CN116275558A - 一种锁频单脉冲红外超快激光cfrp切割方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种锁频单脉冲红外超快激光CFRP切割方法和系统，所述方法包括步骤：1)设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，所述频率为1KHz‑500KHz，所述单脉冲能量为20uJ‑1000uJ；2)锁定发射频率为定值；3)所述红外超快激光经过整形光路、光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦CFRP材料表面；4)在软硬件控制器的控制下完成切割。本发明的切割方法是通过高单脉冲能量的红外超快激光汽化材料加工面来实现切割，几乎没有热影响区出现，不会出现基体热降解、基体回缩、基体和纤维碳化等现象。不会降低复合层压板的拉伸强度、影响表面质量、降低切口处疲劳性能，切口无黑边无毛刺。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工技术领域，具体涉及一种锁频单脉冲红外超快激光CFRP切割方法和系统。
背景技术
碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP)由于具有非常高的强度重量比、刚度重量比，以及优异的抗疲劳性和耐腐蚀性，在航空航天、汽车、体育器材等领域的应用越来越广泛。尽管CFRP的近净制造是可能的，但仍不可避免地需要切割和钻孔。激光切割由于无磨损、无接触、灵活而被认为是一种很有前途的CFRP加工方法。然而，由于CFRP中碳纤维在热膨胀系数、气化温度等热力学性能方面与基体存在相当大差异，激光加工会产生热影响区(heat－affected zone，HAZ)，包括基体热降解、基体回缩、基体和纤维碳化等。HAZ不仅会降低复合层压板的拉伸强度，还会影响表面质量，降低切口处疲劳性能等，因此对于HAZ的研究显得尤为重要。
CFRP中基体和碳纤维两种成分在高温下的材料特性存在很大差异，每种成分都保留了其自身的化学、物理和机械特性，因此在激光加工中面临挑战。由于沿碳纤维轴的导热系数比基体材料高两个数量级，因此热量主要沿碳纤维轴流动。此外，蒸发或升华碳纤维所需的能量比基体高一个数量级以上。在激光束与材料的相互作用过程中，碳纤维汽化需要的时间比树脂气化需要的长。在此期间，由于纤维具有良好的导热性，大量的热量通过碳纤维传导并释放到基体上，产生热累积，导致基体过热直至热解，纤维则从基体中脱粘，形成热影响区，严重影响CFRP的静态强度。而纤维拔出、复合材料分层、纤维末端膨胀等缺陷，导致激光切割CFRP面临巨大挑战，在激光加工过程中产生的。
如何减少热影响区的出现，寻得CFRP加工的理想加工工艺，一直是本领域科学家们努力探索的方向。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供一种锁频均匀能量单脉冲红外超快激光CFRP切割方法和系统。
本发明提供的锁频均匀能量单脉冲红外超快激光CFRP切割方法，包括步骤：
1)设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，所述高重复频率为1KHz-500KHz，所述高能量单脉冲能量为20uJ-1000uJ，所述单脉冲能量一致性为：单脉冲间能量差异≤±5％；
2)锁定发射频率为1KHz-500KHz之间的一定值；
3)所述激光器发射的红外超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过F-θ场镜后聚焦在连续切割平台上的CFRP材料工件表面；
4)在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数；控制振镜及激光发射，完成CFRP材料的激光切割。
本发明所述锁频均匀能量单脉冲是指激光工作方式为锁定频率下均匀能量单脉冲周期性输出。
优选地，所述高重复频率为10KHz-200KHz，所述高能量单脉冲能量为50uJ-1000uJ。
所述激光器为全固态皮秒激光器，所述激光波长为1064±5nm。
所述单脉冲宽度为1-10ps。
所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角0.5-1.5mrad。
所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。
所述光束传输光路为传输距离10-1000mm的传输光路组成。
所述振镜转速为100-5000转/秒。
所述场镜是F-θ场镜或远心场镜，焦距为30-200mm。
形成所述切割图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5-15um。
本发明还提供实现上述精密切割CFRP材料方法的切割系统，所述系统包括红外超快激光器、整形光路和光束传输光路、聚焦透镜、连续切割平台和控制器，
所述红外超快激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，所述高重复频率为1KHz-500KHz，所述高能量单脉冲能量为20uJ-1000uJ，所述单脉冲能量一致性为≤±5％；锁定发射频率为1KHz-500KHz之间的一定值；
所述聚焦透镜包括控制激光束偏转的扫描振镜与聚焦激光束的场镜；
所述连续切割平台设有X、Y和Z轴驱动机构；
激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路、振镜、场镜和X、Y和Z轴驱动机构完成切割。
所述整形光路和光束传输光路之间设有光闸，由控制器控制其开关。
