CN114682928A - 适用于cfrp的激光制孔装置及激光制孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法，该激光制孔装置包括：保持装置，其能够可靠地保持待加工的CFRP板材；用于提供高速自旋的初始激光束的激光束源装置；光学系统，其能够将初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束，并且能够将第一激光束和第二激光束设定为分别自被保持在保持装置上的CFRP板材的相对侧投射至CFRP板材上的同一待成形孔处。根据本发明的适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法，能够适用于针对加工深度较大或者深径比较大的孔进行激光制孔加工并避免或至少缓解制孔产生的锥度问题，改善了制孔加工效率和加工质量，提升了激光加工制孔技术的制孔质量、经济性和适用性。

Description

适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法
技术领域
本发明涉及碳纤维复合材料(全称为Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称为CFRP)的激光加工，尤其涉及一种适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法。
背景技术
碳纤维复合材料是一种由树脂作为基体，碳纤维作为增强体的复合材料，由于其具有强度高、刚性好且比重小等特点，在诸如航空工业与汽车制造领域拥有越来越广泛的应用。在采用刀具切削、钻孔等传统机械加工CFRP时，会面临刀具磨损快、孔壁分层、孔边撕裂、环境污染严重等突出问题，这些问题严重制约了CFRP的应用。
激光加工是利用高能束对材料进行去除的特种加工方法之一，属于非接触式加工方式，具有无机械应力、热变形小和加工精度高等特点。激光加工技术不仅能够加工金属工件，也能够对非金属工件进行加工。
激光制孔属于激光加工方法之一。短脉冲激光制孔具有精度和分辨率高、通用性强、速度快等优势。然而，随着制孔加工深度的增加，激光制孔特别容易产生锥度问题，特别是对于大深径比的孔的加工，制孔产生的锥度成为制约其加工效率和质量的关键问题。这对于涉及碳纤维复合材料的激光制孔加工而言是亟待解决的关键问题。
因此，亟需提供一种适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有的可应用于CFRP的激光制孔加工技术在针对加工深度较大或者深径比较大的孔进行加工时容易产生锥度问题，因而制孔加工效率和质量不佳的缺陷，提出一种新的适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供了一种适用于CFRP的激光制孔装置，其特点在于，所述激光制孔装置包括：
保持装置，所述保持装置被构造为能够可靠地保持待加工的CFRP板材；
用于提供高速自旋的初始激光束的激光束源装置；
光学系统，所述光学系统被构造为能够将所述初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束，并且能够将所述第一激光束和所述第二激光束设定为分别自被保持在所述保持装置上的所述CFRP板材的相对侧投射至所述CFRP板材上的同一待成形孔处。
根据本发明的一种实施方式，所述光学系统还被构造为能够使得所述第一激光束和所述第二激光束沿相反方向沿着所述CFRP板材上的同一待成形孔的圆周同步转动。
根据本发明的一种实施方式，所述光学系统包括：
半透半反镜，所述半透半反镜被配置为能够将所述初始激光束分束为反射形成的所述第一激光束和透射形成的所述第二激光束；
第一全反射镜，所述第一全反射镜被配置为能够通过反射将所述第一激光束的投射方向调整为第一射束方向；
第二和第三全反射镜，所述第二和第三全反射镜被配置为能够通过两次反射将所述第二激光束的投射方向调整为第二射束方向；
其中，所述第一和第二射束方向沿同一轴线且方向相反。
根据本发明的一种实施方式，所述光学系统还包括：
