CN114749811B - 一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统及方法 - Google Patents

一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统及方法，其包括：激光器；扩束镜，其用于对激光器产生的激光光束进行扩束；DOE分束镜，其用于对经过扩束镜输出的激光光束进行分束；孔径调节单元，其用于对经过分束的激光光束飞行路径进行平移；角度调节器单元，其用于调节经过孔径调节单元输出的激光光束与碳纤维复合材料之间的加工角度；道威棱镜，其用于偏移经过角度调节器单元输出的激光光束，以及使激光光束在碳纤维复合材料上形成环形加工区域；反射镜，其用于对经过道威棱镜输出的激光光束进行反射；以及聚焦透镜，其用于将经过反射镜反射的激光光束聚焦至碳纤维复合材料表面。其可以通过调节孔径调节单元的位置以及角度调节器在碳纤维材料上加工出零锥度或任意锥度的通孔，且有利于极大提高加工效率。

Description

一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统及 方法
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，特别是一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统及方法。
背景技术
碳纤维增强复合材料是一种以树脂为基体，碳纤维为增强相的复合材料，由于其具有高模量、高强度、耐腐蚀、重量轻等优点，其已在航天航空、海洋、汽车等领域得到广泛应用。但同时碳纤维增强复合材料也是一种典型的难加工材料，由于该材料各向异性、层间连接强度差、材料硬度高等特点，传统的机械加工常常伴随着分层、撕裂、刀具磨损等缺陷，激光加工作为一种无接触式的新兴加工技术，集多种加工工艺优点为一体，自动化水平高，有望成为未来碳纤维复合材料的主流加工方法。
目前已发展出通过激光光束进行旋切打孔的技术方案，如申请号202110321678X、一种超快激光微孔旋切加工装置，但其中需要对贝塞尔激光束进行整形、旋切加工，整个装置光学部件过多，且需要对激光入射方向进行分别调节，结构过于复杂，对安装、定位的精度要求高，不利于大规模推广。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统及方法，其可以通过调节孔径调节单元的位置以及角度调节器在碳纤维材料上加工出零锥度或任意锥度的通孔，且有利于极大提高加工效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一方面，提供了一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统，其包括：
激光器，其用于输出激光光束；
扩束镜，其用于对激光器产生的激光光束进行扩束；
DOE分束镜，其用于对经过扩束镜输出的激光光束进行分束；
孔径调节单元，其用于对经过分束的激光光束飞行路径进行平移，以调节碳纤维复合材料上孔的大小；
角度调节器单元，其用于调节经过孔径调节单元输出的激光光束与碳纤维复合材料之间的加工角度；
道威棱镜，其安装在空心电机内部，用于偏移经过角度调节器单元输出的激光光束，以及使激光光束在碳纤维复合材料上形成环形加工区域；
反射镜，其用于对经过道威棱镜输出的激光光束进行反射；
以及聚焦透镜，其用于将经过反射镜反射的激光光束聚焦至碳纤维复合材料表面。
优选的，所述激光器包括脉冲激光器。
优选的，所述孔径调节单元包括：第一移动反射镜与第二移动反射镜，且所述第一移动反射镜与第二移动反射镜均可沿经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径垂直的方向平移。
优选的，所述第一移动反射镜与经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径之间形成的夹角为10°-45°。
优选的，所述第二反射镜与经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径之间形成的夹角为135°-170°。
优选的，当第一移动反射镜和/或第二移动反射镜沿经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径垂直的方向平移的距离为Δt时，激光光束平移的距离Δy与Δt满足如下条件：
Figure BDA0003570442990000021
其中，β为入射光束与第一移动反射镜/第二移动反射镜形成的夹角。
优选的，所述角度调节器单元包括楔形棱镜，且经过角度调节器单元输出的激光光束出射角度
Figure BDA0003570442990000022
满足如下条件：
Figure BDA0003570442990000023
