[发明专利]一种用于碳纤维复合材料结构的超快激光切割方法

说明书

本发明涉及的用于碳纤维复合材料结构的超快激光切割方法，包括以下步骤：S1、在试片上，测定并记录多个单次划线刻蚀深度及与多个单次划线刻蚀深度相对应的激光的多个入射脉冲能量通量，并根据所提理论公式拟合得出材料去除阈值通量和特征吸收深度；S2、将防护垫板、碳纤维复合材料、压板和磁铁依次叠放在激光加工系统的承载与运动平台上，压板由在激光的波长下透光率≥85％的材料制成；S3、设置入射脉冲能量通量，根据计算公式得到相应的单次划线刻蚀深度，确定加工扫描次数，投射远程激光透过压板并辐照于碳纤维复合材料，进行激光切割。本发明的方法，通过量化相关规律和制定装夹方法，可兼顾超快激光切割过程中的高效性、精密与可靠性。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料结构高性能加工领域，具体涉及一种用于碳纤维复合材料结构的超快激光切割方法。

背景技术

随着航天、航空、轨道交通、武器装备等领域产品轻量化设计要求的提升，传统均质金属材料，例如铝合金、钛合金，常规单一陶瓷、高分子等工程材料越来越难以满足各领域综合需求，而纤维复合材料因其低密度、高刚度、高热稳定性、抗疲劳、可设计性强等优良的综合性能，成为制造航天航空产品的理想选择。尤其是碳纤维复合材料薄壁结构，可与其他轻质结构如蜂窝结构复合，成为强度、刚度、热膨胀性优良的结构，成为满足大承载、高稳定性结构的不二结选择。例如卫星上应用最广泛的“碳纤维复合材料蒙皮-蜂窝-碳纤维复合材料蒙皮”的三层结构，被广泛用于箱板式载荷舱等空间飞行器的结构板产品中。

根据铺层是否对称，碳纤维复合材料薄壁结构在自然状态下呈现平面态或卷曲态；在使用中，通常需要对碳纤维复合材料薄壁结构进行切边、开孔等减材加工。现有加工普遍采用铣、砂轮磨切、钻、冲压等机械接触式加工方式。但碳纤维复合材料轻质、硬脆、高模量的材料特性在给产品带来优良力学性能的同时，也给其减材加工带来了损伤尺度大、工装耗材多、装夹过程繁琐、生产效率低与成本增加等问题。现有接触式加工方法，要么需要等幅面金属钻模制成覆盖于待加工坯料上方，要么需要等幅面非金属盖板制成覆盖于待加工坯料上方，才能实施加工。对于幅面金属钻模，一旦预设加工结构改变，即需要补加工金属钻模甚至因钻模可加工余量欠缺而不得不废弃，幅面金属钻模的加工成本较高，且可重复利用性和灵活性差；对于幅面非金属钻模，作为需和被加工工件一同切除的结构，是一次性使用的工装。在装夹过程中，因为该类材料易吸湿和膨胀，现有加工方式一般采用干切式方法加工“压板-碳纤维复合材料-防护垫板”的三层结构，由于复合材料的力学性能强，易造成吃刀抗力大、刀具易磨损等不利效果，若不采取可靠的装夹手段，将造成碳纤维复合材料出现水平滑移，以及抬刀时三层结构层间分离等问题；针对加工结构来说，易造成加工结构如孔位的位置偏移或结构边缘损伤等问题。而依靠机械工装定位的可靠的装夹方法又会带来装夹时间过长、导致效率低下的问题。在切割损伤方面，由于碳纤维复合材料本身多属于高强度高硬度的层合结构，现有接触式加工方式极易造成表皮拉丝、分层等质量问题，从而影响产品的精度和力学性能。若改为非接触加工方法，例如激光扫描振镜往复刻蚀切割，在现有技术中，在切割过程中无法做到可靠性与高效加工的兼顾。若切割次数不充分，会造成无法切透材料而导致须去除材料难以脱落，无法形成预设结构；若施加足够多切割次数，虽能保证切透，但不仅浪费时间且容易损伤蒙皮之下的防护垫板。

发明内容

针对现在有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种装夹和去装夹过程快捷、切割次数量化且可靠、切割损伤低的碳纤维复合材料薄壁结构切割方法。

本发明提供的用于碳纤维复合材料结构的超快激光切割方法，步骤如下：

S1、在与所述碳纤维复合材料的相同材料的试片上，测定并记录多个入射脉冲能量通量F和与之对应的单次划线刻蚀深度d，从而拟合得出材料去除阈值通量F_th和特征吸收深度d₀的关系式，设定激光加工系统的初始光斑重叠率O₁的范围为[0.96,0.99]；

S2、将防护垫板、所述碳纤维复合材料、压板和磁铁依次叠放在激光加工系统的承载与运动平台上，其中，所述压板由在所述激光加工光束的波长下透光率≥85％的材料制成；