[發明專利]一種水輔助冷卻激光切割碳纖維復合材料的加工方法和裝置

在審

• 申請號: 201610212985.3
• 申請日: 2016-04-05
• 公開（公告）號: CN105689900A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 袁根福;章辰;叢啟東
• 申請（專利權）人: 江南大學
• 主分類號: B23K26/38
• 分類號: B23K26/38;B23K26/402;B23K26/14;B23K26/146
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種水輔助激光切割碳纖維復合材料的加工方法和裝置，屬于特種加工的應用領域。

背景技術：

碳纖維復合材料(carbonfiberreinforcedplastics，CFRP)是由具有優秀力學性能的碳纖維作為增 強體、樹脂作為基體固化成形的先進復合材料，這兩種材料的組合使得CFRP具有比強度高、比剛度高、 重量輕及可設計性等優點，因此，越來越廣泛地應用于航空航天和汽車領域。但是，由于其性能主要受到 碳纖維和基體的特性差異、纖維的取向以及纖維和基體的體積含量的影響，導致它具有層間強度低、各向 異性、硬度高、脆性大等特點，這使得CFRP的傳統接觸式機械加工容易出現一系列的問題，比如：刀具 極易被磨損、復合材料分層和纖維容易破碎等加工質量不高、材料加工后性能變差等。

激光切割以其切縫窄、切割速度快、無機械切削力和能夠切割各種復雜形狀的部件等優點，已 經成功應用于金屬和非金屬的切割。然而由于碳纖維在徑向和縱向熱膨脹系數的不同以及碳纖維與樹脂基 體的熱性能上的巨大差異，使得激光切割CFRP非常的困難，主要表現在激光切割后出現的一系列熱損傷： 熱影響區、纖維拔出、分層等。

發明內容：

基于激光切割碳纖維復合材料過程中存在的各種問題，本發明通過引入水輔助冷卻技術，利用 水的冷卻作用輔助激光切割碳纖維復合材料的新方法，以期縮小材料的熱影響區，并減少纖維拔出情況， 從而提高材料的加工質量。

本發明所述的一種水輔助冷卻激光切割碳纖維復合材料的加工方法，該方法包括激光加工系統、 水輔助冷卻系統，所述水輔助冷卻系統在加工前需要向冷卻液槽中注入定量的輔助冷卻用水，所述激光加 工系統的激光束通過反射鏡反射進入激光頭，所述激光頭還需要通入輔助氣體，所述輔助氣體與激光束經 激光頭一起射到材料上；裝置的工作臺把碳纖維復合材料固定在冷卻用水中指定位置以輔助冷卻加工。

碳纖維復合材料固定在冷卻用水中時，優選的方式是將切割材料浸泡至只保留頂面在空氣中。

在本發明中，所述激光加工系統包括反射鏡、激光束、輔助氣體、激光頭，激光的電流強度為 120～200A，脈沖寬度為0.4～1.8ms，脈沖重復頻率為20～50HZ，離焦量為1～3mm，激光掃描速度為 0.6～1.5mm/s，激光系統產生的激光束最終從激光頭發出。

本發明具有的有益效果：

(1)水輔助冷卻系統非常簡單，成本低，對材料無損傷；

(2)水輔助冷卻系統的冷卻作用能夠有效縮小材料背面的熱影響區，降低材料加工區域纖維拔 出情況；

(3)激光的高能量能夠實現快速切割材料；

(4)利用激光、水輔助冷卻兩者的共同作用，能夠獲得良好的加工效果。

附圖說明：

圖1是本發明所述的裝置結構圖。

其中：1、固定工作臺；2、冷卻用水；3、冷卻液槽；4、工作臺；5、碳纖維復合材料；6、激 光頭；7、輔助氣體；8、激光束；9、反射鏡

具體實施方式：

為了使本發明的技術方案能夠更加清晰地表示出來，下面結合附圖，對本發明作進一步說明。

請參閱圖1，是一種水輔助冷卻激光切割碳纖維復合材料的方法的一種具體實施方案，包括激 光加工系統、水輔助冷卻系統，所述激光加工系統的激光束8通過反射鏡9反射進入激光頭6，所述激光 頭6還需要通入輔助氣體7，所述輔助氣體氧氣7與激光束8經激光頭6共同射到材料5上；

激光加工系統包括反射鏡9、激光束8、輔助氣體氧氣7、激光頭6，激光的電流強度為120～200A， 脈沖寬度為0.4～1.8ms，脈沖重復頻率為20～50HZ，離焦量為1～3mm，激光掃描速度為0.6～1.5mm/s，所 述激光系統產生的激光束8最終從激光頭6發出。

水輔助冷卻系統中包括輔助冷卻用水2、冷卻液槽3、工作臺4，所述水輔助冷卻系統的冷卻液 槽3中注入定量的冷卻用水2直至浸泡需要加工的材料5只保留頂面在空氣之中，或者所述工作臺4把碳 纖維復合材料5固定在冷卻用水2中指定位置以輔助冷卻加工；待加工完成后，將冷卻用水放出，最后取 出材料。