其中，α为楔形棱镜的折射角，θ为楔形棱镜相对经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径垂直的方向偏转时形成的偏转角，δ为激光光束射入角度调节器时的偏角，n为楔形棱镜的折射率。
还提供了一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工方法，其包括如下步骤：
设定激光加工参数；
调整孔径调节单元的位置以及角度调节器的偏转角度；
开启激光器，激光光束聚焦至碳纤维复合材料表面，并进行扫描，直至在碳纤维复合材料上形成通孔。
优选的，扫描过程中，聚焦透镜下移若干次，且每次下移距离为0.3-1mm。
优选的，扫描过程中，激光光束每扫描20-100次，则聚焦透镜下移一次。
本发明的有益效果是：
本发明可适用于碳纤维材料的旋切钻孔加工，其可以通过调节孔径调节单元的位置以及角度调节器在碳纤维材料上加工出零锥度或任意锥度的通孔，且有利于提高孔壁的光滑度，极大提高加工效率。
附图说明
图1为本发明中基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统的光路图。
图2为本发明中孔径调节单元平移以及角度调节器单元偏转时的光路图。
图3为本发明经过道威棱镜输出的激光光束作用到碳纤维复合材料上的示意图；
图4为本发明在碳纤维复合材料上加工出无锥度通孔的示意图；
图5为本发明在碳纤维复合材料上加工出正锥度通孔的示意图。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
本发明提出了一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统，如图1所示，其包括：
激光器1，其用于输出激光光束，优选的，所述激光器1包括脉冲激光器，可输出高斯能量分布的脉冲激光束，产生的脉宽可以是纳秒、皮秒或飞秒，激光光束波长范围为355nm-1064nm；
扩束镜2，其用于对激光器1产生的激光光束进行扩束；
DOE分束镜3，其用于对经过扩束镜2输出的激光光束进行分束；
孔径调节单元4，其用于对经过分束的激光光束飞行路径进行平移，以调节碳纤维复合材料9上孔的大小；
角度调节器单元5，其用于调节经过孔径调节单元4输出的激光光束与碳纤维复合材料9之间的加工角度，以完成零锥度或任意锥度的孔的加工；
道威棱镜6，其安装在空心电机内部，用于偏移经过角度调节器单元5输出的激光光束，以及使激光光束绕主光轴进行快速旋转，以在碳纤维复合材料9上形成环形加工区域(如图3所示)；
反射镜7，其用于对经过道威棱镜6输出的激光光束进行反射；
以及聚焦透镜8，其用于将经过反射镜7反射的激光光束聚焦至碳纤维复合材料9表面。
进一步的，如图1-2所示，所述孔径调节单元4包括：第一移动反射镜41与第二移动反射镜42，且所述第一移动反射镜41与第二移动反射镜42均可沿经过扩束镜2输出的激光光束的飞行路径(即图1中的X向)垂直的方向(即图1中的Y向)平移；此外，所述第一移动反射镜41与经过扩束镜2输出的激光光束的飞行路径之间形成的夹角为10°-45°，第二反射镜42与经过扩束镜2输出的激光光束的飞行路径之间形成的夹角为135°-170°；
其中，当第一移动反射镜41和/或第二移动反射镜42沿经过扩束镜2输出的激光光束的飞行路径垂直的方向(即图1中的Y向)平移的距离为Δt时，激光光束平移的距离Δy与Δt满足如下条件：
Figure BDA0003570442990000041
其中，β为入射光束(也即经过DOE分束镜3分束且输出的激光光束)与第一移动反射镜41/第二移动反射镜42形成的夹角。
所述角度调节器单元5包括楔形棱镜，且经过角度调节器单元5输出的激光光束出射角度
Figure BDA0003570442990000051
满足如下条件：/>
Figure BDA0003570442990000052
其中，α为楔形棱镜的折射角，θ为楔形棱镜相对经过扩束镜2输出的激光光束的飞行路径垂直的方向(即图1中的Y向)偏转时形成的偏转角，δ为激光光束射入角度调节器5时的偏角，n为楔形棱镜的折射率。
进一步的，本发明还提供了一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工方法，其可以通过上述基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统实现，具体的，上述加工方法包括如下步骤：
设定激光加工参数，所述参数包括激光重复频率、扫描速度等；
调整孔径调节单元4的位置以及角度调节器5的偏转角度，例如，可使得第一移动反射镜41和/或第二移动反射镜42沿Y向平移等；
开启激光器1，激光光束聚焦至碳纤维复合材料9表面，并进行扫描，直至在碳纤维复合材料9上形成通孔；其中，道威棱镜6旋转一次可使激光光束旋转扫描两次，且扫描过程中，聚焦透镜8下移若干次，且每次下移距离为0.3-1mm，例如，激光光束每扫描若干次(如20-100次)，则聚焦透镜8下移一次，由此完成碳纤维复合材料9的分层切割，直至形成通孔。
