本实用新型专利技术公开了一种水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料的装置，属于特种加工的应用领域。本装置由两大系统组成，分别为激光加工系统、水辅助冷却系统，其特点在于，在加工之前，向冷却液槽中注入定量的冷却用水，将碳纤维材料通过工作台固定在冷却用水中指定位置或只保留材料正面在空气之中。材料浸泡在水中可以有效减小激光切割材料背面产生的热影响区，使得材料加工表面尽可能的减少纤维拔出，材料背面的切缝宽度明显减小。通过本实用新型专利技术提供的装置，可以实现切割碳纤维材料时缩小切缝和纤维拔出，以减少对材料加工的热损伤，从而得到良好的加工效果。
【技术实现步骤摘要】
：本技术涉及特种加工应用领域，具体为一种水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料的装置。
技术介绍
：碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)是由具有优秀力学性能的碳纤维作为增强体、树脂作为基体固化成形的先进复合材料，这两种材料的组合使得CFRP具有比强度高、比刚度高、重量轻及可设计性等优点，因此，越来越广泛地应用于航空航天和汽车领域。但是，由于其性能主要受到碳纤维和基体的特性差异、纤维的取向以及纤维和基体的体积含量的影响，导致它具有层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大等特点，这使得CFRP的传统接触式机械加工容易出现一系列的问题，比如：刀具极易被磨损、复合材料分层和纤维容易破碎等加工质量不高、材料加工后性能变差等。激光切割以其切缝窄、切割速度快、无机械切削力和能够切割各种复杂形状的部件等优点，已经成功应用于金属和非金属的切割。然而由于碳纤维在径向和纵向热膨胀系数的不同以及碳纤维与树脂基体的热性能上的巨大差异，使得激光切割CFRP非常的困难，主要表现在激光切割后出现的一系列热损伤：热影响区、纤维拔出、分层等。
技术实现思路
：基于激光切割碳纤维复合材料过程中存在的各种问题，本技术通过引入水辅助冷却技术，利用水的冷却作用辅助激光切割碳纤维复合材料，以期缩小材料的热影响区，并减少纤维拔出情况，从而提高材料的加工质量。本技术所述的一种水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料的装置，该装置包括激光加工系统，所述的激光加工系统的激光束通过反射镜进入激光头，所述的激光头还需要通入辅助气体；本技术方案的主要技术关键在于：还包括有水辅助冷却系统，所述的水辅助冷却系统包括固定工作台、冷却液槽、冷却用水，所述的水辅助冷却系统在加工前需要向冷却液槽中注入定量的冷却用水，装置的固定工作台把碳纤维复合材料固定在冷却用水中以辅助冷却加工；所述的激光束与辅助气体经激光头共同射到位于冷却用水中的碳纤维复合材料上以进行切割加工。碳纤维复合材料固定在冷却用水中时，优选的方式是将切割材料浸泡至只保留顶面在空气中。在本技术中，所述激光加工系统包括反射镜、激光束、辅助气体、激光头，激光的电流强 度为120～200A，脉冲宽度为0.4～1.8ms，脉冲重复频率为20～50HZ，离焦量为1～3mm，激光扫描速度为0.6～1.5mm/s，激光加工系统产生的激光束最终从激光头发出。本技术具有的有益效果：(1)水辅助冷却系统非常简单，成本低，对材料无损伤；(2)水辅助冷却系统的冷却作用能够有效缩小材料背面的热影响区，降低材料加工区域纤维拔出情况；(3)激光的高能量能够实现快速切割材料；(4)利用激光、水辅助冷却两者的共同作用，能够获得良好的加工效果。附图说明：图1是本技术加工装置的结构示意图。其中：1、固定工作台；2、冷却用水；3、冷却液槽；4、工作台；5、碳纤维复合材料；6、激光头；7、辅助气体；8、激光束；9、反射镜具体实施方式：为了使本技术的技术方案能够更加清晰地表示出来，下面结合附图，对本技术作进一步说明。请参阅图1，是一种水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料的装置的一种具体实施方案，包括激光加工系统、水辅助冷却系统，所述激光加工系统的激光束8通过反射镜9反射进入激光头6，所述激光头6还需要通入辅助气体7，所述辅助气体氧气7与激光束8经激光头6共同射到材料5上；激光加工系统包括反射镜9、激光束8、辅助气体氧气7、激光头6，激光的电流强度为120～200A，脉冲宽度为0.4～1.8ms，脉冲重复频率为20～50HZ，离焦量为1～3mm，激光扫描速度为0.6～1.5mm/s，所述激光系统产生的激光束8最终从激光头6发出。