刺、刀具磨损、热损伤严重、锥度明显的问题，提出了一种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法。本发明在飞秒激光加工CFRP的基础上，引入热防护层作为保护层，能够实现CFRP的高质量加工。首先在待加工的CFRP表面铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层，然后按预先设定的运动轨迹进行飞秒激光逐层扫描直写加工，加工完成后揭去铺设的热防护层，最终在CFRP材料上得到所需的高质量的槽/孔结构。这种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，得到的加工结果无分层、毛刺、撕裂等不良现象，且同时具有极低的热影响区和极小的锥度，该方法展示出高质量加工CFRP的制造能力以及应用前景。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

由于CFRP非均质的复合结构，碳纤维和聚合物基体的热/光学性质迥异，难以实现激光高质量均匀加工。且在传统的CFRP激光直接切割/钻孔的加工过程中，激光焦点需要在厚度方向上不断地向下进给进行逐层扫描加工，因此会在CFRP材料的上表面形成尺寸逐渐放大的离焦光斑，其能量会被加工结构的边缘表面阻挡并吸收，从而对材料表面造成严重不良影响。当其能量足够大时，会导致结构边缘的碳纤维和基体材料同时发生烧蚀，从而扩宽加工结构的入口尺寸，影响最终结构的锥度；当其能量不足以同时烧蚀边缘材料时，由于基体的烧蚀阈值要低于碳纤维，会造成基体发生烧蚀而暴露出长长的碳纤维，产生严重的热损伤现象，扩大材料结构边缘的热影响区。因此在激光直接切割/钻孔CFRP的逐层扫描加工过程中，随着激光焦点的不断进给下移，加工结构的入口尺寸和边缘表面的热损伤会逐渐增加，最终得到的加工结构的热影响区和锥度均较大，加工质量差。

基于此，本发明提出了一种基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，在待加工的CFRP材料表面铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层。其中反射型防护材料主要利用材料本身对激光的高反射特性，将激光离焦光斑照射在加工结构边缘表面的大部分能量以反射或散射形式耗散出去，减少材料对激光能量的吸收；隔热型防护材料主要利用材料本身的优异隔热特性，降低所吸收激光能量的纵向传播，从而降低被保护材料的热量吸收和累积。本发明所提出的这种由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层，既利用了反射型防护材料的高反射特性，减少上层反射型防护材料对激光能量的吸收，又利用隔热型防护材料的优异隔热特性，减缓上层反射型防护材料所吸收的激光能量通过隔热型防护材料纵向传播到被保护的CFRP材料结构边缘表面，两者协同作用实现被保护的CFRP加工结构边缘表面的低能量吸收和累积，从而有效避免加工结构入口尺寸的不良扩宽及其边缘表面的不良热损伤现象，得到同时具有极低的热影响区和极小的锥度的槽/孔结构，实现CFRP材料飞秒激光切割/钻孔的高质量加工结果。

本发明的基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，包括如下步骤：

步骤一：在CFRP材料表面待加工区域铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层。

其中，步骤一中，所铺设的热防护层为反射型防护材料和隔热型防护材料的叠层组合，其中反射型防护材料可包括铝箔、金箔、镍箔等高反射材料；隔热型防护材料可包括聚酰亚胺膜、聚脂膜、纤维布、泡沫塑料等优异隔热材料。两者的叠层组合形式可以为反射型防护材料在上、隔热型防护材料在下的两层叠层组合，也可以按上述顺序交替铺设两种类型的防护材料形成更多层数的叠层组合。

作为优选，热防护层中的反射型防护材料选择单面涂覆胶层的铝箔，厚度范围在50-200μm之间，隔热型防护材料选择单面涂覆胶层的聚酰亚胺膜，厚度范围在50-200μm之间。飞秒激光加工过程所采用的CFRP材料为高模量CFRP多向层合板，厚度范围为0.2mm-2mm。

需要说明的是，对于应用本方法原理，通过采用其他不同类型、厚度的反射型防护材料和隔热型防护材料以不同叠层形式组合而成的热防护层、不同类型及厚度的CFRP板材，从而得到飞秒激光高质量加工CFRP结果，仍然属于本专利保护范围。