以下为通过本发明的碳纤维复合材料孔加工系统及方法列举出的实施例。
实施例1：
选用激光光束波长355nm的紫外纳秒激光器，激光束光斑大小约为30μm，碳纤维复合材料9厚度为3mm。
设定激光重复频率45kHz，扫描速度1000mm/s；
根据聚焦透镜8的焦距和孔的直径调整孔径调节单元4的位置以及角度调节器5的偏转角度，使激光光束可垂直于碳纤维复合材料9；
开启激光器1，激光光束聚焦至碳纤维复合材料9表面，并进行扫描，且每扫描50次，聚焦透镜8下移0.3mm，以完成分层切割，直至形成直径为10mm的无锥度通孔(如图4所示)。
实施例2：
根据孔锥度要求调整孔径调节单元4的位置以及角度调节器5的偏转角度，其中角度调节器5逆时针旋转可得到正锥度(孔入口直径大于出口直径)的通孔(即图5所示)，反之则得到负锥度的孔，其他步骤与实施例1相同，不再赘诉。
综上所述，本发明结构设计简单，无需复杂的设备和较高的控制精度要求，可极大的提高加工效率，对于碳纤维材料这类非透明、各向异性、强度高的材料的旋切钻孔具有明显的优势，具体的，其可以通过调节孔径调节单元的位置以及角度调节器在碳纤维材料上加工出零锥度或任意锥度的通孔，且有利于提高孔壁的光滑度。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工系统，其特征在于，包括：
激光器，其用于输出激光光束；
扩束镜，其用于对激光器产生的激光光束进行扩束；
DOE分束镜，其用于对经过扩束镜输出的激光光束进行分束；
孔径调节单元，其用于对经过分束的激光光束飞行路径进行平移，以调节碳纤维复合材料上孔的大小；
角度调节器单元，其用于调节经过孔径调节单元输出的激光光束与碳纤维复合材料之间的加工角度；
道威棱镜，其安装在空心电机内部，用于偏移经过角度调节器单元输出的激光光束，以及使激光光束在碳纤维复合材料上形成环形加工区域；
反射镜，其用于对经过道威棱镜输出的激光光束进行反射；
以及聚焦透镜，其用于将经过反射镜反射的激光光束聚焦至碳纤维复合材料表面；
所述孔径调节单元包括：第一移动反射镜与第二移动反射镜，且所述第一移动反射镜与第二移动反射镜均可沿经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径垂直的方向平移。
2.如权利要求1所述的碳纤维复合材料孔加工系统，其特征在于，所述激光器包括脉冲激光器。
3.如权利要求1所述的碳纤维复合材料孔加工系统，其特征在于，所述第一移动反射镜与经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径之间形成的夹角为10°-45°。
4.如权利要求1所述的碳纤维复合材料孔加工系统，其特征在于，所述第二移动反射镜与经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径之间形成的夹角为135°-170°。
5.如权利要求1所述的碳纤维复合材料孔加工系统，其特征在于，当第一移动反射镜和/或第二移动反射镜沿经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径垂直的方向平移的距离为Δt时，激光光束平移的距离Δy与Δt满足如下条件：
Figure FDA0004214423350000011
其中，β为入射光束与第一移动反射镜/第二移动反射镜形成的夹角。
6.如权利要求1所述的碳纤维复合材料孔加工系统，其特征在于，所述角度调节器单元包括楔形棱镜，且经过角度调节器单元输出的激光光束出射角度
Figure FDA0004214423350000022
满足如下条件：
Figure FDA0004214423350000021
其中，α为楔形棱镜的折射角，θ为楔形棱镜相对经过扩束镜输出的激光光束的飞行路径垂直的方向偏转时形成的偏转角，δ为激光光束射入角度调节器时的偏角，n为楔形棱镜的折射率。
7.一种通过权利要求1-6任一项所述碳纤维复合材料孔加工系统实现的基于激光双光束旋切的碳纤维复合材料孔加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
设定激光加工参数；
调整孔径调节单元的位置以及角度调节器的偏转角度；
开启激光器，激光光束聚焦至碳纤维复合材料表面，并进行扫描，直至在碳纤维复合材料上形成通孔。
8.如权利要求7所述的碳纤维复合材料孔加工方法，其特征在于，扫描过程中，聚焦透镜下移若干次，且每次下移距离为0.3-1mm。
9.如权利要求8所述的碳纤维复合材料孔加工方法，其特征在于，扫描过程中，激光光束每扫描20-100次，则聚焦透镜下移一次。
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