水辅助冷却系统中包括辅助冷却用水2、冷却液槽3、工作台4，所述水辅助冷却系统的冷却液槽3中注入定量的冷却用水2直至浸泡需要加工的材料5只保留顶面在空气之中，或者所述工作台4把碳纤维复合材料5固定在冷却用水2中指定位置以辅助冷却加工；待加工完成后，将冷却用水放出，最后取出材料。在实际应用过程中，具体流程为：(1)确定材料尺寸及加工轨迹；(2)开始水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料。以切割增强纤维为T300，基体为环氧树脂，各占50％，铺层为对称铺置，属于正交 层合板(铺层方向仅为0度与90度)，板厚2mm的碳纤维复合材料板为例，对本技术的切割步骤进行详细介绍。具体实现步骤如下：(1)确定材料尺寸及加工轨迹将切割增强纤维为T300，基体为环氧树脂，各占50％，铺层为对称铺置，属于正交层合板(铺层方向仅为0度与90度)，板厚2mm的碳纤维复合材料板固定在工作台4上，并且加工轨迹为从碳纤维复合材料板的边界至材料中心。(2)开始水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料正常启动空气开关和激光器开光，激光器为500W的Nd：YAG激光器，把激光器的电流强度调为160A，脉冲宽度调为0.6ms，脉冲重复频率调为30HZ，离焦量设为0.8mm，辅助气体7压强设为4MPa。开始向冷却液槽中注入辅助冷却用水，直至浸泡需要加工的材料只保留顶面在空气之中，固定好材料的位置。确定激光的扫描速度为1.0mm/s，激光按照预定路径进行切割，实际加工过程中还采用了水射流辅助的方式来提升材料正面的加工质量。加工过程全部结束。通过上述步骤可以方便的切割碳纤维复合材料，通过水辅助冷却系统，有效缩小了材料背面激光切割时产生的热影响区，并改善了纤维拔出情况，同时减小了切缝宽度，提高了产品的加工质量。以上所述仅表达了本技术的一种实施方式，其表述比较详细，但是不可以理解为对本技术专利范围的限制。需要说明的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以作任何形式的修改。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为依据。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料的装置，包括激光加工系统，所述的激光加工系统的激光束(8)通过反射镜(9)进入激光头(6)，所述的激光头(6)还需要通入辅助气体(7)，其特征在于：还包括水辅助冷却系统，所述的水辅助冷却系统包括固定工作台(4)、冷却液槽(3)、冷却用水(2)，所述的水辅助冷却系统在加工前需要向冷却液槽(3)中注入定量的冷却用水(2)，装置的固定工作台(4)把碳纤维复合材料(5)固定在冷却用水(2)中以辅助冷却加工；所述的激光束(8)与辅助气体(7)经激光头(6)共同射到位于冷却用水(2)中的碳纤维复合材料(5)上以进行切割加工。
【技术特征摘要】
1.一种水辅助冷却激光切割碳纤维复合材料的装置，包括激光加工系统，所述的激光加工系统的激光束(8)通过反射镜(9)进入激光头(6)，所述的激光头(6)还需要通入辅助气体(7)，其特征在于：还包括水辅助冷却系统，所述的水辅助冷却系统包括固定工作台(4)、冷却液槽(3)、冷却用水(2)，所述的水辅助冷却系统在加工前需要向冷却液槽(3)中注入定量的冷却用水(2)，装置的固定工作台(4)把碳纤维复合材料(5)固定在冷却用水(2)中以辅助冷却加工；所述的激光束(8)与辅助气体(7)经激光头(6)共同射到位于冷却用水(2...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁根福，章辰，丛启东，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32
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