一种激光加工CFRP材料的方法技术

本发明专利技术提供了一种激光加工CFRP材料的方法，包括如下步骤：用激光除胶法预处理CFRP材料的板材表面，使表层碳纤维裸露，且增大金属镀层与碳纤维的浸润性；通过激光逐层去除CFRP板材表面加工区域的材料，并形成微孔或微槽，实现CFRP板材表面的图案化处理；通过激光熔覆使CFRP板材表面加工区域内相邻微孔或微槽之间间隙处镀层。本发明专利技术操作简单，成本较低，污染较小，铣削后的凹槽加工精度高、热影响区小，所制备的镀层与碳纤维形成冶金结合，镀膜均匀致密。密。密。

【技术实现步骤摘要】
一种激光加工CFRP材料的方法


[0001]本专利技术涉及碳纤维增强热塑性复合材料激光加工领域，特别涉及一种激光加工CFRP材料的方法。

技术介绍

[0002]碳纤维增强热塑性复合材料(CFRP)具有比强度和比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀及特殊的电磁性能等独特的优点，在很多应用领域内都具有很强的竞争力。在实际应用中，大多数航天器械、各类桥梁建筑加固中都运用CFRP材料部分代替金属材料。以飞机制造业为例，航空公司已经成功将其应用到飞机垂尾、水平尾翼、整流罩、客舱地板梁、升降舵等部件上，并且对CFRP的使用逐渐从只应用于次承力构件转变为应用于主承力构件，在保证机体结构强度的同时大幅降低了机身重量。CFRP部件在装配过程中需要进行钻孔、切割、铣削等加工；在服役过程中，其遭受撞击或雷击破坏后需要去除受损材料，进行修补以保证结构强度。在CFRP材料表面制备金属涂层还可以有效的提高其力学性能和使用寿命，满足CFRP结构件的功能和防护要求。比如，在碳纤维表面金属化可以显著提高无机增强纤维的导电性能和导磁性能，用表面金属化的碳纤维做为导电填料制备的复合材料具有良好的电磁屏蔽性能，可用作飞机的吸波材料以及军事飞机的骨架和蒙皮，使其具有隐身能力。此外，除了军事和航天的用途外，表面金属化的碳纤维在小型大容量电容器、磁性薄膜、电子设备以及各种功能性元器件等方面也具有较好的用途。
[0003]目前，对CFRP的加工方式大概有传统机械加工与非接触式特种加工两种，而非接触式特种加工技术包括：磨粒水射流加工、电火花加工、激光加工。与传统机械加工相比，非接触式特种加工技术具有切口小、效率高、无工具磨损等优点，在碳纤维复合材料加工中得到了大量的关注。然而磨粒水射流加工存在材料吸湿老化问题，尤其在型腔铣削中，水束不稳定的冲击与反射降低了加工精度。电火花加工同样存在材料吸湿老化问题，加工精度差。而激光加工，激光能量可控性好、无需借助液态介质，相对于磨粒水射流或电火花加工，激光加工具有更强的加工适应性。本专利技术提出的利用短脉冲激光对CFRP板材进行铣削刻蚀，聚焦光斑直径远小于碳纤维复合材料加工结构特征尺寸，可调节加工深径比，避免激光光陷效应并创造良好的排屑条件，实现中厚碳纤维复合材料构件加工。例如在航空航天领域，飞机或航天器可在微孔微槽中安置微型传感器；飞机或航天器的相邻部件之间的紧固件(螺栓螺母)，都可安置在碳纤维复合材料的微孔微槽中。可见激光对CFRP板材进行铣削刻蚀可实现并满足我国航空航天领域对高性能碳纤维复合材料加工的迫切需求。
[0004]目前CFRP表面制备金属涂层的主要工艺手段包括真空沉积和喷涂。真空沉积技术是利用热蒸发或辉光放电、弧光放电等物理过程，在基材表面沉积所需涂层的技术，其主要包括真空蒸发镀膜、溅射和离子镀膜。真空沉积技术在CFRP材料表面制备的金属薄膜缺陷较少，应力较低，理论上利用该技术能够实现复杂CFRP材料结构件表面金属化处理，但是由于受厚度和成本的限制，该技术在CFRP材料表面金属化领域不能广泛应用。而喷涂法是通过金属颗粒以熔化或者半熔化的形式嵌入或粘附在相对较软的CFRP或者树脂基体上来完
成的，根据用于金属粉末加速和加热源的不同，目前CFRP或者树脂材料的热喷涂金属化过程可分为四类：1.等离子喷涂；2.火焰喷涂；3.电弧喷涂；4.冷喷涂。从现阶段研究情况看，传统制备金属涂层的方法，如等离子喷涂、溅射镀膜等方法，主要存在如下问题：
[0005]1.现有涂层沉积速率较低，成本高，并且难以实现复杂结构表面的熔覆；
[0006]2.涂层的附着力较低，除等离子喷涂外其他方法金属涂层只是在CFRP材料表面固化、贴合，以机械结合为主，并没有发生化学反应，实现其原子间的结合。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种激光加工CFRP材料的方法，提出激光熔覆技术，此技术的出现克服了这些不足，与其它表面加工技术相比，激光熔覆金属化技术具有应用面广、更易实现自动化，并且可以快速的在碳纤维复合材料表面制备连续的、均匀的合金涂层，粉末与CFRP材料中树脂和碳纤维发生充分的化学冶金反应，在工程上得到越来越多的应用。本专利技术操作简单，成本较低，污染较小，铣削后的凹槽加工精度高、热影响区小，所制备的镀层与碳纤维形成冶金结合，镀膜均匀致密。
[0008]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0009]一种激光加工CFRP材料的方法，包括如下步骤：
[0010]用激光除胶法预处理CFRP材料的板材表面，使表层碳纤维裸露，且增大金属镀层与碳纤维的浸润性；
[0011]通过激光逐层去除CFRP板材表面加工区域的材料，并形成微孔或微槽，实现CFRP板材表面的图案化处理；
[0012]通过激光熔覆使CFRP板材表面加工区域内相邻微孔或微槽之间间隙处镀层。
[0013]进一步，所述激光除胶法中激光的脉冲宽度为10fs
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500ns，激光的重复频率为10
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100KHz，激光的功率为10
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100w，激光的扫描速度为10
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5000mm/s。