步骤二：搭建飞秒激光加工系统，设计飞秒激光加工的运动轨迹程序，采用飞秒激光逐层扫描直写加工的方式，按预先设定的运动轨迹，进行已铺设热防护层的CFRP材料的切割/钻孔加工。

其中，步骤二中，所搭建的飞秒激光加工系统包括飞秒激光器、超快反射镜组、第一光阑、机械开关、衰减片组、第二光阑、二向色镜、聚焦物镜、待加工样品、精密电控平移台、白光照明光源、分束镜、CCD动态成像单元、计算机。飞秒激光器发出的飞秒激光光束经由超快反射镜组进行传播，随后准直地经过第一光阑、机械开关、衰减片组和第二光阑，然后被二向色镜反射，经过聚焦物镜聚焦到位于精密电控平移台上的待加工样品，位于最上方的白光照明光源发出的照明光经过分束镜、二向色镜和聚焦物镜照射到待加工样品，进行反射，反射后的照明光再经过聚焦物镜、二向色镜返回，在分束镜处反射，达到CCD动态成像单元，计算机连接飞秒激光器，并控制机械开关的打开与关闭，控制精密电控平移台使其按设定的程序轨迹进行移动，连接CCD动态成像单元进行待加工样品表面的实时成像和监控。

其中，步骤二中，飞秒激光逐层扫描直写加工过程通过预先设定的运动轨迹程序进行CFRP材料的切割/钻孔加工，首先将飞秒激光的焦点聚焦在铺设热防护层的CFRP材料的上表面，进行多道平行直线/同心圆轨迹的扫描加工，待本层轨迹扫描加工完成后，将焦点移动到本层轨迹的起点，然后将焦点下移一段距离作为厚度方向上的进给间隔，进行第二层的相同轨迹扫描加工，重复以上步骤，直至完成铺设热防护层的CFRP材料在整个厚度上的加工，最终得到所需的切割/钻孔加工后的CFRP通槽/通孔结构。

加工过程采用的聚焦物镜为20倍长焦物镜，数值孔径为0.4NA，飞秒激光逐层扫描直写加工过程中的激光功率范围为100mW-400mW，扫描速度范围为200μm/s-2000μm/s。飞秒激光逐层扫描直写加工过程中每层轨迹上平行直线/同心圆轨迹之间的间隔范围为10-50μm，每层轨迹之间的距离(即在厚度方向上的进给间隔)范围为5-20μm。

需要说明的是，对于应用本方法原理，通过采用不同类型飞秒激光、不同加工光路系统、不同激光加工参数、不同激光加工运动轨迹，从而得到飞秒激光高质量加工CFRP结果，仍然属于本专利保护范围。

步骤三：待加工完成后，揭去铺设的热防护层，在原始CFRP材料上得到同时具有极低的热影响区和极小的锥度的通槽或通孔结构。

采用本发明的基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，能够实现CFRP材料高质量的切割/钻孔加工，得到的加工结果没有分层、毛刺、撕裂等不良现象，同时具有极低的热影响区和极小的锥度，大幅提升了CFRP材料的加工质量。

有益效果

本发明的基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，在飞秒激光加工CFRP的基础上，通过引入由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层，既可以解决主流机械加工方法中产生的分层、毛刺、撕裂等不良加工结果以及刀具磨损严重、需频繁换刀等不良工况问题，又克服了激光加工方法中出现的热影响区和锥度较大且不能同时优化控制的难题，加工结果无分层、毛刺、撕裂等不良现象，且同时具有极低的热影响区和极小的锥度，该方法能够实现CFRP高质量切割/钻孔加工，展示出高质量加工CFRP的制造能力以及应用前景。本发明的基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，加工质量高、灵活简单、自动化程度和可设计性强，且适用不同激光类型和激光加工系统，同时适用于除CFRP之外的其他纤维增强复合材料的高质量加工，具有广泛的普适性。

