【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于纤维增强复合材料的激光加工方法。
技术介绍
1、纤维增强复合材料具有高比强度、疲劳性能优异等优点，目前已在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。然而，传统的加工方法，如机械加工、电火花加工、水射流加工和超声加工，对于纤维增强复合材料的加工仍具有一定的局限性，易造成材料的损伤，无法实现纤维增强相与基体的同步去除。因此，迫切需要开发一种高质量、高效率加工纤维增强复合材料微孔的新解决方案。
2、超快激光是一种以脉冲形式运转的激光，脉冲宽度为飞秒至皮秒(10-15～10-12s)量级，因此也可以称之为超短脉冲激光，其具有极短脉宽和极高的峰值功率等特点。此外，超快激光与材料的相互作用时间极短，可以使加工材料瞬间被气化，仅有一小部分的能量会被传递到材料基体，因而能够实现“冷”加工的效果。因此，超快激光加工具有对几何形状的精确控制、高重复性、几乎无材料选择性等优势，为纤维增强复合材料的非接触和非热加工提供了一个新的思路。
技术实现思路
1、本专利技术是要解决目前加工纤维增强复合材料微孔时易造成材料的损伤，且无法实现纤维增强相与基体的同步去除的技术问题，而提供一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置及其使用方法。
2、本专利技术的用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置按照布置顺序依次为：超快激光器1、波片2、扩束镜3、道威棱镜模块4、反射镜5、楔形棱镜模块6、凸透镜7和保护气喷嘴8；
3、激光经过超快激光器1水平射出，然后通过反射镜5转
4、本专利技术的用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法是按以下步骤进行的：
5、一、对待加工的纤维增强复合材料表面进行清洁，随后进行装夹，置于超快激光加工工位上，加工角度无特殊要求，可以进行斜孔的加工，对复合材料内部的组织结构也没有要求；
6、二、通过保护气喷嘴8通入保护气，然后启动超快激光器1开始对纤维增强复合材料进行超快激光加工，超快激光的波长为355nm～1064nm，100fs＜激光脉冲宽度＜12ps，重复频率为10khz～800khz，激光平均功率为1w～50w；激光经过超快激光器1水平射出，依次经过波片2、扩束镜3、道威棱镜4、反射镜5、楔形棱镜6、凸透镜7和保护气喷嘴8射到纤维增强复合材料上，其中激光经过反射镜5时转变为竖直向下，最终射到纤维增强复合材料上；
7、加工过程中道威棱镜模块4的自转速度大于0且小于10000rpm/min，且道威棱镜模块4的旋转半径为0(即只进行自转)；
8、加工过程中楔形棱镜模块6的自转速度大于0且小于3000rpm/min，且楔形棱镜模块6的旋转半径为0～1000μm；
9、加工过程中通过控制凸透镜7使激光每扫描完一层材料后，激光的焦点下移0.005～0.03mm至完成盲孔或通孔的加工。
10、上述加工为高功率加工。
11、在上述加工完成后还可以进行低功率精修加工，对所需结构的轮廓进行加工，包括内侧壁和底面，精修过程采用的激光平均功率为上述加工功率的1/3～1/5，焦点下移距离为上述的1/2～1/3；低功率的加工时，楔形棱镜模块6的旋转半径为最终微孔的半径。
12、本专利技术还可以在夹具下设置电动位移平台10，带动待加工的纤维增强复合材料移动进行微槽的加工，电动位移平台10与用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置配合使用，进行不同扫描路径的运动，电动位移平台的移动速度为1mm/s～20mm/s，光束路径之间的搭接率≥30％且小于90％，微槽的填充方式为往复式、交叉式、回字形式或多种形式的组合。
13、本专利技术的步骤二中如果道威棱镜模块4不自转即激光不自转，激光的偏振会导致偏振方向的材料会被多去除一些，导致加工出的微孔是椭圆形的，无法满足圆孔的加工要求。设置道威棱镜模块4可以使激光旋转起来，偏振方向也随之旋转，这样就会避免材料被多去除，纤维增强复合材料会均匀去除，加工微孔的圆度好。
14、本专利技术中道威棱镜模块4是现有的产品，购买的公司网址为：https://acunity.de/laserbohren-technologie/，型号为：hdo v7，产品名称：helical drillingoptics，公司名称为：acunity。
15、本专利技术中楔形棱镜模块6是现有的产品，购买的公司网址为：http://www.zkwj.cn/hxjs.html，公司名称：西安中科微精光子科技股份有限公司，产品名称：平行平板旋切光束扫描模块。
16、本专利技术的优点和效果如下：
17、本专利技术的纤维增强复合材料的超快激光加工方法能够实现纤维增强复合材料的均匀去除，达到基体与纤维同步去除的目的。在保证加工精度和灵活性的同时，显著降低加工结构的边缘损伤效应，提升微孔的加工圆度。采用的激光焦点下降的方法可以有效减少激光加工过程中锥度产生的问题，提高微孔和微槽加工时侧壁的垂直度。
18、本专利技术提出的高功率加工和低功率轮廓精修的过程配合可以有效解决纤维增强复合材料在超快激光加工过程中产生的纤维拔出和纤维末端烧蚀严重的问题。
19、本专利技术的方法进一步拓宽了超快激光在纤维增强复合材料零部件精密制造领域的应用范围。