第一和第二聚焦镜，所述第一和第二聚焦镜沿所述轴线对称地布置于被保持在所述保持装置上的所述CFRP板材的两侧。
根据本发明的一种实施方式，所述保持装置还被构造为能够调节所述CFRP板材的固定位置。
根据本发明的一种实施方式，所述激光制孔装置还包括：
光学器件安装机构，所述光学系统被安置在所述光学器件安装机构上，其中，所述光学器件安装机构被构造为能够使所述第一和第二聚焦镜沿所述轴线的方向位移，以使得所述CFRP板材和所述第一和第二聚焦镜之间的间距与当前的制孔深度之和能够与所述第一和第二聚焦镜的焦距相匹配，从而补偿随制孔深度的增加而产生的焦距偏差。
根据本发明的一种实施方式，所述光学器件安装机构被构造为能够沿所述轴线的方向以对称的方式同步移动所述第一和第二聚焦镜。
根据本发明的一种实施方式，所述激光束源装置被构造为能够提供自旋转速在10-1000RPM的范围内的所述初始激光束；和/或
所述初始激光束为短脉冲激光束。
根据本发明的一种实施方式，所述激光束源装置包括激光器控制系统和脉冲激光器，所述激光器控制系统被配置为能够经由其设置所述脉冲激光器的操作参数，所述操作参数包括输出功率、输出频率、激光束自旋速度、激光束自旋半径。
根据本发明的一种实施方式，所述激光束源装置还包括被构造为能够在设定的扫描半径内扫描激光束的扫描振镜。
本发明还提供了一种适用于CFRP的激光制孔方法，所述激光制孔方法采用如上所述的适用于CFRP的激光制孔装置产生短脉冲激光双光束，以在所述待成形孔处在CFRP板材的相对侧同步进行制孔操作。
本发明还提供了一种适用于CFRP的激光制孔方法，其特点在于，所述激光制孔方法包括以下步骤：
将由激光束源装置提供的初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束；
通过光学系统调整所述第一激光束和所述第二激光束的射束方向，以使得所述第一激光束和所述第二激光束分别自固定的CFRP板材的相对侧沿相反方向沿着所述CFRP板材上的同一待成形孔的圆周同步转动。
根据本发明的一种实施方式，所述初始激光束为高速自旋的激光束。
根据本发明的一种实施方式，所述激光制孔方法还包括以下步骤：
在所述第一激光束和所述第二激光束沿着待成形孔的圆周同步转动期间，分别通过第一聚焦镜和第二聚焦镜将所述第一激光束和所述第二激光束聚焦至所述待成形孔的位置，以及，根据所述CFRP板材和所述第一和第二聚焦镜之间的间距与当前的制孔深度之和，沿所述射束方向移置所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜，以补偿当前的制孔深度所造成的焦距偏差。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
根据本发明的适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法，能够适用于针对加工深度较大或者深径比较大的孔进行激光制孔加工并避免或至少缓解制孔产生的锥度问题，改善了制孔加工效率和加工质量，提升了激光加工制孔技术的制孔质量、经济性和适用性。
附图说明
图1为根据本发明的优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔装置的示意图。
图2为根据本发明的优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔装置所包含的第一光学子系统的局部放大示意图。
图3为根据本发明的优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔装置所包含的第二光学子系统的局部放大示意图。
图4和图5为根据本发明的优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔装置和方法中，具有“双旋转”形式的激光束的示意图。
附图标记说明
1：激光器控制系统
2：脉冲激光器
3：扫描振镜
4：光学器件安装机构
5：第一光学子系统
6：第二光学子系统
7：三轴电动位移台
8：CFRP板材
9：工装夹具
10：半透半反镜