附图说明

图1为本发明实施的基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的示意图；

图2为飞秒激光加工系统的光路示意图；

图3为飞秒激光对CFRP进行切割和钻孔过程中飞秒激光焦点逐层扫描加工的运动轨迹示意图。其中a图为飞秒激光对CFRP进行切割加工过程中飞秒激光焦点逐层扫描加工的运动轨迹；b图为飞秒激光对CFRP进行钻孔加工过程中飞秒激光焦点逐层扫描加工的运动轨迹；

图4为基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的加工结果图。其中，a图为铺设热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的结构边缘形貌放大1300倍下的扫描电子显微镜图像；b图为不铺设热防护层辅助下飞秒激光加工CFRP的结构边缘形貌放大1300倍下的扫描电子显微镜图像；c图为铺设热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的结构边缘形貌放大7000倍下的扫描电子显微镜图像；d图为铺设热防护层和不铺设热防护层下飞秒激光加工CFRP结果的热影响区大小和锥度大小的对比图。

其中，1-飞秒激光器、2-超快反射镜组、3-第一光阑、4-机械开关、5-衰减片组、6-第二光阑、7-二向色镜、8-聚焦物镜、9-待加工样品、10-精密电控平移台、11-白光照明光源、12-分束镜、13-CCD动态成像单元、14-计算机。

具体实施方式

为了更好的理解本发明方法，以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

实施例1

本实施例公开的基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，具体步骤如下：

步骤一：在CFRP材料表面待加工区域铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层。

如图1所示，所铺设的热防护层为反射型防护材料和隔热型防护材料的叠层组合。两者的叠层组合形式可以为反射型防护材料在上、隔热型防护材料在下的两层叠层组合，也可以按上述顺序交替铺设两种类型的防护材料形成更多层数的叠层组合。

在本实施例中，所铺设的热防护层为反射型防护材料铝箔和隔热型防护材料聚酰亚胺膜组成的两层叠层组合。其中，反射型防护材料选择单面涂覆胶层的铝箔，厚度为50μm，粘贴在聚酰亚胺膜的上表面，位于热防护层的上层；隔热型防护材料选择单面涂覆胶层的聚酰亚胺膜，厚度为50μm，位于热防护层的下层。整个叠层组合紧贴待加工的CFRP材料表面。

在本实施例中，加工过程所采用的CFRP材料为高模量CFRP多向层合板，共4层，每层厚度为0.125mm，铺层顺序为0°/+45°/-45°/90°排列，总厚度为0.5mm。

步骤二：搭建飞秒激光加工系统，设计飞秒激光加工的运动轨迹程序，采用飞秒激光逐层扫描直写加工的方式，按预先设定的运动轨迹，进行已铺设热防护层的CFRP材料的切割加工。

本实施例中搭建的飞秒激光加工系统如图2所示，包括飞秒激光器1、超快反射镜组2、第一光阑3、机械开关4、衰减片组5、第二光阑6、二向色镜7、聚焦物镜8、待加工样品9、精密电控平移台10、白光照明光源11、分束镜12、CCD动态成像单元13、计算机14。飞秒激光器1发出的飞秒激光光束经由超快反射镜组2进行传播，通过调节超快反射镜组2，可以相应地调节飞秒激光光束的传播方向，可使其准直地经过第一光阑3、机械开关4、衰减片组5和第二光阑6，然后飞秒激光光束被二向色镜7反射，经过聚焦物镜8聚焦到位于精密电控平移台10上的待加工样品9，位于最上方的白光照明光源11发出的照明光经过分束镜12、二向色镜7和聚焦物镜8照射到待加工样品9，进行反射，反射后的照明光再经过聚焦物镜8、二向色镜7返回，在分束镜12处反射，达到CCD动态成像单元13，计算机14连接飞秒激光器1，并控制机械开关4的打开与关闭，控制精密电控平移台10使其按设定的程序轨迹进行移动，连接CCD动态成像单元13进行待加工样品9表面的实时成像和监控。

