超短脉冲激光加工碳纤维复合材料研究进展

超短脉冲激光加工作为一种非接触式的特种加工方法,利用高功率密度的聚焦激光束烧蚀碳纤维增强复合材料(CFRP)表面,实现高精密加工,有望解决传统机械加工工艺造成的刀具损坏、残余应力和表面质量差等问题。因此,本文综述了近些年超短脉冲激光加工CFRP的研究进展。首先梳理了超短脉冲激光加工CFRP的加工机理,其中包括了材料去除机理、相互作用过程机理和对激光的吸收与反射机理。其次,着重阐述了热影响区和锥度这两类缺陷,分析了缺陷的形成原因,并提出了相应抑制方法。本文对超短脉冲激光加工CFRP的理论研究具备一定借鉴意义。     

激光功率对激光加工CFRPs热损伤影响研究

激光加工通过迅速升温实现材料去除,能够克服传统碳纤维增强复合材料(CFRPs)加工过程中出现的热损伤而导致的加工质量问题,成为了CFRPs精密加工的先进技术。为探究激光功率对CFRPs切割过程的影响机理,针对CFRPs激光切割过程,建立了综合考虑激光功率分布特性、材料相变烧蚀特性、材料各向异性和空气对流的三维介观耦合模型,应用COMSOL5.6进行了数值模拟。模拟结果表明,环氧树脂的烧蚀量随时间的变化呈三次函数关系,碳纤维的烧蚀量呈一次函数关系,且环氧树脂的去除速率高于碳纤维去除速率。此外,热影响区(HAZ)宽度随激光功率增大而增大,随时间变化呈三次函数关系。     

水雾对激光加工CFRP的影响特性研究

为了研究水雾对激光加工碳纤维复合材料(CFRP)的影响,采用水雾辅助激光加工CFRP的方法,通过正交实验、多元线性回归分析和光学仪器进行了理论分析和实验验证,得到了水雾对激光加工CFRP的影响规律并优化了工艺参数。结果表明,随着喷嘴高度、喷嘴角度增加和气体压力减小,激光光斑直径逐渐减小;随着喷嘴角度增加和气体压力减小,激光损失率逐渐减小,喷嘴高度对激光功率影响小;当喷嘴角度50°、气体压力0.2 MPa和喷嘴高度为30 mm时,可以获得最大5.303的深宽比,此时激光损失率为1.473%;建立的水雾参数与加工质量之间的经验公式可以预测切缝内部特征;与气体辅助激光加工CFRP相比,水雾辅助激光加工CFRP可以获得更小的截面热影响区和更大的槽深。该研究可为激光低损伤加工CFRP提供参考。     

基于CFRP纤维编织网格分块扫描的激光除胶工艺算法

碳纤维复合材料(CFRP)在激光表面烧蚀除胶过程中容易出现不均匀热影响区、纤维破损等缺陷, 为了解决这一问题, 提出并实现了一种基于CFRP纤维编织网格分块扫描的激光除胶工艺算法, 采用单因素实验方法, 进行了理论分析和实验验证, 获得了不同激光扫面填充算法对CFRP表面树脂去除率、纤维破损度的影响规律, 并对加工机理进行了分析研究。结果表明, 选取平均功率为24W、重复频率为20kHz、扫描速率为1000mm/s、离焦量为5mm等参量时, 加工样品表面得到了纤维完整、热损伤较小等较好的工艺效果。这一结果对激光加工CFRP烧蚀除胶的研究是有帮助的。     

飞秒激光在宽带隙陶瓷表面的烧蚀特性

采用飞秒激光微加工系统对宽带隙陶瓷材料SiC和Al2O3诱导微结构时的去除机理及烧蚀特性进行了研究。应用扫描电子显微镜、粗糙度轮廓仪、光学显微镜和能量色散谱仪等对烧蚀的微观形貌和化学组成进行了评价,得出加工SiC时强烧蚀和轻烧蚀的破坏阈值分别为0.61 J/cm2和0.13 J/cm2。同时获得了加工参数与烧蚀形貌之间的关系,发现材料的去除机理强烈依赖于入射激光的脉冲能量,并对二者的关联机制进行了分析。探讨了表面粗糙度和掺杂在材料中的不同元素对烧蚀结果的影响。从而为在难加工类宽带隙陶瓷材料表面加工高质量的微结构提供了有力的理论依据和技术支持。     