11：第一全反射镜
12：第一聚焦镜
13：第二全反射镜
14：第三全反射镜
15：第二聚焦镜
具体实施方式
下面结合说明书附图，进一步对本发明的优选实施例进行详细描述，以下的描述为示例性的，并非对本发明的限制，任何的其他类似情形也都落入本发明的保护范围之中。
在以下的具体描述中，方向性的术语，例如“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”等，参考附图中描述的方向使用。本发明的实施例的部件可被置于多种不同的方向，方向性的术语是用于示例的目的而非限制性的。
参考图1-3所示，根据本发明的优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔装置，其包括保持装置、激光束源装置和光学系统这几个主要部分。
其中，保持装置被构造为能够可靠地保持待加工的CFRP板材8。激光束源装置则用于提供高速自旋的初始激光束。光学系统被构造为能够将初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束，并且能够将第一激光束和第二激光束设定为分别自被保持在保持装置上的CFRP板材8的相对侧投射至CFRP板材8上的同一待成形孔(即待制孔或待加工孔)处。
可以理解的是，在图1所示的示例中，第一激光束为从左向右投射至CFRP板材8的激光束，第二激光束为从右向左投射至CFRP板材8的激光束
具体地，在如图1所示的这一实施方式中，该光学系统包括第一光学子系统5和第二光学子系统6。第一光学子系统5包括半透半反镜10、第一全反射镜11和第一聚焦镜12，第二光学子系统6包括第二全反射镜13、第三全反射镜14和第二聚焦镜15。
其中，如图1-3所示，半透半反镜10被配置为能够将初始激光束分束为反射形成的第一激光束和透射形成的第二激光束，第一全反射镜11被配置为能够通过反射将第一激光束的投射方向调整为第一射束方向。第二全反射镜13和第三全反射镜14则被配置为能够通过两次反射将第二激光束的投射方向调整为第二射束方向。其中，第一和第二射束方向沿同一轴线且方向相反。第一聚焦镜12和第二聚焦镜15则沿轴线对称地布置于被保持在保持装置上的CFRP板材8的两侧。
基于上述方案，通过在CFRP板材8的两侧进行同步的激光制孔加工操作，可显著缓解制孔产生的锥度问题，改善制孔加工效率和加工质量，其效果在针对加工深度较大或者深径比较大的孔进行激光制孔加工时尤为显著。并且，上述方案也充分利用了激光加工制孔技术相比其他传统加工方式在制孔质量、经济性和适用性等方面的优势。
根据本发明的一些优选实施方式，该保持装置还被构造为能够调节CFRP板材8的固定位置。具体地，在如图1所示的示例中，该保持装置被具体构造为三轴电动位移台7以及安装于该三轴电动位移台7上的工装夹具9。其中该三轴电动位移台7可以是如图所示的沿xyz三轴方向可移动的电动位移台。
由此，可将CFRP板材8通过工装夹具9装夹在三轴电动位移台7上，根据待制孔的位置，可通过三轴电动位移台7调整CFRP板材8的位置，从而使得第一激光束和第二激光束对准CFRP板材8上的该待制孔的位置。
根据本发明的一些优选实施方式，激光制孔装置还包括：
光学器件安装机构4，如上所述的光学系统可被安置在光学器件安装机构4上，其中，光学器件安装机构4被构造为能够使第一聚焦镜12和第二聚焦镜15沿轴线(例如图1中示出的x轴方向)的方向位移，以使得CFRP板材8和第一聚焦镜12和第二聚焦镜15之间的间距与当前的制孔深度之和能够与第一聚焦镜12和第二聚焦镜15的焦距相匹配，从而补偿随制孔深度的增加而产生的焦距偏差。在图示示例中，该光学器件安装机构4可被理解为是x轴方向的自动移动平台。
上述优选配置，在针对较深的孔的制孔加工中具有额外的优势，其能够使得整个制孔加工过程期间，激光束均精准地聚焦于当前加工的位置，这将有助于进一步减少甚至消除加工中的偏差。