本实施例中采用的飞秒激光逐层扫描直写加工过程通过预先设定的运动轨迹程序进行CFRP材料的切割加工，首先将飞秒激光的焦点聚焦在铺设热防护层的CFRP材料的上表面，进行多道平行直线轨迹的扫描加工，待本层轨迹扫描加工完成后，将焦点移动到本层轨迹的起点，然后将焦点下移一段距离作为厚度方向上的进给间隔，进行第二层的相同轨迹扫描加工，重复以上步骤，直至完成铺设热防护层的CFRP材料在整个厚度上的加工，最终得到所需的切割加工后的CFRP通槽结构。本实施例中飞秒激光对CFRP进行切割加工过程中飞秒激光焦点逐层扫描加工的运动轨迹如图3a所示。

本实施例中采用的飞秒激光的中心波长为800nm，脉宽为35fs，重复频率为1kHz。本实施例中采用的聚焦物镜为20倍长焦物镜，数值孔径为0.4NA。本实施例中飞秒激光逐层扫描直写加工过程中的激光功率为150mW，扫描速度为500μm/s。本实施例中飞秒激光逐层扫描直写加工过程中每层加工8条平行直线轨迹，平行直线轨迹之间的间隔为20μm，每层轨迹之间的距离(即在厚度方向上的进给间隔)为5μm，进给层数为120层。

步骤三：待加工完成后，揭去铺设的热防护层，在原始CFRP材料上得到同时具有极低的热影响区和极小的锥度的通槽结构。

本实施例中待切割加工完成后，揭去铺设的热防护层，对最终加工后的CFRP材料进行清洗，然后对切割的通槽结构进行表征。如图4b所示，不铺设热防护层辅助下飞秒激光切割CFRP的切缝边缘的热影响区宽度超过了40μm。而铺设热防护层辅助飞秒激光加工CFRP的切缝边缘的热影响区宽度，如图4a和图4c所示，仅为1μm左右，且没有出现分层、毛刺、撕裂等不良现象。并且在显著改善激光加工产生的热影响区的同时，如图4d所示，可同步实现加工结果锥度的优化控制，从而加工出同时具有极低热影响区和极小锥度的的高质量加工结果。

实施例2

本实施例公开的基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，具体步骤如下：

步骤一：在CFRP材料表面待加工区域铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层。

如图1所示，所铺设的热防护层为反射型防护材料和隔热型防护材料的叠层组合。两者的叠层组合形式可以为反射型防护材料在上、隔热型防护材料在下的两层叠层组合，也可以按上述顺序交替铺设两种类型的防护材料形成更多层数的叠层组合。

在本实施例中，所铺设的热防护层为反射型防护材料铝箔和隔热型防护材料聚酰亚胺膜组成的四层叠层组合。其中，反射型防护材料选择单面涂覆胶层的铝箔，厚度为100μm，位于叠层组合的第一层和第三层；隔热型防护材料选择单面涂覆胶层的聚酰亚胺膜，厚度为100μm，位于叠层组合的第二层和第四层。整个叠层组合紧贴待加工的CFRP材料表面。

在本实施例中，加工过程所采用的CFRP材料为高模量CFRP多向层合板，共8层，每层厚度为0.125mm，铺层顺序为[0°/+45°/-45°/90°]_s排列，总厚度为1mm。

步骤二：搭建飞秒激光加工系统，设计飞秒激光加工的运动轨迹程序，采用飞秒激光逐层扫描直写加工的方式，按预先设定的运动轨迹，进行已铺设热防护层的CFRP材料的钻孔加工。

