一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法技术

本发明专利技术涉及激光加工技术领域，具体为一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，包括以下步骤：步骤(1)确定激光加工路径；步骤(2)确定加工顺序；步骤(3)固定待加工复合材料；步骤(4)将步骤(1)确定好的激光加工路径矢量图导入至加工软件中，设置激光加工参数，同时启动烟尘吸取装置和吹水气装置；步骤(5)先加工第1阶圆环台阶，并测量第1阶圆环台阶的深度是否为0.2mm，接着，按照ΔH＝0.2mm的差值以及剩余7个圆环台阶深度依次呈等差关系增加，对剩余的7个圆环台阶进行逐一加工，直至8个圆环台阶全部加工完成。本发明专利技术精度高；加工质量高；锥度小，可以满足碳纤维/树脂基复合材料粘接时匹配的精确度，提高粘接处的强度和力学性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法


[0001]本专利技术涉及激光加工
，具体为一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法。

技术介绍

[0002]碳纤维/树脂基复合材料由于具有强度高、模量高、重量轻和耐化学腐蚀等优点，在汽车、运动器材及航空航天等领域作为功能和结构材料被广泛使用。对于这种材料不同结构件的连接以修复问题，传统的螺钉螺栓、铆钉等机械连接方式因其打孔时的破坏、应力集中和违背轻量化设计等缺点而被粘接连接的方式渐渐替代。然而传统的粘接技术的力学性能总是令人不太满意。在一些主要的承重应用中，出于安全的考虑总是将粘接技术配合机械连接一起使用。然而，这种混合结构依然显得较为累赘。
[0003]因此，如何提高碳纤维/树脂基复合材料修复和粘接接头的力学性能成为了碳纤维/树脂基复合材料修复和粘结连接的可靠性设计中最为重要的环节。通常，碳纤维/树脂基复合材料层压板修复和粘结接头的性能主要取决于粘接剂的特性、接头的几何形状、粘接的剂厚度、采用的工艺以及表面加工。近年来，激光处理渐渐成为一种理想的加工方法。它具有快速可控的特点，兼具改变物体表面化学能和物理形貌的功能，适合大规模应用，非常契合于碳纤维/树脂基复合材料层压板加工处理。
[0004]公开号为CN110202859A的专利“一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头及其制备方法”中使用树脂层压板粘接接头，用激光去除表层的树脂层，去除深度仅为0.2
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0.3mm，激光加工的沟槽的样式包括平行沟槽和十字沟槽，然后在此深度仅为0.2
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0.3mm的沟槽上加上粘接剂与另外的层压板叠加再加热高压形成粘接。该种接头结构有缺陷——沟槽的深度太浅，两块碳纤维增强树脂层压板表层的碳纤维层之间的结合仅仅是依靠厚度为0.2
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0.3mm粘接剂粘接，其余层的碳纤维之间完全没有任何粘接结合。
[0005]由于碳纤维层没有直接粘接，当接头区域的材料在承受水平拉应力时，只有厚度仅为0.2
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0.3mm的粘接区域的粘接层在与水平拉应力进行抗衡，上下两块碳纤维增强树脂层压板中本该提供拉伸强度的碳纤维层却无法发挥其高抗拉伸强度的特性，破坏强度完全依赖于所用的粘接剂与树脂层的结合性能。当两块层压板之间的拉应力超过厚度仅为0.2
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0.3mm的粘接剂层的拉应力强度极限时，这种接头的粘接就会被破坏，粘接失效。而且这种结构的抗拉应力的强度显然远远小于未修复的碳纤维增强树脂层压板，当层压板厚度增加，这种由结构产生的应力短板会越来越严重，因此只能在拉应力小于粘接剂拉应力极限内的工况下使用，但这一点又严重削弱了碳纤维增强树脂层板原本的抗高应力高强度的特性，大大限制了碳纤维增强树脂层板的使用范围。因此有必要设计出更加合理的接头区域的结构和形状。采用合理的激光加工参数和接头区域的结构和形状设计对于制备力学性能优异的粘接处理显得尤为重要。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法。通过寻求一种新的接头结构设计并以红外皮秒激光作为加工手段来提高碳纤维/树脂基复合材料层压板粘接接头的力学性能。
[0007]本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
[0008]一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，包括以下步骤：
[0009]步骤(1)确定激光加工路径：设置8个圆环台阶，从第1到第8阶圆环台阶的外径呈等差关系依次减小；
[0010]步骤(2)确定加工顺序：采用由外至内的加工顺序；
[0011]步骤(3)固定待加工复合材料：将尺寸合适的碳纤维/树脂基复合材料板固定在治具上后，调整场镜所在的Z轴位置，使激光光斑焦点处于碳纤维/树脂基复合材料板表面；
[0012]步骤(4)将步骤(1)确定好的激光加工路径矢量图导入至加工软件中，设置激光加工参数，同时启动烟尘吸取装置和吹水气装置；
[0013]步骤(5)先加工第1阶圆环台阶，并测量第1阶圆环台阶的深度是否为0.2mm，接着，按照ΔH＝0.2mm的差值以及剩余7个圆环台阶深度依次呈等差关系增加，对剩余的7个圆环台阶进行逐一加工，直至8个圆环台阶全部加工完成。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，步骤(1)中第1阶圆环台阶的外径为100mm，等差关系为：外径差值ΔΦ＝圆环宽度＝3mm，铣削深度ΔH＝每一级圆台高度＝0.2mm。
