一种飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法技术

本发明专利技术提供一种飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法。本发明专利技术包括如下步骤：进行复合材料的飞秒激光烧蚀实验，获得材料的烧蚀阈值F

【技术实现步骤摘要】
一种飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法


[0001]本专利技术涉及复合材料的特种加工领域，尤其涉及一种飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法。

技术介绍

[0002]颗粒增强复合材料(RB
‑
SiC、SiCp/AI)和纤维增强复合材料(CFRP、Cf/SiC、SiCf/SiC)等复合材料，具有密度低、强度高、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优点，在航空航天及其他高温条件使用领域具有广泛的应用潜力。由于复合材料的增强相和基体相物理化学性能差异明显，在加工中存在加工质量差、加工效率低以及工艺稳定性差等问题，进而制约了这类材料的更广泛使用，使得高精度低损伤加工成为其必须解决的关键技术之一。
[0003]超快激光加工在难加工领域有着举足轻重的作用，由于其极高的峰值能量和超短的时间尺度，被广泛的应用于各种难加工材料。与其他加工方式相比，超快激光由于在超短的时间内，释放极大的能量，在热量扩散到未处理区域之前，材料将被超快激光消融，这使得冷加工成为可能。因此其加工的可控性和加工后的材料表面能得到极大的提升。
[0004]然而在复合材料加工领域，由于其各相异性和各向异性，通过仿真和理论计算不易得出宽度和深度，多采用实验方法进行确定，导致加工质量难以保证，使得超快激光的加工可控性大大降低。在公开号为CN112059407A的专利中提出的一种基于深度学习的皮秒超快激光加工系统及方法，为了提高加工可控性选择了被动检测，利用检测器实时监测加工表面，利用人工智能深度学习能力做出调整。但是这是被动检测方法，无法主动控制激光加工的宽度。
[0005]上述问题，极大的限制了超快激光加工烧蚀复合材料的实际应用。因此亟需一种对于超快激光加工复合材料的模型主动预测方法，以主动控制超快激光烧蚀的宽度，提高加工效率和加工质量。

