CN111069798A - 一种碳纤维复合材料激光制孔方法及工装夹具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料激光制孔方法，包括步骤1：用酒精棉对待处理碳纤维复合材料进行表面擦拭，去除表面污染物，晾干后备用；步骤2：采用超短脉冲激光加工***对步骤1得到的碳纤维复合材料按照设计好的扫描轨迹进行激光扫描加工处理，制备不同孔径的加工孔，所述超短脉冲激光器采用皮秒激光器，可避免长脉冲激光加工易引起的热效应等缺陷。本发明的激光制孔方法制得的孔表面形貌良好、边缘整齐、无明显缺陷，相比机械制孔方式，可显著减少热辐射区，降低圆孔内壁的粗糙度，提高制孔的精度。本发明还公开了适用于碳纤维复合材料激光制孔方法的工装夹具，能够有效降低加工区温度，减小热辐射区。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料激光制孔方法及工装夹具，属于碳纤维复合材料激光加工技术领域。
背景技术
碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称CFRP)具有比强度高、比刚度大、密度小、结构尺寸稳定、可设计性强及良好的抗疲劳性能和耐腐蚀性等优点，都是其他传统材料不可比拟和替代的优越性质，因此在航空、汽车、轨道交通等领域得到广泛应用。
CFRP成型后，多数情况下尚须进行大量的制孔加工，以满足装配、连接等要求，连接孔的加工质量直接关系到零部件的装配质量和使用寿命。CFRP是由碳纤维和基体组成的二相或多相结构，具有非均质和各向异性，且碳纤维的硬度很高，采用传统的机械加工方式易出现如刀具磨损、复合材料分层、纤维破碎及加工后性能变差等问题。激光加工可以克服其技术方面所面临的各种困难，如需要接触式加工、昂贵的真空设备、无法加工致密材料和非平版样品等，这使激光加工在特种加工领域受到极大的偏爱。
但由于CFRP中碳纤维增强体在热膨胀系数、气化温度等热力学性能方面与基体存在相当大差异，激光加工过程中易出现热影响区、纤维拔出、复合材料分层、纤维末端膨胀等缺陷，严重影响CFRP的静态强度，导致激光加工CFRP面临巨大挑战。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中激光加工引起的热缺陷，提供一种可以提高碳纤维复合材料激光制孔质量的加工方法。
解决上述问题，可以采用以下技术方案来实施：
一种碳纤维复合材料激光制孔方法，包括如下步骤：
步骤1：用酒精棉对待处理碳纤维复合材料进行表面擦拭，去除表面污染物，晾干后备用；
步骤2：采用超短脉冲激光加工***对步骤1得到的碳纤维复合材料按照设计好的扫描轨迹进行激光扫描加工处理，制备不同孔径的加工孔，所述超短脉冲激光器采用皮秒激光器。
进一步，步骤2所述的皮秒激光器的激光波长为355nm、532nm或1064nm，聚焦光斑直径为14-16μm，激光功率为5-50W，皮秒激光器脉冲宽度为8-12皮秒，激光重复频率为400-4000kHz。
步骤2所述激光扫描加工处理的工艺参数为：扫描速度为2000-5000mm/s，加工次数1000-2000次，每10-20次光束焦点下降0.03-0.06mm。
所述激光扫描轨迹为圆环形，其中最外圈圆环的直径为3-10mm，圆环圈数为50-150圈，每圈间隔0.005-0.015mm，由外向内进行画圈。
优选的，步骤2所述激光扫描轨迹为圆环形，其中最外圈圆环的直径为5mm，圆环圈数为100圈，每圈间隔0.007mm，由外向内进行画圈。
再进一步，所述圆环形采用同心圆圈或者螺旋圆圈。
更进一步的改进是，在步骤2所述的激光扫描加工处理中，碳纤维复合材料的固定方式采用两边固定、中间隔空的形式放置在吸附平台上，下部设有吸尘***，及时吸走加工粉末。