进一步优选地，光学器件安装机构4被构造为能够沿轴线的方向以对称的方式同步移动第一聚焦镜12和第二聚焦镜15。可选地，可以通过如图1中所示的作为光学器件安装机构4或其一部分的x轴方向电动位移台调节第一光学子系统5和第二光学子系统6的位置或者二者之间的距离，从而移动第一聚焦镜12和第二聚焦镜15。当然，利用光学器件安装机构4仅仅移动第一聚焦镜12和第二聚焦镜15的位置而不调整第一光学子系统5和第二光学子系统6中所包含的其他光学器件的位置也是可行的。
根据本发明的一些优选实施方式，该光学系统还被构造为能够使得第一激光束和第二激光束沿相反方向沿着CFRP板材8上的同一待成形孔的圆周同步转动。
其中，激光束源装置可被构造为能够提供自旋转速在10-1000RPM的范围内的初始激光束，并且初始激光束可选为短脉冲激光束。
优选地，该激光束源装置可包括激光器控制系统1和脉冲激光器2，激光器控制系统1被配置为能够经由其设置脉冲激光器2的操作参数，操作参数包括输出功率、输出频率、激光束自旋速度、激光束自旋半径。进一步优选地，激光束源装置还可包括被构造为能够在设定的扫描半径内扫描激光束的扫描振镜3。其中，扫描半径可例如设定为待制孔的制孔半径。
基于本发明的上述优选实施方式，第一激光束和第二激光束均是“双旋转”形式的，如图4-5所示，也即是短脉冲激光一方面自身高速旋转，同时沿着拟制孔的圆周转动，且两束激光沿制孔圆周旋转的的轴心完全一致，以保证两个加工圆孔的轴心完全一致。激光束高速自旋的半径、自旋旋转频率等可以根据制孔工艺需要进行优化调整，调整方法则可采用扫描振镜3的参数设置实现。
根据本发明的一些优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔方法，可采用如上所述的适用于CFRP的激光制孔装置产生短脉冲激光双光束，以在待成形孔处在CFRP板材8的相对侧同步进行制孔操作。
具体地，根据本发明的一些优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔方法可具体实施如下。
首先，将CFRP板材8通过工装夹具9装夹三轴电动位移台7上，通过三轴电动位移台调整制孔位置。
接着，通过如图1中所示的作为光学器件安装机构4的x轴方向电动位移台调节第一光学子系统5和第二光学子系统6的位置或者二者之间的距离，从而移动第一聚焦镜12和第二聚焦镜15。
接着，通过控制系统设置脉冲激光器2的功率、频率等参数、设置激光束自旋的半径、频率参数，并通过设置扫描振镜3的扫描半径设置CFRP的制孔半径。
然后，开启激光束源，脉冲激光器2发射激光至扫描振镜3，经过第一光学子系统5的半透半反镜分束成两个光束，一个光束聚焦在CFRP板材8的一侧表面，另一束经过第二光学子系统6后聚焦后在CFRP板材8的另一侧表面，进行制孔。
在制孔过程中，随着制孔深度的增加，通过x轴方向电动位移台调整两个光学子系统间的距离，以调节进行焦距补偿，始终使激光束聚焦在待加工材料的上表面，直至制孔完成，关闭整个系统或者关闭激光束源。
根据本发明的另一些优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔方法，可包括以下步骤：
将由激光束源装置提供的初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束；
通过光学系统调整第一激光束和第二激光束的射束方向，以使得第一激光束和第二激光束分别自固定的CFRP板材8的相对侧沿相反方向沿着CFRP板材8上的同一待成形孔的圆周同步转动；以及可选地，
在第一激光束和第二激光束沿着待成形孔的圆周同步转动期间，分别通过第一聚焦镜12和第二聚焦镜15将第一激光束和第二激光束聚焦至待成形孔的位置，以及，根据CFRP板材8和第一聚焦镜12和第二聚焦镜15之间的间距与当前的制孔深度之和，沿射束方向移置第一聚焦镜12和第二聚焦镜15，以补偿当前的制孔深度所造成的焦距偏差。
根据本发明的上述优选实施方式的适用于CFRP的激光制孔装置及激光制孔方法，能够适用于针对加工深度较大或者深径比较大的孔进行激光制孔加工并避免或至少缓解制孔产生的锥度问题，改善了制孔加工效率和加工质量，有助于提升激光加工制孔技术的制孔质量、经济性和适用性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种适用于CFRP的激光制孔装置，其特征在于，所述激光制孔装置包括：
