碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究

为了研究100W皮秒激光对碳纤维复合材料（CFRP）切割工艺,采用单因素实验方法,进行了理论分析和实验验证,得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律,并对1.5mm厚碳纤维复合材料板进行了切割实验。结果表明,选取平均功率为60W、重复频率为0.4MHz、扫描速率为10m/s、轨迹重复扫描20次、切缝上表面宽为350μm等适当参量时,得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割CFRP的进一步研究与工业应用提供了参考。     

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。     

CFRP硅油辅助皮秒激光低损伤制孔工艺

皮秒激光加工具有峰值能量高、脉冲作用时间短等特点,是碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)孔切割的重要手段。但是碳纤维和树脂基体的热物性存在较大差异,激光脉冲能量累积与传导行为,致使热损伤难以避免。本文提出一种CFRP硅油辅助皮秒激光制孔工艺,研究硅油对孔内部缺陷、热影响区(Heat affected Zone,HAZ)、孔圆度及锥度的影响。研究表明,与皮秒激光制孔相比,硅油辅助制孔质量显著提高:切口处无基体损伤,孔内壁面无裂纹,仍存在轻微的纤维裸露；孔表面HAZ减至41μm(重复频率200kHz、扫描速度1800mm/s)；激光重复频率200kHz、扫描速度600mm/s时锥度减小1609。综上,硅油有助于调控CFRP激光制孔损伤:改善微观缺陷,抑制热影响区,降低锥度等。     

低频YAG脉冲激光除漆机理和实验研究北大核心CSCD

激光清洗在再制造行业、微机电系统(MEMS)和超精密加工行业具有重要的应用前景。采用低频YAG脉冲激光器对FV520B基体的表面漆层进行激光除漆实验和机理研究。实验结果表明,激光除漆机制因实验条件的改变而不同。当吹氩气时,激光除漆机制主要是烧蚀效应;当采用约束层水时,激光除漆机制主要是烧蚀效应和振动效应,而且约束层水不但能提高表面漆层的去除率还能极大地提高基体的临界损伤阈值。同时实验验证了理论计算得到的搭接率的除漆效果,即在激光扫描速度为249mm/min、扫描道间的搭接量为0.6mm时,实现了整个漆层的完全去除,激光除漆效率达15.5mm2/s。     

单层碳纤维复合材料激光多向切割的温度场模拟北大核心CSCD

研究了激光切割碳纤维复合材料(CFRP)过程中碳纤维的铺设方向和树脂含量对激光能量传递方向以及切割质量的影响。根据复合材料混合定律设定材料物理参数,建立了碳纤维铺设角度为0°、45°、90°,树脂含量由30%增至50%的单层CFRP三维有限元模型。数值模拟结果表明,激光多向切割单层CFRP时,烧蚀前沿的能量传递方向由激光切割方向主导;随着纤维铺设角度的增大,传递方向的角度增大;稳定切割时能量传递主要沿纤维铺设方向。随着纤维铺设角度的增大,切缝倾角增大,表面碳纤维烧蚀宽度几乎不变,温度场变宽,最高温度降低。切割不同树脂含量单层CFRP时,热影响区宽度和最高温度随树脂含量的增加都呈近似线性变化。与试验结果相比,数值模拟结果中的表面碳纤维被烧蚀宽度的平均误差为10.66%,热影响区宽度的平均误差为13.09%。     

355nm紫外激光抛光Al2O3陶瓷工艺的研究

紫外激光抛光Al2O3陶瓷可以有效地降低加工中的热影响区、防止微裂纹的产生。为了得到不同激光工艺参量（激光能量密度、扫描速率、扫描间隔）对Al2O3陶瓷抛光表面粗糙度的影响规律,采用单因素实验方法进行了355nm紫外激光抛光Al2O3陶瓷的工艺实验,获得了最优的工艺参量范围。结果表明,当激光能量密度为6J/cm2、扫描间隔为2μm、扫描速率为60mm/s时,抛光后分别获得了较小的表面粗糙度值。这一结果对获得的低粗糙度、高质量的Al2O3陶瓷抛光表面具有指导意义。     

