一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，首先利用高能激光对CFRP进行高速钻孔，然后利用低能量短脉冲激光对孔边沿进行材料的精整，去除粗加工边缘毛刺、锯齿波纹和热影响区。本发明专利技术方法兼顾了“钻”的高效率和“镗”的高质量，提升切面质量，实现了CFRP高质量、高效率的制孔。高效率的制孔。高效率的制孔。

【技术实现步骤摘要】
一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法


[0001]本专利技术涉及一种碳纤维复合材料(CFRP)开孔方法。

技术介绍

[0002]碳纤维复合材料(CFRP)具有抗疲劳性好、比强度高、耐热性好等优良的热物性能，已在航空、航天等领域得到广泛应用。作为主要的承力构件，CFRP板之间的机械连接所需加工的装配孔数量众多。但随着航空、航天等领域高端装备轻量化要求的不断提升，CFRP构件原材料力学性能大幅提高，传统机械制孔存在制孔工序较多、孔周边毛刺、层间撕裂等问题，影响到CFRP的疲劳性能和服役寿命。随着激光制造技术的发展，激光加工在CFRP制孔上优势明显，如纤维破坏小、层间撕裂少、自动化程度高等，但激光制孔依然面临着热影响区难控和效率偏低的问题。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：针对上述现有技术，提出一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，实现CFRP高质量、高效率的制孔。
[0004]技术方案：一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，包括：第一步采用高能量激光束高速旋切技术在CFRP上进行快速钻孔；第二步采用低能量激光束精整技术对孔壁进行镗孔处理，提高孔壁质量。
[0005]进一步的，所述第一步中高速旋切技术为激光束在扫描振镜的作用下，沿着孔边沿旋转切割的同时，激光束高速自旋，自旋半径为r，自旋步长为d，切割孔径为R。
[0006]进一步的，所述自旋半径r设置为(0.1～0.5)
×
h，h为钻孔的预设深度，所述自旋步长d设置为(0.5～0.9)
×
r。<br/>[0007]进一步的，所述高能量激光束为功率大于30W的毫秒、纳秒、皮秒、飞秒激光，波长为1064nm、532nm或者355nm，激光束旋切速度大于等于2000mm/s。
[0008]进一步的，所述第二步中激光束精整技术为激光束沿着第一步钻孔后的孔壁进行高速扫描，去除第一步在孔壁产生的齿状纹路和热影响区，第二步中激光扫描填充的宽度与所述齿状波纹的高度一致，为Δd，扫描圆周的内径和外径分别是R1和R2，三者满足Δd＝R2
‑
R1。
[0009]进一步的，填充宽度Δd内填充线的条数n由激光束聚焦后光斑直径D决定，三者满足2
×
Δd＝(n+1)
×
D。
[0010]进一步的，所述低能量激光束为功率小于15W的纳秒、皮秒、飞秒激光，波长为1064nm、532nm或者355nm，激光束的扫描速度大于等于2000mm/s。
[0011]有益效果：为实现CFRP高质量、高效率的制孔，本专利技术提出了一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，兼顾了“钻”的高效率和“镗”的高质量。首先利用高能激光对CFRP进行高速钻孔，然后利用低能量短脉冲激光对孔边沿进行材料的精整，去除粗加工边缘毛刺、锯齿波纹和热影响区，提升切面质量。
附图说明
[0012]图1为本专利技术CFRP激光制孔方法流程图；
[0013]图2为本专利技术方法中孔壁形貌演变过程图；
[0014]图3为实施例中孔型图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。
[0016]一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，包括如下具体步骤：
[0017]步骤一：如图1的a所示，在CFRP通过激光制作通孔，CFRP材料厚度为h＝5mm，通过扫描振镜设置待加工孔的半径R＝5mm，以及高能量激光束高速旋切的参数，自旋半径r＝1mm，自旋步长d＝0.5mm，扫描次数为200次，旋切速度为2000mm/s。旋切钻孔采用的激光器波长为532nm，激光功率为35w，脉冲宽度和频率分别为1μs和60KHz。
[0018]步骤二：启动激光加工系统，利用高功率密度激光束照射碳纤维复合材料表面界定的钻削区域内，使碳纤维复合材料被迅速加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，对碳纤维复合材料初成孔，此时孔壁有齿状纹路和热影响区，如图2的a和图3的a所示，其中齿状纹路的高度为Δd＝0.2mm，热影响区的大小约为179.5μm，具体由激光束高速旋切的自选半径r和自旋步长d决定。
[0019]步骤三：如图1的b所示，通过扫描振镜设置激光镗孔的路径和工艺参数，设置扫描圆周的内径R1＝4.9mm，设置扫描圆周的外径R2＝5.1mm，扫描填充的宽度Δd＝0.2mm，激光聚焦后的光斑直径D＝20μm，则填充线的数量n＝19。扫描次数设置为200次，扫描速度为3000mm/s。激光波长为532nm，功率15w，脉宽和频率分别设置100ns和35KHz。
[0020]步骤四：启动激光加工系统，激光束沿着孔壁高速扫描，快速去除孔壁的齿状纹路和热影响区，形成光滑无波纹和热影响区的孔壁，如图2的b和图3的b所示，孔壁粗糙度达到Ra＝3.838μm。
[0021]以上实施例中，高能量激光束还可选择功率大于30W的毫秒、纳秒、皮秒、飞秒激光，波长为1064nm、532nm或者355nm。低能量激光束还可选择功率小于15W的纳秒、皮秒、飞秒激光，波长为1064nm、532nm或者355nm。步骤一中，自旋半径r和自旋步长d可根据复合材料厚度h进行设定，自旋半径r设置为(0.1～0.5)
×
h，自旋步长d设置为(0.5～0.9)
×
r即可。
[0022]以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本专利技术的保护范围。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，其特征在于，包括：第一步采用高能量激光束高速旋切技术在CFRP上进行快速钻孔；第二步采用低能量激光束精整技术对孔壁进行镗孔处理，提高孔壁质量。2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，其特征在于，所述第一步中高速旋切技术为激光束在扫描振镜的作用下，沿着孔边沿旋转切割的同时，激光束高速自旋，自旋半径为r，自旋步长为d，切割孔径为R。3.根据权利要求2所述的CFRP激光制孔方法，其特征在于，所述自旋半径r设置为(0.1～0.5)
×
h，h为钻孔的预设深度，所述自旋步长d设置为(0.5～0.9)
×
r。4.根据权利要求2所述的一种碳纤维复合材料激光钻镗制孔方法，其特征在于，所述高能量激光束为功率大于30W的毫秒、纳秒、皮秒、飞秒激光，波长为1064nm、532nm或者355nm，激光束旋切速度大于等于2000mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦俊科，程翔宇，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：