本实施例中搭建的飞秒激光加工系统如图2所示，包括飞秒激光器1、超快反射镜组2、第一光阑3、机械开关4、衰减片组5、第二光阑6、二向色镜7、聚焦物镜8、待加工样品9、精密电控平移台10、白光照明光源11、分束镜12、CCD动态成像单元13、计算机14。飞秒激光器1发出的飞秒激光光束经由超快反射镜组2进行传播，通过调节超快反射镜组2，可以相应地调节飞秒激光光束的传播方向，可使其准直地经过第一光阑3、机械开关4、衰减片组5和第二光阑6，然后飞秒激光光束被二向色镜7反射，经过聚焦物镜8聚焦到位于精密电控平移台10上的待加工样品9，位于最上方的白光照明光源11发出的照明光经过分束镜12、二向色镜7和聚焦物镜8照射到待加工样品9，进行反射，反射后的照明光再经过聚焦物镜8、二向色镜7返回，在分束镜12处反射，达到CCD动态成像单元13，计算机14连接飞秒激光器1，并控制机械开关4的打开与关闭，控制精密电控平移台10使其按设定的程序轨迹进行移动，连接CCD动态成像单元13进行待加工样品9表面的实时成像和监控。

本实施例中采用的飞秒激光逐层扫描直写加工过程通过预先设定的运动轨迹程序进行CFRP材料的钻孔加工，首先将飞秒激光的焦点聚焦在铺设热防护层的CFRP材料的上表面，进行多道同心圆轨迹的扫描加工，待本层轨迹扫描加工完成后，将焦点移动到本层轨迹的起点，然后将焦点下移一段距离作为厚度方向上的进给间隔，进行第二层的相同轨迹扫描加工，重复以上步骤，直至完成铺设热防护层的CFRP材料在整个厚度上的加工，最终得到所需的钻孔加工后的CFRP通孔结构。本实施例中飞秒激光对CFRP进行钻孔加工过程中飞秒激光焦点逐层扫描加工的运动轨迹如图3b所示。

本实施例中采用的飞秒激光的中心波长为800nm，脉宽为35fs，重复频率为1kHz。本实施例中采用的聚焦物镜为20倍长焦物镜，数值孔径为0.4NA。本实施例中飞秒激光逐层扫描直写加工过程中的激光功率为350mW，扫描速度为1mm/s。本实施例中飞秒激光逐层扫描直写加工过程中每层加工6条同心圆轨迹，同心圆轨迹之间的间隔为30μm，每层轨迹之间的距离(即在厚度方向上的进给间隔)为10μm，进给层数为140层。

步骤三：待加工完成后，揭去铺设的热防护层，在原始CFRP材料上得到同时具有极低的热影响区和极小的锥度的通孔结构。

本实施例中待钻孔加工完成后，揭去铺设的热防护层，对最终加工后的CFRP材料进行清洗，然后对钻孔加工得到的通孔结构进行表征。得到的CFRP钻孔加工结果，没有分层、毛刺、撕裂等不良现象，同时具有极低的热影响区(小于2μm)和极小的锥度(小于0.5°)，大幅提升了CFRP材料的加工质量。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，其特征在于：在CFRP材料表面待加工区域铺设由反射型防护材料和隔热型防护材料组合而成的热防护层，二者相互协同，采用飞秒激光逐层扫描直写加工出同时具有极低的热影响区和极小的锥度的孔或槽；所述飞秒激光逐层扫描直写加工过程中的激光功率范围为100 mW-400 mW，扫描速度范围为200 μm/s-2000 μm/s；飞秒激光逐层扫描直写加工过程中每层轨迹上平行直线/同心圆轨迹之间的间隔范围为10-50 μm，每层轨迹之间的距离范围为5-20 μm；

热防护层的组合形式为反射型防护材料在上层、隔热型防护材料在下层的两层叠层组合，或按上述顺序交替铺设两种类型的防护材料形成更多层数的叠层组合，整个叠层组合紧贴待加工的CFRP材料表面；

所述反射型防护材料包括铝箔、金箔、铜箔、镍箔；

所述隔热型防护材料包括聚酰亚胺膜、聚脂膜、纤维布、泡沫塑料。

2.如权利要求1所述基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，其特征在于：加工过程所采用的CFRP材料为高模量CFRP多向层合板，厚度范围在0.2 mm-2 mm。

3.如权利要求1所述基于热防护层辅助飞秒激光高质量加工CFRP的方法，其特征在于：所述热防护层中的反射型防护材料选择铝箔材料，厚度范围在50-200 μm之间，隔热型防护材料选择聚酰亚胺膜，厚度范围在50-200 μm之间。

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