为了配合上述方案的实施，本发明还提供了一种适用于碳纤维复合材料激光制孔方法的工装夹具，包括中间镂空的夹具上板和中间镂空的夹具下板，所述夹具上板安装在夹具下板上用于装夹碳纤维复合材料，夹具上板与夹具下板的两边通过螺栓固接。
进一步，所述夹具上板与夹具下板均采用碳纤维复合材料制成。
所述夹具上板及夹具下板中间的镂空区均为方形。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的激光制孔方法通过皮秒脉冲激光结合设计好的扫描轨迹来制备加工孔，由于皮秒脉冲激光具有典型的超短脉宽、超高峰值功率特性，可以避免长脉冲激光加工易引起的热效应等缺陷，且相比飞秒激光，其加工成本低、加工效率更高。
2、本发明的激光制孔方法通过合理的工艺参数，配合由外向内画圈的扫描轨迹，制得的孔表面形貌良好、边缘整齐、无明显缺陷。相比机械制孔方式，可显著减少热辐射区，降低圆孔内壁的粗糙度，提高制孔的精度。
3、采用本发明方法制得的孔边缘质量较好，为碳纤维复合材料在飞机、汽车、轨道交通中的广泛应用奠定了基础。
4、本发明的激光制孔方法在激光扫描加工处理中，采用两边固定、中间隔空的形式将碳纤维复合材料放置在吸附平台上，下部设有吸尘***，能够有效降低加工区温度，减小热辐射区。
5、本发明的工装夹具通过在夹具上板的中间开设镂空区有利于散热，减小热辐射区，确保制孔质量和精度。夹具上板与夹具下板均采用碳纤维复合材料制成，可有效减少热辐射。
附图说明
图1为本发明一优选实施例的工装夹具结构示意图。图中：1为碳纤维复合材料；2为夹具上板；3为夹具下板；4为螺栓；5为激光光束。
图2a为本发明第一实施例所涉及的激光扫描路径为同心圆圈的示意图。
图2b为本发明第二实施例所涉及的激光扫描路径为螺旋圆圈的示意图。
图3a为本发明第一实施例制备得到的同心圆圈孔表面形貌图。
图3b为本发明第二实施例制备得到的螺旋圆圈孔表面形貌图。
图4a为本发明图3a的局部放大图。
图4b为本发明图3b的局部放大图。
图5a为本发明第一实施例制备得到的同心圆圈孔内壁形貌及粗糙度测量结果。
图5b为本发明第二实施例制备得到的螺旋圆圈孔内壁形貌及粗糙度测量结果。
图5c为现有技术机械制孔内壁形貌及粗糙度测量结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供了一种碳纤维复合材料激光制孔方法，包括如下步骤：
步骤1：用酒精棉对待处理碳纤维复合材料进行表面擦拭，去除表面污染物，晾干后备用；
步骤2：采用超短脉冲激光加工***对步骤1得到的碳纤维复合材料按照设计好的扫描轨迹进行激光扫描加工处理，制备不同孔径的加工孔，所述超短脉冲激光器采用皮秒激光器。所述皮秒激光器的激光波长为355nm、532nm或1064nm，聚焦光斑直径为14-16μm，激光功率为5-50W。脉冲宽度为10皮秒，激光波长为355nm，聚焦光斑直径为15μm，激光功率为13.5W，激光重复频率为1400kHz。所述激光扫描加工处理的工艺参数为：扫描速度为3500mm/s，加工次数1400次，每14次光束焦点下降0.05mm。所述激光扫描轨迹为圆环形，其中最外圈圆环的直径为5mm，圆环圈数为100圈，每圈间隔0.007mm。其中最外圈圆环的直径为5mm，圆环圈数为100圈，每圈间隔0.007mm。
实施例1
所述圆环形采用如图2a所示的同心圆圈由外向内进行画圈扫描，参考图3a，这种方式制得的同心圆孔的孔边缘均较整齐，表面形貌良好，有少量热影响区，参考图4a可知，同心圆孔有约110μm左右的热影响区。图5c中机械孔内壁粗糙度Sa为4.02μm，参考图5a，同心圆圈孔内壁粗糙度Sa仅为3.01μm，粗糙度明显降低。
实施例2