[0014]进一步，通过短脉冲激光逐层铣刻去除CFRP板材表面；所述CFRP板材表面加工区域形成的微孔或微槽的深度为0.1
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5mm，所述微孔或微槽的直径或宽度为0.1
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5mm；相邻两个微孔或微槽的间隔为1
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3mm；所述短脉冲激光加工扫描速度约为5
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1500mm/s，所述短脉冲激光的功率为5
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50W，所述短脉冲激光的重复频率为10
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100KHz，所述短脉冲激光的脉冲宽度为10fs
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500ns。
[0015]进一步，通过激光铺粉熔覆方法使CFRP板材表面加工区域内相邻微孔或微槽之间间隙处镀层；将金属粉末与酒精混合为粘稠状后平铺于CFRP板材表面间隙处，使得金属粉末与CFRP板材表面贴合度增加，待酒精挥发后通过铺粉式激光熔覆镀层。
[0016]进一步，所述铺粉式激光熔覆使用脉冲激光或连续激光进行激光熔覆，所述脉冲激光的脉冲宽度为0.5ms
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200ms，脉冲激光的激光功率为200
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1000W，脉冲激光的脉冲频率为10
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100Khz；所述连续激光的激光功率为200
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1000W，所述连续激光的扫描速度为0.1
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10m/s；所述铺粉式激光熔覆的铺粉厚度为0.1
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2mm。
[0017]进一步，通过激光喷粉熔覆方法使CFRP板材表面加工区域内相邻微孔或微槽之间间隙处镀层；将金属粉末加热烘干后放入送粉器内，送粉气体为氩气，通过喷粉式激光熔覆镀层。
[0018]进一步，所述喷粉式激光熔覆使用脉冲激光或连续激光进行激光熔覆，所述脉冲
激光的脉冲宽度为0.5ms...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光加工CFRP材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：用激光除胶法预处理CFRP材料的板材表面，使表层碳纤维裸露，且增大金属镀层与碳纤维的浸润性；通过激光逐层去除CFRP板材表面加工区域的材料，并形成微孔或微槽，实现CFRP板材表面的图案化处理；通过激光熔覆使CFRP板材表面加工区域内相邻微孔或微槽之间间隙处镀层。2.根据权利要求1所述的激光加工CFRP材料的方法，其特征在于，所述激光除胶法中激光的脉冲宽度为10fs
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500ns，激光的重复频率为10
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100KHz，激光的功率为10
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100w，激光的扫描速度为10
‑
5000mm/s。3.根据权利要求1所述的激光加工CFRP材料的方法，其特征在于，通过短脉冲激光逐层铣刻去除CFRP板材表面；所述CFRP板材表面加工区域形成的微孔或微槽的深度为0.1
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5mm，所述微孔或微槽的直径或宽度为0.1
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5mm；相邻两个微孔或微槽的间隔为1
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3mm；所述短脉冲激光加工扫描速度约为5
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1500mm/s，所述短脉冲激光的功率为5
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50W，所述短脉冲激光的重复频率为10
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100KHz，所述短脉冲激光的脉冲宽度为10fs
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500ns。4.根据权利要求1所述的激光加工CFRP材料的方法，其特征在于，通过激光铺粉熔覆方法使CFRP板材表面加工区域内相邻微孔或微槽之间间隙处镀层；将金属粉末与酒精混合为粘稠状后平铺于CFRP板材表面间隙处，使得金属粉末与CFRP板材表面贴合度增加，待酒精挥发后通过铺粉式激光熔覆镀层。5.根据权利要求4所述的激光加工CFRP材料的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶云霞，张子靖，朱嘉鑫，任旭东，花银群，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：