保持装置，所述保持装置被构造为能够可靠地保持待加工的CFRP板材；
用于提供高速自旋的初始激光束的激光束源装置；
光学系统，所述光学系统被构造为能够将所述初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束，并且能够将所述第一激光束和所述第二激光束设定为分别自被保持在所述保持装置上的所述CFRP板材的相对侧投射至所述CFRP板材上的同一待成形孔处。
2.如权利要求1所述的激光制孔装置，其特征在于，所述光学系统还被构造为能够使得所述第一激光束和所述第二激光束沿相反方向沿着所述CFRP板材上的同一待成形孔的圆周同步转动。
3.如权利要求1所述的激光制孔装置，其特征在于，所述光学系统包括：
半透半反镜，所述半透半反镜被配置为能够将所述初始激光束分束为反射形成的所述第一激光束和透射形成的所述第二激光束；
第一全反射镜，所述第一全反射镜被配置为能够通过反射将所述第一激光束的投射方向调整为第一射束方向；
第二和第三全反射镜，所述第二和第三全反射镜被配置为能够通过两次反射将所述第二激光束的投射方向调整为第二射束方向；
其中，所述第一和第二射束方向沿同一轴线且方向相反。
4.如权利要求3所述的激光制孔装置，其特征在于，所述光学系统还包括：
第一和第二聚焦镜，所述第一和第二聚焦镜沿所述轴线对称地布置于被保持在所述保持装置上的所述CFRP板材的两侧。
5.如权利要求4所述的激光制孔装置，其特征在于，所述保持装置还被构造为能够调节所述CFRP板材的固定位置。
6.如权利要求4所述的激光制孔装置，其特征在于，所述激光制孔装置还包括：
光学器件安装机构，所述光学系统被安置在所述光学器件安装机构上，其中，所述光学器件安装机构被构造为能够使所述第一和第二聚焦镜沿所述轴线的方向位移，以使得所述CFRP板材和所述第一和第二聚焦镜之间的间距与当前的制孔深度之和能够与所述第一和第二聚焦镜的焦距相匹配，从而补偿随制孔深度的增加而产生的焦距偏差。
7.如权利要求6所述的激光制孔装置，其特征在于，所述光学器件安装机构被构造为能够沿所述轴线的方向以对称的方式同步移动所述第一和第二聚焦镜。
8.如权利要求1所述的激光制孔装置，其特征在于，所述激光束源装置被构造为能够提供自旋转速在10-1000RPM的范围内的所述初始激光束；和/或
所述初始激光束为短脉冲激光束。
9.如权利要求8所述的激光制孔装置，其特征在于，所述激光束源装置包括激光器控制系统和脉冲激光器，所述激光器控制系统被配置为能够经由其设置所述脉冲激光器的操作参数，所述操作参数包括输出功率、输出频率、激光束自旋速度、激光束自旋半径。
10.如权利要求9所述的激光制孔装置，其特征在于，所述激光束源装置还包括被构造为能够在设定的扫描半径内扫描激光束的扫描振镜。
11.一种适用于CFRP的激光制孔方法，所述激光制孔方法采用如权利要求1-10中任意一项所述的适用于CFRP的激光制孔装置产生短脉冲激光双光束，以在所述待成形孔处在CFRP板材的相对侧同步进行制孔操作。
12.一种适用于CFRP的激光制孔方法，其特征在于，所述激光制孔方法包括以下步骤：
将由激光束源装置提供的初始激光束分束为能量相等的第一激光束和第二激光束；
通过光学系统调整所述第一激光束和所述第二激光束的射束方向，以使得所述第一激光束和所述第二激光束分别自固定的CFRP板材的相对侧沿相反方向沿着所述CFRP板材上的同一待成形孔的圆周同步转动。
13.如权利要求12所述的激光制孔方法，其特征在于，所述初始激光束为高速自旋的激光束。
14.如权利要求12所述的激光制孔方法，其特征在于，所述激光制孔方法还包括以下步骤：
在所述第一激光束和所述第二激光束沿着待成形孔的圆周同步转动期间，分别通过第一聚焦镜和第二聚焦镜将所述第一激光束和所述第二激光束聚焦至所述待成形孔的位置，以及，根据所述CFRP板材和所述第一和第二聚焦镜之间的间距与当前的制孔深度之和，沿所述射束方向移置所述第一聚焦镜和所述第二聚焦镜，以补偿当前的制孔深度所造成的焦距偏差。
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