CFRP复材飞秒激光小孔加工工艺研究北大核心CSCD

飞秒激光有着极窄的脉宽、极高的峰值能量,因此具有加工范围广、加工质量好等优势。利用飞秒激光对CFRP复合材料进行小孔加工试验,研究了光斑局部填充和全填充两种方式对Φ3 mm小孔加工的影响。通过光学显微镜、工业CT等检测手段对试件的小孔加工进行检测,分析小孔进出口形貌以及内壁锥度,对比讨论了不同填充方式对材料去除的影响。试验结果表明,全填充的排屑条件好于局部填充,因此更容易加工出通孔;局部填充易导致光束向底部反射以及热量聚集所致的材料去除,因此加工出的通孔锥度较小。扫描速度越小,孔的锥度越小,反之扫描速度越大,孔的锥度越大。填充间距影响着激光的输入能量密度,因此填充间距对小孔加工的深度有直接影响,对小孔入口直径以及小孔锥度的影响较小。     

中性盐溶液辅助激光加工试验研究

针对激光加工存在再铸层、热影响区(HAZ)的致命缺陷,提出了中性盐溶液辅助激光加工(SALM)方法,利用中性盐溶液对材料的热化学作用和持续冷却作用在线去除再铸层和热影响区.基于激光在中性盐溶液下衰减的特性研制了试验系统,并对0.5 mm厚的不锈钢片进行了打孔试验,通过对该方法与空气中激光打孔(LBM)加工效果的比较,证实了中性盐溶液辅助激光加工的可行性.试验结果表明,随着盐溶液浓度及流速的增加,中性盐溶液辅助激光加工对于再铸层和热影响区的去除效果越明显;流速5 m/s,质量分数为20%的NaCl溶液辅助激光加工可实现再铸层的厚度减少80%,热影响区的范围缩小90%以上.     

飞秒激光在材料微加工中的应用

本文介绍了飞秒激光的特性以及超短脉冲激光与材料相互作用的机理，并着重指出了其与长脉冲激光的区别。飞秒激光可产生超高光强、具有精确的损伤阈值(并且损伤阈值较低较低)、很小的热影响区、几乎可精密加工所有种类材料，并且，加工精度极高，可进行亚微米尺寸的精密加工。通过分析飞秒激光材料微加工的特性，综述超短脉冲激光材料微加工的应用研究现状。     

飞秒激光在金属微加工中的应用

作为一种新型的减材加工技术,飞秒激光在材料微加工中具有独特优势。介绍了飞秒激光加工的机理,分析了飞秒激光加工效率和加工质量的影响因素,阐述了飞秒激光加工工艺参量及表面质量的预测方法,对飞秒激光与增材制造的结合应用作了展望。飞秒激光加工的效率与精度影响因素众多,要真正在金属加工领域精准大规模应用这一精细技术,尚需对飞秒激光及其与不同特性金属材料间的交互作用进行更为深入系统的研究。     

自由振荡激光脉冲能量的时序分析

自由振荡状态的脉冲激光能量时序特性与激光强化材料表面的强度、质量及稳定性有直接关系。本文通过探测JG-2型固体激光器脉冲能量的时序分布结构,系统研究了激光脉冲能量的时序特性与材料相互作用规律及其激光强化材料时对表面性能的影响机理,用以提高现有激光器加工和强化质量水平。结果表明使普通钢材表面显微硬度提高5～7倍。     

飞秒激光制备PMMA表面微结构的作用机理和润湿性研究

采用飞秒激光微加工技术对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)表面进行微加工,研究PMMA表面不同微结构的润湿性。首先对飞秒激光去除透明聚合物材料的机理进行研究并建立了材料去除模型,制备出PMMA表面光栅结构和方柱结构;采用超景深三维显微镜和接触角测量仪对微结构表面形貌和润湿性进行测量分析。结果表明:飞秒激光加工PMMA表面微结构可以将PMMA润湿性从亲水向疏水状态转变,微结构间距过小会导致激光加工时飞溅的熔融物堆积在结构通道。     

超强度纤维柔性复合材料激光加工工艺研究

阐述了激光加工超强度纤维柔性复合材料的优势,并以激光与超强度纤维柔性复合材料的相互作用机理为基础,对激光加工纤维复合材料的特点、影响激光加工质量的因素以及激光加工质量评估的研究进展进行了综述。最后指出,无论是减少热影响区域,还是改善加工表面质量,对利用理论模型优化加工参数、复杂轮廓和精细加工的工艺以及激光加工后对超强度纤维柔性复合材料性能的影响等方面的研究需要倍受重视。     