技术实现思路

[0006]本专利技术就上述问题提出了实验与理论相结合的方法。本专利技术针对复合材料烧蚀宽度难以控制问题，提出点烧蚀到线烧蚀思路，建立基于线烧蚀和圆环烧蚀的烧蚀模型，并通过实验验证了预测模型的有效性。包括点烧蚀坑洞半径r的测量、烧蚀阈值F
th
的计算、孵化系数k的计算、划槽烧蚀宽度d
a
的预测、实验验证等。本专利技术采用的技术手段如下：
[0007]一种飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1，进行复合材料的飞秒激光烧蚀实验，获得材料的烧蚀阈值F
th
；
[0009]步骤S2，建立激光划槽烧蚀模型，模型微元区内一点积累的总能量密度F
w
达到材料的烧蚀阈值F
th
，材料发生烧蚀；
[0010]步骤S3，进行激光不同扫描速率下的划槽烧蚀实验，得到不同激光扫描速率v与孵化系数之间的对应关系，根据得到的扫描速度与孵化系数的关系，在选定激光扫描速率v和能量E
p
后，选择出对应的孵化系数k，进而预测出划槽烧蚀的宽度d
a
。
[0011]进一步地，步骤S1具体包括如下步骤：
[0012]进行不同激光能量的单点烧蚀实验，在测量点烧蚀坑洞半径时，同一参数烧蚀3个烧蚀坑，每个烧蚀坑测量3次，9个数值的平均值为点烧蚀坑洞的烧蚀直径D，烧蚀半径通过r＝D/2计算得到。
[0013]实验采用的高斯光束，其横截面内的能量密度F分布公式和峰值能量密度F0公式如下：
[0014][0015][0016]式中F0表示激光的峰值能量密度，x表示距离光束中心的距离，ω表示激光半径，E
p
为激光能量；
[0017]根据式(1)、(2)，可得单脉冲能量与烧蚀半径的数学关系，公式如下：
[0018][0019]利用实验得到的数据和式(3)进行散点图绘制并做线性拟合，利用斜率和截距计算材料的烧蚀阈值F
th
。
[0020]进一步地，所述步骤S2中建立的激光划槽烧蚀模型包括直线和圆环划槽烧蚀，其中的圆环烧蚀微元等效为直线烧蚀微元，基于选定激光的作用区间l
x
计算激光烧蚀微元区的总脉冲数n，利用激光能量分布规律计算所述激光总能量密度F
w
。
[0021]进一步地，利用激光能量分布规律计算所述激光总能量密度F
w
具体为：
[0022]针对直线和圆环槽，选定激光烧蚀微元区域，再根据激光烧蚀的设定参数，得到激光作用的总脉冲数n；
[0023]计算激光作用总脉冲数的公式如下：
[0024][0025]式中，l
x
为选定激光烧蚀微元长度，f为激光作用频率，d
a
为激光烧蚀半径，θ
s
为起始烧蚀角。
[0026]根据所选定微元区间和总脉冲数，将微元区按角度进行划分，公式如下：
[0027][0028]式中，i为微元内烧蚀的第i次脉冲，θ
i
激光光斑中心到烧蚀边界点连线与扫描方向垂直方向的夹角，θ
p
终止烧蚀角；
[0029]累积每一个脉冲激光在烧蚀边界点的能量，得到激光能量密度总和F
w
。
[0030]进一步地，每一个脉冲在边界点的能量密度F
i
公式和边界点所处半径r
i
与θ
i
的关系公式如下：
[0031][0032][0033]根据式(5)、(6)、(7)，可得总激光能量密度F
w
如下：
[0034][0035]进一步地，所述步骤S2中，经过一段时间的脉冲激光能量的积累后，如公式(9)所示，微元区内一点积累的能量密度F
w
达到材料的烧蚀阈值F
th
，材料发生烧蚀。而当该点发生烧蚀时，与激光光斑中心点O恰好处于与扫描路径垂直的直线上时，称该点为烧蚀边界点，该点所在位置即为划槽烧蚀的槽宽边界点。利用公式表示如下：
[0036]F
w
＝F
th
ꢀꢀ
(9)。
[0037]进一步地，所述步骤S3包括如下步骤：
[0038]S31，根据激光扫描速率，选择对应的孵化系数和加工参数，计算得到划槽烧蚀槽宽d
a
；
[0039]S32，进行滑槽烧蚀实验验证并与预测结果进行对比，误差小于误差设定值10％即可用于实际加工；否，则重新计算孵化系数，直到误差小于误差设定值。
[0040]本专利技术具有以下优点：
[0041]1、本专利技术利用了点烧蚀与线烧蚀之间的孵化关系，分析激光扫描速度对于孵化系数的关系，建立基于线烧蚀和圆环烧蚀的烧蚀模型，并通过实验验证了预测模型的有效性。
[0042]2、本专利技术将烧蚀时间与微观烧蚀脉冲相结合，采用激光烧蚀微元区分析方法，基于多个激光脉冲累计能量密度总和等于复合材料烧蚀阈值，将实际实验与模型预测结果相结合，实现复合材料烧蚀宽度的准确预测。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，进行复合材料的飞秒激光烧蚀实验，获得材料的烧蚀阈值F
th
；步骤S2，建立激光划槽烧蚀模型，模型微元区内一点积累的总能量密度F
w
达到材料的烧蚀阈值F
th
，材料发生烧蚀；步骤S3，进行激光不同扫描速率下的划槽烧蚀实验，得到不同激光扫描速率v与孵化系数之间的对应关系，根据得到的扫描速度与孵化系数的关系，在选定激光扫描速率v和能量E
p
后，选择出对应的孵化系数k，进而预测出划槽烧蚀的宽度d
a
。2.根据权利要求1所述的飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下步骤：进行不同激光能量的单点烧蚀实验，在测量点烧蚀坑洞半径时，同一参数烧蚀3个烧蚀坑，每个烧蚀坑测量3次，9个数值的平均值为点烧蚀坑洞的烧蚀直径D，烧蚀半径通过r＝D/2计算得到；实验采用的高斯光束，其横截面内的能量密度F分布公式和峰值能量密度F0公式如下：公式如下：式中F0表示激光的峰值能量密度，x表示距离光束中心的距离，ω表示激光半径,E
p
为激光能量；根据式(1)、(2)，可得单脉冲能量与烧蚀半径的数学关系，公式如下：利用实验得到的数据和式(3)进行散点图绘制并做线性拟合，利用斜率和截距计算材料的烧蚀阈值F
th
。3.根据权利要求1或2所述的飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法，其特征在于，所述步骤S2中建立的激光划槽烧蚀模型包括直线和圆环划槽烧蚀，其中的圆环烧蚀微元等效为直线烧蚀微元，基于选定激光的作用区间l
x
计算激光烧蚀微元区的总脉冲数n，利用激光能量分布规律计算所述激光总能量密度F
w
。4.根据权利要求3所述的飞秒激光烧蚀复合材料槽宽预测方法，其特征在于，利用激光能量分布规律计算所述激光总能量密度F
w
具体为：针对直线和圆环槽，选定激光烧蚀微元区域，再根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：康仁科，马广义，焦荣哲，杨峰，鲍岩，董志刚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：