与实施例1不同的是，所述圆环形采用如图2b所示的螺旋圆圈由外向内进行画圈扫描，参考图3b，这种方式制得的螺旋圆圈孔的孔边缘均实施例1更为整齐，表面形貌良好，有少量热影响区，参考图4b可知，螺旋圆圈孔热影响区较实施例1进一步减少，螺旋圆圈孔热影响区在75μm左右。图5c中机械孔内壁粗糙度Sa为4.02μm，参考图5b，螺旋圆圈孔内壁粗糙度Sa仅为2.61μm，粗糙度显著降低。
以上两个实施例，均采用基恩士光学显微镜观察激光制孔的表面形貌、孔内壁形貌以及测量内壁粗糙度。
结合图1所示，本发明还提供了一种适用于碳纤维复合材料激光制孔方法的工装夹具，包括中间镂空的夹具上板2和中间镂空的夹具下板3，所述夹具上板2安装在夹具下板3上，用于将装夹碳纤维复合材料1装夹在两者之间，夹具上板2与夹具下板3的两边通过螺栓4固接，激光光束5在夹具上板2及夹具下板3的中间镂空区进行加工。所述夹具上板2及夹具下板3中间的中间镂空区优选为方形。
以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳纤维复合材料激光制孔方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：用酒精棉对待处理碳纤维复合材料进行表面擦拭，去除表面污染物，晾干后备用；
步骤2：采用超短脉冲激光加工***对步骤1得到的碳纤维复合材料按照设计好的扫描轨迹进行激光扫描加工处理，制备不同孔径的加工孔，所述超短脉冲激光器采用皮秒激光器。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料激光制孔方法，其特征在于：
步骤2所述的皮秒激光器的激光波长为355nm、532nm或1064nm，聚焦光斑直径为14-16μm，激光功率为5-50W，皮秒激光器脉冲宽度为8-12皮秒，激光重复频率为400-4000kHz。
3.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料激光制孔方法，其特征在于：
步骤2所述激光扫描加工处理的工艺参数为：扫描速度为2000-5000mm/s，加工次数1000-2000次，每10-20次光束焦点下降0.03-0.06mm。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料激光制孔方法，其特征在于：
步骤2所述激光扫描轨迹为圆环形，其中最外圈圆环的直径为3-10mm，圆环圈数为50-150圈，每圈间隔0.005-0.015mm，由外向内进行画圈。
5.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料激光制孔方法，其特征在于：
步骤2所述激光扫描轨迹为圆环形，其中最外圈圆环的直径为5mm，圆环圈数为100圈，每圈间隔0.007mm，由外向内进行画圈。
6.根据权利要求4所述的碳纤维复合材料激光制孔方法，其特征在于：
所述圆环形采用同心圆圈或者螺旋圆圈。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料激光制孔方法，其特征在于：
在步骤2所述的激光扫描加工处理中，碳纤维复合材料的固定方式采用两边固定、中间隔空的形式放置在吸附平台上，下部设有吸尘***，及时吸走加工粉末。
8.一种适用于权1至权7任一权利要求所述的碳纤维复合材料激光制孔方法的工装夹具，其特征在于：
包括中间镂空的夹具上板和中间镂空的夹具下板，所述夹具上板安装在夹具下板上用于装夹碳纤维复合材料，夹具上板与夹具下板的两边通过螺栓固接。
9.根据权利要求8所述的适用于碳纤维复合材料激光制孔方法的工装夹具，其特征在于：
所述夹具上板与夹具下板均采用碳纤维复合材料制成。
10.根据权利要求8所述的适用于碳纤维复合材料激光制孔方法的工装夹具，其特征在于：
所述夹具上板及夹具下板中间的镂空区均为方形。
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