[0015]作为本专利技术的进一步改进，步骤(2)中每一阶圆环台阶分别独立加工，在加工每一阶圆环台阶时，其余的圆环台阶路径矢量图层均要关闭。
[0016]作为本专利技术的进一步改进，步骤(4)中红外皮秒激光加工参数：红外皮秒激光中心波长为1064nm，脉冲宽度为5
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20ps，频率为50
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100kHz，最大单脉冲能量为1000
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2500uJ，脉冲数为1
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10，光斑直径为20
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120μm，功率为10
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50W，扫描速度为800
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1000mm/s，扫描次数为15
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20次，扫描路径中X和Y方向上的直线线间距为40um，Z轴无升降。
[0017]作为本专利技术的进一步改进，脉冲宽度为小于12ps，频率为50kHz，最大单脉冲能量为2000uJ，脉冲数为4，光斑直径为50μ＝m，功率为30W，扫描速度为1000mm/s，扫描次数为15次。
[0018]作为本专利技术的进一步改进，步骤(4)中烟尘吸取装置的加工参数：吸气流量为300m3/h。
[0019]作为本专利技术的进一步改进，步骤(4)中吹水气装置的加工参数：气体压力为0.3Mpa，水流量为0.1ml/s。
[0020]作为本专利技术的进一步改进，步骤(5)中采用游标卡尺测量加工深度。
[0021]作为本专利技术的进一步改进，步骤(5)中若测量值＜0.2mm，则按步骤(3)中加工参数继续进行第1阶圆环台阶的激光扫描直到测量值＝0.2mm。
[0022]作为本专利技术的进一步改进，步骤(5)中每加工一阶圆环台阶后，均要测量加工深度，若达到对应深度，则进行下一阶圆环台阶的激光加工，若没有达到对应深度，则重复对应阶圆环台阶的激光加工，增加扫描次数直到加工深度达到对应深度。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有：
[0025](1)精度高，激光加工可达到几十微米级精度；
[0026](2)加工质量高，在圆环壁和圆环底部均没有明显的分层、抽丝等、崩边等机加工中常出现的缺陷；
[0027](3)锥度小，圆环开口边缘与圆环底部最大直径之间的差距很小，可以满足碳纤维/树脂基复合材料粘接时匹配的精确度，提高粘接处的强度和力学性能；
[0028](4)水气辅助皮秒激光加工可以提高碳纤维/树脂基复合材料有效去除效率，从而提高加工效率；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)确定激光加工路径：设置8个圆环台阶，从第1到第8阶圆环台阶的外径呈等差关系依次减小；步骤(2)确定加工顺序：采用由外至内的加工顺序；步骤(3)固定待加工复合材料：将尺寸合适的碳纤维/树脂基复合材料板固定在治具上后，调整场镜所在的Z轴位置，使激光光斑焦点处于碳纤维/树脂基复合材料板表面；步骤(4)将步骤(1)确定好的激光加工路径矢量图导入至加工软件中，设置激光加工参数，同时启动烟尘吸取装置和吹水气装置；步骤(5)先加工第1阶圆环台阶，并测量第1阶圆环台阶的深度是否为0.2mm，接着，按照ΔH＝0.2mm的差值以及剩余7个圆环台阶深度依次呈等差关系增加，对剩余的7个圆环台阶进行逐一加工，直至8个圆环台阶全部加工完成。2.根据权利要求1所述的一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，其特征在于：步骤(1)中第1阶圆环台阶的外径为100mm，等差关系为：外径差值ΔΦ＝圆环宽度＝3mm，铣削深度ΔH＝每一级圆台高度＝0.2mm。3.根据权利要求1所述的一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，其特征在于：步骤(2)中每一阶圆环台阶分别独立加工，在加工每一阶圆环台阶时，其余的圆环台阶路径矢量图层均要关闭。4.根据权利要求1所述的一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，其特征在于：步骤(4)中红外皮秒激光加工参数：红外皮秒激光中心波长为1064nm，脉冲宽度为5
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20ps，频率为50
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100kHz，最大单脉冲能量为1000
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2500uJ，脉冲数为1
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【专利技术属性】
技术研发人员：舒送，慈世伟，孙运刚，刘庆伟，袁晨风，胡家齐，白兵，程宗辉，阚艳，范鑫，单奕萌，
申请(专利权)人：国营芜湖机械厂，
类型：发明
国别省市：