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。     

钻头滑动轴承表面织构的激光加工工艺研究

基于仿生表面织构改善摩擦学性能的显著效果,如何将优选润滑减磨性能较好的凹槽型织构合理地布置于牙轮钻头滑动轴承轴颈表面是目前亟待解决的难题之一。本文通过纳秒激光微加工和非接触式三维光学表征方法,开展纳秒激光功率、扫描次数和扫描速度对钻头滑动轴承轴颈表面烧蚀凹槽织构几何尺寸和加工精度影响规律的实验研究,结果表明,纳秒激光烧蚀工况下,凹槽织构深度随激光扫描次数增加逐渐增加,而凹槽宽度基本保持不变;凹槽织构宽度随扫描速度的增加逐渐减小。宽度为478 μm,深度为30 μm凹槽织构初步优选的激光烧蚀参数为:功率35 W,扫面次数3次,扫描速度100 mm/s。该研究为优选凹槽织构布置于牙轮钻头轴承摩擦副表面提供了纳秒激光加工工艺与表征方法,其将推动仿生表面织构纳秒激光微加工技术在钻头滑动轴承减磨抗摩领域的工业化应用。     

基于响应面法与粒子群算法的石油管螺纹激光清洗工艺参数优化

为了探究激光功率、离焦量、扫描速度等工艺参数对石油管螺纹激光除锈效果的影响规律并获得最优工艺参数组合,以表面粗糙度值为指标,采用正交实验法进行石油管螺纹激光清洗实验,得出影响激光清洗效果因素的显著性排序。通过单因素实验法,得出不同工艺参数下的表面粗糙度值和氧元素含量的变化规律。以氧元素含量衡量清洗样件的表面损伤程度,以表面粗糙度为优化目标进行工艺参数优化。基于响应面法建立优化目标与激光工艺参数之间的数学模型,将数学模型与优化后的粒子群算法结合,得出优化工艺参数组合,即激光功率为488 W,离焦量为+3 mm,扫描速度为3000 mm/s。在优化后的工艺参数下进行管螺纹激光清洗加工,实验结果表明,管螺纹表面锈蚀层被去除,基底表面清洗效果良好,且熔池周围无熔融物,证明了方法的有效性。     

基于双振镜激光扫描的玻璃纤维复合板直壁孔制造

为改善玻璃纤维复合材料制孔的精度和质量，本文提出了一种双振镜激光扫描加工方法。双振镜激光扫描加工系统共包括4片可偏转反射镜，4片反射镜协同运动可以实现对扫描激光的四轴（x,y,α,β）控制，其中x和y为激光焦点在二维平面的位置，α和β为扫描激光的入射角度。基于双振镜激光扫描加工系统开展了玻璃纤维复合材料的制孔实验，通过调节激光入射角度和激光扫描策略，在厚度为3.6 mm的玻璃纤维复合材料板上加工了侧壁完全垂直的孔，孔直径可达10 mm，热影响区宽度小于10μm，侧壁表面粗糙度小于2μm，没有发现材料分层和纤维拔出等缺陷。     

单脉冲平顶激光清洗CFRP的多物理场特性研究

为探究平顶激光清洗碳纤维增强复合材料(CFRP)的作用机制,本研究考虑CFRP的组分对激光的吸收、反射特性差异显著,将激光载荷分层施加到CFRP的细观有限元模型上,引入热烧蚀-热应力双重作用效果,还原不同能量密度下单脉冲平顶激光清洗形貌,并完成了试验验证。结果表明:分层施加激光载荷较传统表面加载模式能够有效提升仿真精度,采用热烧蚀-热应力双重判据能够进一步提升形貌还原效果,本研究模型的仿真形貌长轴贴合度不低于9664,面积贴合度达到8000,并通过高精度模型瞬时温度场分布能够指导激光清洗CFRP表面树脂的实际工艺。     

激光参量对碳钢表面清洗质量的影响

为了研究激光工艺参量对碳钢表面锈蚀污染层清洗质量的影响规律,采用Nd:YAG准连续激光器对Q235钢板试样进行了激光除锈清洗试验,并观测了试样表面清洗质量.分析了激光清洗污染物烧蚀的工作机理,并试验研究了激光能量密度、扫描速率、扫描宽度、离焦量和重复频率等工艺参量对清洗质量的影响,在此基础上进行了正交试验;通过对激光清...     

