碳纤维复合材料水导激光加工质量研究

论文摘要

水导激光加工技术相比传统激光加工技术具有加工材料表面热损伤小、加工深度能力强及加工锥度效应小等优点,展现出优越的加工能力。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由树脂基体和纤维增强相两种异质材料组合而成,两种材料性能差异很大。在激光加工过程中,由于局部高热高压,会造成基体裂纹、纤维脱粘、材料分层等损伤。水导激光加工利用光在稳定的层流水柱中会发生全反射的现象,将激光和水射流结合起来,将激光聚焦进高压水腔的微小喷嘴内,喷嘴在空气中射出层流水柱,将激光传输到工件进行加工。具有热影响小、对工件位置不敏感等优势。水导激光切割可实现复合材料的高精密、低损伤绿色加工。水导激光加工复合材料的主要优势如下:材料表面热损伤小,可以忽略;能加工复杂形状构件,并具有高加工精度与表面粗糙度;能加工非导电材料;无显微分层、无毛刺等缺陷。采用单项水导激光加工、双向水导激光加工、拉锯式水导激光加工三种加工工艺方法加工相同的复合材料试片,三种加工方法的热损伤均较低,切割边缘无毛刺分层缺陷。根据测试结果可以看出双向激光开启加工比单向激光加工加工效率高50%左右,且均未出现毛刺、污染物、微裂纹等缺陷。拉锯式切割,每次切割长度较小所以切割效率远远小于另外两种加工策略,且因为材料同一位置短时间内被激光多次照射,材料散热情况较差,所以表面热损伤累积出现崩口和微裂纹等缺陷。此外,针对碳纤维树脂基复合材料(CFRP)的精密切割加工难题,开展了复合材料水导激光加工工艺试验,通过对水导激光加工表面形貌进行观测,并与传统激光加工复合材料的表面形貌进行对比分析。结果发现采用传统干式激光加工时,复合材料表面会产生基体裂纹、纤维脱粘、材料分层等损伤,损伤深度甚至大于1mm,而采用水导激光工艺方法,复合材料加工表面没有热损伤、无分层、无撕裂等缺陷。然而,水导激光加工中的功率较低,加工能力有限,而高功率激光与层流水柱的有效耦合存在难度高、可靠性差等问题。如何保持高功率激光在层流水柱中的激光光束全反射的稳定性和和可持续性,提高水导激光加工的深度能力是目前水导激光加工应用的关键性问题。

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文章来源

类型: 国内会议

作者: 孙小峰,何方舟

关键词: 水导激光,碳纤维树脂基复合材料,加工质量

来源: 第18届全国特种加工学术会议 2019-07-31

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 上海飞机制造有限公司

分类号: TB33;TN249

DOI: 10.26914/c.cnkihy.2019.068691

页码: 172

总页数: 1

文件大小: 734k

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