[发明专利]空间整形飞秒激光高质量均匀去除CFRP的方法

说明书

本发明涉及一种空间整形飞秒激光高质量均匀去除CFRP的方法，属于CFRP材料加工领域。首先针对CFRP非均质特性，测定CFRP中碳纤维和聚合物的加工阈值，根据加工光场需满足空间能量密度均高于两组分加工阈值的原则，得到加工光场的能量分布。其次针对CFRP各向异性特性，沿碳纤维方向呈现出严重热传导，应在时间上优先去除加工路径边缘材料形成隔离带，以隔绝后续热量向两侧传导，进而确定加工光场“中心凹两侧凸”的异形光场形状，从而得到光场整体。搭建基于高损伤阈值空间光调制器的空间整形飞秒激光加工系统，实现CFRP工程复材的高功率飞秒激光空间整形高质量加工。本发明方法显著降低CFRP加工热影响区，展示出高质量均匀加工CFRP的制造能力以及应用前景。

技术领域

本发明涉及一种空间整形飞秒激光高质量均匀去除CFRP的方法，属于CFRP材料加工领域。

背景技术

碳纤维增强聚合物(CFRP)材料是由增强相碳纤维和基体相聚合物所组成的复合材料，其中碳纤维主要用于承受载荷，聚合物基体将碳纤维包裹并传递负载。CFRP具有质轻、比强度高、比模量高、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，被广泛应用在航空航天、汽车工业、医疗器械等众多领域，展示出了巨大的应用空间和发展前景。

一次成型的CFRP制品常常因为不能满足产品的工艺要求而需要进行二次加工，例如切削、钻孔、铣削等后加工。但由于CFRP非均质、各向异性、层叠结构、耐磨、脆性大等特点，成为了典型的难加工材料。目前应用最为广泛的机械加工方法得到的加工结果通常会出现分层、毛刺、撕裂等结构损伤，加工质量差，严重影响CFRP构件后续的装配、性能和寿命；机械加工过程中刀具磨损严重，切削性能急剧退化，需频繁更换刀具；且难以加工出高精度的微结构等。这都严重制约了CFRP材料的制造水平和工程应用。

激光加工由于其精度高、非接触、无应力、无刀具磨损的特点，可以有效地解决目前传统加工方法面临的难以克服的问题，例如材料分层、毛刺、纤维拔出、刀具磨损、加工精度低等。但由于CFRP复合材料本征的非均质、各向异性等特性，以及其作为工程材料在激光制造中面临的超高激光功率密度、脉冲能量高斯分布等实际生产工况，CFRP中的碳纤维和聚合物在激光加工过程中展示出明显的烧蚀差异行为，其加工结构边缘的聚合物会被额外过度去除而暴露出长长的碳纤维，产生明显的热影响区(HAZ)，难以实现材料均匀去除，且加工结构呈现出明显的锥度，这都会严重影响CFRP材料的使用性能和应用能力。因此，实现CFRP材料的高质量均匀去除是当前激光加工CFRP所面临的严重挑战。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前激光加工CFRP材料难以实现碳纤维和聚合物均匀去除而导致加工质量差的难题，提出了一种空间整形飞秒激光高质量均匀去除CFRP的方法。

由于CFRP复合材料的非均质、各向异性等特性，激光脉冲的高斯分布特性以及实际加工中采用的超高激光功率等，激光加工CFRP难以实现碳纤维和聚合物两组分的均匀去除，加工结构表现出明显的热影响区和结构锥度，影响CFRP构件的实际应用能力。这是由于CFRP作为工程材料，其高效率制造通常要求高激光功率的加工条件；其次，CFRP是由碳纤维和聚合物组合而成的复合材料，碳纤维为金属态良导体，聚合物基体为透明绝缘体，两者性质迥异，导致激光加工阈值存在显著的差异；此外，激光脉冲能量为高斯分布，高斯光场边缘能量较弱，其能量密度往往介于碳纤维和聚合物的加工阈值之间或均低于二者的加工阈值，导致碳纤维和聚合物的差异性去除，且受能量高斯分布影响，加工结构断面轮廓明显弯曲；再者，CFRP中的碳纤维具有明显的各向异性特性，大量加工热量会沿着碳纤维向两侧传递，造成严重的加工热损伤。在这些原因的共同作用下，激光加工CFRP结构边缘会出现聚合物被烧蚀去除或明显热积累损伤而暴露出碳纤维的热影响区，难以实现高质量均匀去除加工，实际用于实现均匀去除的脉冲能量利用率低，且加工结构会呈现出明显的锥度。