皮秒激光加工碳纤维复合材料工艺试验.PDF

论坛 FORUM 皮秒激光加工碳纤维复合材料 工艺试验* 1 2 朱德志 ，胡  俊   （1. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240； 2. 东华大学机械工程学院，上海 201600） [摘要] 碳纤维复合材料具有优良的综合性能，广泛应用于航空航天和汽车工业。采用 355nm 波长的皮秒脉冲激 光进行碳纤维复合材料的铣削加工试验，分析了激光功率、铣削速度、填充间距等工艺参数对加工质量和铣削深度的 影响，确定了最优的铣削条件。通过扫描电镜，分析了样件表面微观形貌和铣削质量。试验表明，填充间距对热影响 区的形成有较大影响。同时进行了不同聚焦环境下的材料去除技术试验研究，通过三维形貌仪测量样件加工深度， 分析激光能量与加工深度的关系，确定了最优的聚焦方案。 关键词：碳纤维复合材料；铣削；工艺参数；热影响区 DOI: 10.16080/j.issn1671-833x.2017.20.054 碳纤维复合材料由于其高比强 料加工热影响区的影响 [9] 。激光加 度，高比模量等优异的机械性能，被 工过程中，沿碳纤维轴向的热导率显 广泛应用于航空航天和汽车行业。 著大于其他方向，热量沿轴向迅速传 如空客 A350 中复合材料的比例超 递，当还没到达碳纤维的汽化温度 过了 30%，在波音 787 中更是高达 时，积累的热量就会导致树脂热解， 50%[1] 。碳纤维复合材料由碳纤维和 进一步产生过烧现象 [10] 。因此需通 树脂组成，碳纤维的气化温度比树脂 过减少激光与材料的作用时间，抑制 高一个数量级 [2] ，由于其具有各向异 热影响区。皮秒激光能较大程度减 性以及非均质的特性，传统机械方 少激光与复合材料的作用时间，同时 法很难加工 [3] ，例如铣削、钻孔和切 可以获得较小的烧蚀阈值 [11] 。由于 割 [4-5] 都会导致严重的刀具磨损、分 其较高的峰值能量和脉冲重复频率， 层、纤维拔出等问题 [6] 。有学者提出 在一些领域得到了广泛的应用 [12] 。 了一些非传统加工方法，如水刀切 本文研究意义主要分为以下 3 朱德志 割 [7] ，但是加工过程中，水分渗透到 部分，针对减少激光加工过程中的热 硕士研究生，主要从事激光精细加 复合材料中，也会导致较差的机械性 影响区，研究了激光功率、扫描速度 工研究。 能。 和填充距离对加工质量的影响规律， 激光加工作为一种非接触式加 从而确定了最优的加工工艺参数。 工方法，具有易于控制、没有机械力 通过分析样件表面微结构，揭示了碳 和刀具磨损等优点 [8] 。然而，激光加 纤维复合材料的去除机理。利用深 * 基金项目：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 工存在比较显著的热影响区。Yung