266nm纳秒固体激光在CH薄膜上打孔的工艺实验研究

为了研究266nm纳秒固体激光在CH膜上打孔的工艺规律和材料去除机理, 采用单因素控制变量的方法, 进行了单脉冲和多脉冲打孔的实验研究, 分析了266nm纳秒固体激光对CH膜材料的去除机理; 取得了激光脉冲能量、脉冲数量对孔径和孔深影响规律的数据。结果表明, 单脉冲打孔条件下, 当激光脉冲能量为0.014mJ时, 微孔直径和深度最小, 当激光脉冲能量为0.326mJ时, 微孔直径和深度最大, 孔径和孔深随着激光脉冲能量的增大而增大; 多脉冲打孔条件下, 当激光脉冲能量较低时, 激光对CH膜的单脉冲烧蚀率约为0.56μm/pulse, 当激光脉冲能量较高时, 激光对CH膜的单脉冲烧蚀率约为1μm/pulse, 孔径和孔深随着激光脉冲数量的增加而增大; 266nm纳秒固体激光在CH膜上打孔时的微孔形状规则, 大小均匀, 微孔周围无残渣、碎屑等抛出物, 边缘无热影响区, 可推断其材料去除机理主要为"光化学蚀除"。该研究对266nm纳秒固体激光加工CH膜的应用具有一定的参考意义。     

激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了获得激光切割参量对碳纤维复合材料的影响规律,利用额定功率为500W的毫秒脉冲Nd:YAG激光器,分别进行了在空气中和水下切割碳纤维复合材料(CFRP)的实验研究。采用单因素实验法,考察了脉冲能量、频率、切割速度与气体压力等激光参量对切割质量的影响,获得了激光参量对切割CFRP材料切口的切缝宽度、正面纤维拔出长度、背面纤维拔出长度与锥角的影响规律,并对激光切割机理进行了分析研究。结果表明,水下切割能有效地减小激光切割产生的热影响区。这为继续开展激光水下切割CFRP的研究提供了参考。     

光学玻璃超精密抛光加工中材料去除机理研究综述

光学玻璃以其优异的物理性能被广泛应用于航天、信息、能源、化工、微电子等领域。随着这些领域的不断发展,传统技术已无法满足日新月异的光学元件超光滑表面加工的要求。为此,需要针对光学玻璃表面的超精密抛光加工展开深入且广泛的研究。在诸多有关超精密抛光加工技术的研究中,光学玻璃材料的抛光去除机理始终是人们的研究重点。为此,本文从超抛加工涉及的基本组件、材料去除的物理机理、材料去除的化学机理三个方面入手,对光学玻璃超精密抛光加工中材料去除机理进行综述,目的是掌握国内外学术界对于该问题的认识,并据此提出若干问题的思考,以期指导工程实践,进一步提升超光滑表面的成形能力。     

激光电化学复合加工的冲击空化检测及试验

为了测量脉冲激光击穿电解液下产生的声压信号,探讨冲击空化效应对激光电化学复合加工的作用和影响,建立了激光电化学复合加工检测系统。采用水听器采集脉冲激光聚焦电解液下产生的声压信号,使用示波器对声压信号进行存储、XVIEWER软件对声压波形分析和计算,最后对激光电化学复合加工的区域进行拍照,并分析冲击空化效应对激光电化学复合加工后的形貌特性和表面质量的作用和影响。结果表明,脉冲激光聚焦电解液下,产生冲击空化效应,向外辐射3个不同声压信号;随着激光能量的增加,激光冲击空化的3个声压变大,空泡的半径和泡能均增加;在激光电化学复合加工中,激光能量增加,产生的等离子冲击波和射流力越大,工件去除的量越多;空泡脉动促进电解液的流动,对加工区域的微观形貌和表面质量起重要作用。这一结果对复合加工的过程和形貌是有帮助的。     

硒化锌晶体超精密切削材料去除机理研究

硒化锌晶体在红外成像与激光系统中有着广泛的应用,作为典型软脆性材料,其材料去除机理目前尚不清晰,获得超光滑表面仍极具挑战。文中采用槽切法研究刀具负前角对硒化锌晶体脆塑转变临界深度的影响。通过分析最大未变形切削厚度随切削参数变化规律,提出实现硒化锌晶体塑性域切削的理论模型。借助场发射扫描电子显微镜、白光干涉仪和拉曼光谱仪,系统分析了进给率对工件表面粗糙度、表面完整性及亚表面损伤的影响,提出表面缺陷形成机理,进而揭示硒化锌晶体材料去除机理。