对于较厚的CFRP切割工件，可用激光切割头代替上述振镜切割系统，完成更深度的切割。
本发明的有益效果在于：
1.本发明基于锁定的高重复频率、单脉冲工作、高单脉冲能量、单脉冲能量一致性高的红外超快激光切割方法，以冷加工的方法解决了CFRP激光加工过程中易产生热损伤的难题，可用于CFRP的工业加工。
2.本发明方法通过高单脉冲能量的红外超快激光汽化材料加工面来实现切割，而不是通过热至熔化作用来实现切割，因此几乎没有热影响区出现不会出现基体热降解、基体回缩、基体和纤维碳化等。不会降低复合层压板的拉伸强度、影响表面质量、降低切口处疲劳性能。切口无黑边、无毛刺。
3.本发明切割方法输出的高能量单脉冲，在时域上表现唯一，切割时工件材料加工面的具体位置点非常准确，不会在空间上发生漂移，切割的质量非常好。
4.本发明切割方法加工时间快，几乎不出现漏点、漏标记，时序匹配精准。
5.在本发明单脉冲能量一致性高的红外超快激光设备照射下，光加工过程一致性好，没有重复照射，材料几乎不变暗，也几乎不改变材料的特征参数。
附图说明：
图1为本发明红外超快激光振镜切割系统结构示意图；
其中：1.红外超快激光器；2.光路；2-1.整形光路；2-2.光束传输光路；3.振镜；4.场镜；5.切割工件6.连续切割平台，7.控制器，8.反射镜，9.振镜切割模块。
图2为本发明红外超快激光切割头切割系统结构示意图；
其中：1.红外超快激光器；2.光路；2-1.整形光路；2-2.光束传输光路；5.切割工件6.连续切割平台，7.控制器，8.反射镜，10.高压空气喷嘴,11.聚焦透镜组，12-激光切割头。
图3为本发明红外超快激光切割方法切割CFRP材料的效果照片。
图4为图3切割效果的显微镜观察。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的红外超快激光CFRP材料切割方法和系统进一步解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明锁频均匀能量单脉冲红外超快激光CFRP切割方法，包括步骤：
1)设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器1，高重复频率为500KHz，高能量单脉冲能量为50uJ，单脉冲能量一致性为≤±5％；
2)锁定发射频率为定值；
3)激光器发射的红外超快激光，经过整形光路2-1放大光束尺寸、再经过光束传输光路2-2和反射镜8输入到振镜3、再经过场镜4后聚焦在连续切割平台6上的CFRP材料5表面；
4)在软硬件控制器7的控制下，设置激光参数和加工参数；控制振镜3及激光发射，完成CFRP材料的激光切割。
单脉冲宽度为5ps。
激光器窗口光斑为2mm，发散角0.5mrad。
整形光路为放大倍率为2倍的扩束光路。
光束传输光路为传输距离50mm的传输光路组成。
振镜转速为200转/秒。
场镜是F-θ场镜或远心场镜，焦距为30mm。
形成切割图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为3um。
步骤4)包括以下步骤：
1.设定激光发射参数及电平形式的激光脉冲同步信号，将所述激光脉冲同步信号和起始时间T1发送给软硬件控制器，作为加工基准时间；
2.调试激光光束：光束经光束传输、光闸和整形光路，所述光闸由TTL电平控制；所述软硬件控制器向光闸发送控制其开关的信号以及起始时间T2；
3.调试振镜：所述软硬件控制器将振镜的5V高低电平形式的控制信号以及起始时间T3，发送给振镜切割模块9，
4.调试激光光束，经场镜聚焦在连续切割平台附近，在场镜有效范围内工作。
5.连续切割平台设有X、Y和Z轴驱动机构，将目标工件固定在连续切割平台上。精密调整连续切割平台的位置和边界，校准移动路经。调节激光聚焦在工件附近，作用于待切割工件上，等待加工。
6.通过计算机、单片机，ARM或者手机，来实现输入输出的手动或者自动方式，来控制软硬件控制器。
7.通过软硬件控制器将准备切割的内容分解，得到可读格式的像素、直径、填充密度，走线路径和图形，其边界范围以不大于所述激光切割机的区域边界为限。
8.根据图形内容和次序，以激光同步信号输入给软硬件控制器作为时间基准，校准连续切割平台上的坐标为空间基准，经软硬件控制器依次给振镜、光闸、X、Y和Z轴驱动机构发射控制信号，时间基准，延时时间和控制信号时序，进行整体时序校准以及初步打样。
9.根据初步打样效果，验证其与预设的效果符合程度，如果有差异，微调各个部件的工艺和参数，直到效果最佳，锁定参数，开始切割。
系统结构图如图1所示。
实施例2：
与实施例1基本相同，所不同之处在于：
将激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机相连，计算机将控制的激光功率，扫描速度，重复频率信号输入到激光器，激光器为全固态皮秒激光器。控制器接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路2、振镜3、场镜4和X、Y和Z轴驱动机构完成切割。
锁定发射频率为100KHz；单脉冲能量为100uJ。单脉冲宽度为10ps。
激光器窗口光斑为2mm，发散角为1.0mrad。
整形光路为放大倍率为5倍的扩束光路。
光束传输光路为传输距离500mm的传输光路组成。
振镜转速为500转/秒。
形成所述切割图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为4um。
使用上述激光器进行切割：
(1)将要切割的图像导入到计算机中；
(2)通过安装于计算机的激光切割系统软件读取待切割图像，设置激光输出功率、激光器重复频率和振镜工作频率；