激光扫描速度对碳钢板表面锈蚀层去除质量的影响

采用光纤激光器开展了碳钢板表面锈蚀层激光清洗研究,通过白光干涉仪、光学显微镜、拉曼光谱仪等研究了激光扫描速度对锈蚀层去除质量的影响。研究表明,当激光扫描速度小于2 000 mm/s时,因光斑搭接率高,热累积效应强,试样表面出现基材熔化重凝现象,同时试样表面发生二次氧化,生成了复杂的铁的氧化物膜层,此时试样表面粗糙度最小。当激光扫描速度增加到3000 mm/s时,试样表面锈蚀层去除干净,露出金属基底本身色泽,基材表面二次氧化减弱。当线速度继续增加时,因光斑搭接率低,锈蚀层吸收的激光能量少,仅有部分锈蚀被去除,试样表面开始出现残留锈蚀层,且随着线速度的增加,残留锈蚀层和试样表面粗糙度增加。通过调节扫描速度可以获得较好的除锈效果,工艺优化后,激光功率为120 W时,除锈效率达到1.5 m2/h。     

激光辐照CFRP下温度对铺层结构的敏感性研究

为了研究连续激光作用下层叠型碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)的铺层结构对材料温度的影响,采用有限元软件COMSOL模拟连续激光辐照5种典型层叠型CFRP的烧蚀过程.通过材料表面的温度偏差,获得了5种典型层叠型CFRP的温度分布和演化规律;通过对材料整体温度分布进行统计分析,获得了材料温度均匀性随激光辐照时间的变...     

激光加工碳纤维增强复合材料研究进展

碳纤维增强复合材料(CFRP)因其优异的性能,在航空航天、国防等领域有着广阔的应用前景。为了掌握激光加工CFRP的去除机理,研发出高效率、低损伤加工该材料的方法,归纳整理了激光加工CFRP去除机理的研究成果,并从激光特性、工艺参量、气液辅助、材料特性4个方面出发,介绍了国内外激光加工CFRP的研究进展,总结了影响激光加工CFRP质量的因素,并给出了提高加工质量方法的建议,最后对激光加工CFRP的发展趋势进行了展望。     

线激光扫描的碳纤维复合材料表面损伤研究

近几年红外热成像技术常被用于材料的无损检测中.针对航空碳纤维增强复合材料(CFRP)表面损伤检测问题,本文提出了基于连续脉冲激光线移动扫描承力结构CFRP的损伤检测思想,搭载了线激光扫描的红外热实验装置.结果显示了线激光热成像对各种尺寸、深度和不同方向的拉伸断裂损伤的敏感性,并采用红外热谱图与温度曲线相结合来判断损伤的...     

基于157nm深紫外激光的蓝宝石基片微加工

为了探索157nm深紫外激光对蓝宝石材料的微加工技术,采用157nm激光微加工系统,对蓝宝石基片进行了扫描刻蚀和打孔加工,以研究激光工艺参量与刻蚀深度、表面形貌的关系,分析了157nm深紫外激光对蓝宝石材料的作用机理,并利用扫描刻蚀法在蓝宝石基片上加工了一个2维图形。由实验结果可知,157nm深紫外激光作用于蓝宝石材料是一个光化学作用与光热作用并存的加工过程,适合扫描刻蚀的加工参量为能量密度3.2J/cm2,重复频率10Hz～20Hz,扫描速率0.15mm/min;在能量密度2.5J/cm2下的刻蚀率为0.039μm/pulse。结果表明,通过对激光重复频率和扫描速度的控制可实现蓝宝石材料的精细微加工。     

脉冲和连续模式下玻璃纤维复合材料激光脱漆技术研究(特邀)

采用波长为1 064 nm的纳秒激光器脉冲模式和连续模式分别对玻璃纤维增强树脂基复合材料表面涂覆的浅灰色防雨蚀涂层和抗静电涂层进行激光清洗实验,研究不同模式下激光参数对清洗效果的影响规律。通过SEM观察清洗后材料表面及清洗产物的微观形貌,运用EDS、FTIR分别检测清洗前后材料表面元素含量与化学官能团,采用COMSOL Multiphysics对清洗过程中的温度场进行分析。结果表明：去除单层抗静电涂层时,脉冲激光能完全去除该涂层且防雨蚀涂层损伤较小;去除双层涂层时,脉冲激光作用下试板表面有残余涂层,且易损伤下层清漆、树脂和纤维,而连续激光则可完全去除表面双层涂层,获得清洁的清漆表面。脉冲模式的去除机制主要为热弹性振动效应,连续模式下涂层的去除机制主要为热烧蚀效应。研究结果可为航空复合材料表面激光脱漆技术的激光模式选择提供参考。