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1.一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置，其特征在于用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置按照布置顺序依次为：超快激光器(1)、波片(2)、扩束镜(3)、道威棱镜模块(4)、反射镜(5)、楔形棱镜模块(6)、凸透镜(7)和保护气喷嘴(8)；
2.根据权利要求1所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置，其特征在于装置还包括夹具(21)和计算机(11)，计算机(11)的信号输出端分别与道威棱镜模块(4)的信号输入端和楔形棱镜模块(6)的信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置，其特征在于凸透镜(7)和保护气喷嘴(8)为相对固定关系，且凸透镜(7)和保护气喷嘴(8)还连接有电控直线移动机构，计算机(11)的信号输出端与电控直线移动机构的信号输入端连接。
4.如权利要求3所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于中用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法是按以下步骤进行的：
5.根据权利要求4所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方
6.根据权利要求4所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于在步骤二的加工完成后还要进行步骤三的低功率精修加工，对所需结构的轮廓进行加工，包括内侧壁和底面，精修过程采用的激光平均功率为步骤二中激光平均功率的1/3～1/5，焦点下移距离为步骤二中激光的焦点下移距离的1/2～1/3；低功率加工时，楔形棱镜模块6的旋转半径为最终微孔的半径，其余参数均与步骤二相同。
7.根据权利要求6所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于当需要进行低功率精修加工时，步骤二中楔形棱镜模块(6)的旋转半径为最终加工微孔半径的95％～98％。
8.根据权利要求6所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于当不需要进行低功率精修加工时，步骤二中楔形棱镜模块(6)的旋转半径为最终加工微孔得半径。
9.根据权利要求4所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于在夹具(21)下设置电动位移平台(10)，带动待加工的纤维增强复合材料移动进行微槽的加工，电动位移平台(10)与用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置配合使用，进行不同扫描路径的运动，电动位移平台(10)的移动速度为1mm/s～20mm/s，光束路径之间的搭接率≥30％且小于90％，微槽的填充方式为往复式、交叉式、回字形式或多种形式的组合。
10.根据权利要求4所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于步骤一中所述的待加工的纤维增强复合材料中纤维增强相为碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维或金属纤维；基体材料为金属、陶瓷或有机物。
...【技术特征摘要】
1.一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置，其特征在于用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置按照布置顺序依次为：超快激光器(1)、波片(2)、扩束镜(3)、道威棱镜模块(4)、反射镜(5)、楔形棱镜模块(6)、凸透镜(7)和保护气喷嘴(8)；
2.根据权利要求1所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置，其特征在于装置还包括夹具(21)和计算机(11)，计算机(11)的信号输出端分别与道威棱镜模块(4)的信号输入端和楔形棱镜模块(6)的信号输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置，其特征在于凸透镜(7)和保护气喷嘴(8)为相对固定关系，且凸透镜(7)和保护气喷嘴(8)还连接有电控直线移动机构，计算机(11)的信号输出端与电控直线移动机构的信号输入端连接。
4.如权利要求3所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于中用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法是按以下步骤进行的：
5.根据权利要求4所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于步骤二中所述的保护气为氩气。
6.根据权利要求4所述的一种用于纤维增强复合材料的超快激光加工装置的使用方法，其特征在于在步骤二的加工完成后还要进行步骤三的低功率精修加工，对所需结构的轮廓进行加工，包括内侧壁和底面，精修过程采用的激...
【专利技术属性】
技术研发人员：李俐群，王旭，黄怡晨，张子浩，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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