打开激光器，激光运动控制系统根据计算机输出的图像信号进行扫描，高能量的激光束透过CFRP材料在工作面上进行激光标刻。
系统结构图如图1所示。
切割效果如图3所示。其显微观察如图4所示。
实施例3：
与实施例1基本相同，所不同之处在于，
锁定发射频率为10KHz；单脉冲能量为1000uJ。单脉冲宽度为1ps。
激光器窗口光斑为3mm，发散角为1.5mrad。
整形光路为放大倍率为8倍的扩束光路。
光束传输光路为传输距离1000mm的传输光路组成。
振镜转速为1000转/秒。
场镜是F-θ场镜，焦距为200mm。
形成所述切割图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5um。
实施例4：
本发明提供的红外超快激光振镜切割系统，包括红外超快激光器1、整形光路2-1和光束传输光路2-2、聚焦透镜3、4、连续切割平台6和控制器7；
红外超快激光器1为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，高重复频率为20KHz，高能量单脉冲能量为20uJ，单脉冲能量一致性为≤±5％；锁定发射频率为定值；设定激光波长为1064±5nm；
其中通过反射镜8完成光束传输；
聚焦透镜包括控制激光束偏转的扫描振镜3与聚焦激光束的场镜4；
连续切割平台6上设有X、Y和Z轴驱动机构；
红外超快激光器1通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器7相连，计算机将控制的激光功率，扫描速度，重复频率信号输入到激光器1，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路2、振镜3、场镜4和X、Y和Z轴驱动机构上的CFRP材料工件5完成切割。
所述整形光路和光束传输光路之间设有光闸，由控制器控制其开关。
系统结构图如图1所示。
实施例5：
为了切割厚度大于1mm的CFRP材料，本发明将振镜切割系统替换为激光切割头切割系统。
本发明提供的激光切割头切割系统，包括红外超快激光器1、整形光路2-1和光束传输光路2-2、激光切割头9、连续切割平台6和控制器7；所述激光切割头9包括聚焦透镜组11和高压空气喷嘴10。
其余结构与实施例4相同。
系统结构图如图2所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (10)
1.一种锁频单脉冲红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，包括步骤：
1)设置能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，所述高重复频率为1KHz-500KHz，所述高能量单脉冲能量为20uJ-1000uJ，所述单脉冲能量一致性为≤±5％；
2)锁定发射频率为1KHz-500KHz之间的一定值；
3)所述激光器发射的红外超快激光，经过整形光路放大光束尺寸、再经过光束传输光路输入到振镜、再经过场镜后聚焦在连续切割平台上的CFRP材料工件表面；
4)在软硬件控制器的控制下，设置激光参数和加工参数；控制振镜及激光发射，完成CFRP材料的激光切割。
2.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，所述激光器为全固态皮秒激光器，所述激光波长为1064±5nm。
3.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，所述单脉冲宽度为1-10ps。
4.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，所述激光器窗口光斑为1-3mm，发散角为0.5-1.5mrad。
5.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，所述整形光路为放大倍率为1-8倍的扩束光路。
6.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，所述光束传输光路为传输距离10-1000mm的传输光路组成。
7.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，所述振镜转速为100-5000转/秒。
8.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，所述场镜是F-θ场镜或远心场镜，焦距为30-200mm。
9.根据权利要求1所述的红外超快激光CFRP切割方法，其特征在于，形成所述切割图案微型结构的最小分辨率特征尺寸为0.5-15um。
10.实现权利要求1所述精密切割CFRP材料方法的切割系统，其特征在于，所述系统包括红外超快激光器、整形光路和光束传输光路、聚焦透镜、连续切割平台和控制器，
所述红外超快激光器为能够在高重复频率下发射高能量单脉冲且单脉冲能量一致性高的红外超快激光器，所述高重复频率为1KHz-500KHz，所述高能量单脉冲能量为20uJ-1000uJ，所述单脉冲能量一致性为≤±5％；锁定发射频率为1KHz-500KHz之间的一定值；
所述聚焦透镜包括控制激光束偏转的扫描振镜与聚焦激光束的场镜；
所述连续切割平台设有X、Y和Z轴驱动机构；
激光器通过数据线与安装有激光切割系统软件的计算机控制器相连，计算机控制器将控制的激光功率、扫描速度及重复频率信号输入到激光器，并接收激光器的脉冲同步信号，同时控制光路、振镜、场镜和X、Y和Z轴驱动机构完成切割。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication |