[發(fā)明專利]復合材料板超快激光打排孔及原位檢測的方法

在審

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• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111141738A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發(fā)明（設計）人: 劉勝;周振;東芳
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84;G01N21/88;G01N29/04;B23K26/382;B23K26/064;B23K26/067;B23K26/70;B23K26/06
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 姜學德

本發(fā)明一種復合材料板超快激光打排孔及原位檢測的方法包括獲取復合材料板的導電材質和絕緣材質，以優(yōu)化超快激光打孔工藝參數；安裝符合材料板；啟動并調整光路；獲得加工出孔洞內光學信號等步驟。本發(fā)明對加工區(qū)周圍的熱影響小；提高復合材料排孔的打孔效率與打孔精度；可利用聚焦光束進行控制深度方向的內部加工；可對所加工復合材料排的深度和強度以及周邊裂紋進行原位檢測；通過多光束平行激光束能夠實時控制排孔的數量。

技術領域

本發(fā)明涉及超快激光加工技術領域，尤其涉及一種復合材料板超快激光打排孔及原位檢測的方法。

背景技術

復合材料具有強度高、重量輕的特點,在航空航天工業(yè)中得到廣泛應用。但是,由于復合材料的硬度高、耐磨性好和組織結構的不均勻性，在切削中使切削力增大,刀具容易磨損。用磨損后的刀具切削時，工件容易產生分層，表面劃傷以及進出口處產生大量毛刺等問題，無法根據加工材料來確定合理的切削用量，給切削加工帶來極大的困難。目前，復合材料鉆孔是工業(yè)領域，尤其是航空航天工業(yè)領域面臨的最具挑戰(zhàn)性課題之一。以往，鉆削復合材料時會出現破裂、分層、燒傷、表面質量差以及同軸度不佳的問題。特別在鉆削層壓材料或多層材料，如上層是欽合金、底層是鋁合金、中間層是碳纖維增強塑料時，這些問題表現得尤其嚴重。含砂、水力打孔能產生很小的切削力，但是加工精度低，加之含、水溶液能使零件泡漲，在打孔中會出現分層、污染操作場地等缺點，故一般不建議采用。激光加工具有無刀具磨損，不與工件接觸以及加工精度高等特點，因此能克服上述缺點。聚光直徑達00.020—0.25mm的激光頭可在復合材料制成的薄壁零件上鉆孔及打孔外形,如加工參數選擇合理,亦能打孔加工0.025mm厚的薄壁零件。采用傳統的激光鉆(蝕)孔，由于激光脈沖寬，激光脈沖沖擊時持續(xù)時間長，其激光脈沖寬度大多數都在納(10^-9)秒級，遠大于熱擴散或傳導所需要的時間，因此會造成對周圍區(qū)域進行熱擴散和熱傳導必然會形成“熱影響區(qū)”，其厚度可從幾十微米到幾百微米，而在這個“熱影響區(qū)”厚度及其周圍區(qū)域的界面處能形成熱損傷或破壞(如熔化、變形、起皺粗糙、裂縫或分層等)，為了消除這些缺陷和問題，往往要采用后續(xù)處理(如研磨、微蝕刻、清洗等措施)才行，否則會帶來產品質量、使用壽命問題而帶來加工孔的熱損傷而形成的缺陷和質量(可靠性)問題。但是，當強大的激光脈沖沖擊的時間短到幾百超快或更短的激光脈沖沖擊時、或每秒內多于100萬次激光脈沖時，由于碰撞(沖擊)時間極短并極快地去除所碰撞材料外，幾乎來不及或不可能進行熱擴散和熱傳導的發(fā)生，或者說，物質的熱擴散或熱傳導是需要一定時間(一般在皮秒級以內)的，只有當激光脈沖的沖擊時間短于所加工材料要求的熱擴散時間或熱傳導時間的情況下，當然就可以避免產生和存在“熱影響區(qū)”的熱破壞問題。超快激光脈沖作用時間短，具有非常高的瞬時功率，能使不同形態(tài)的物質瞬間變成等離子體，作用在物質上會產生非常奇特的現象，而且其具有熱效應小、加工精度高的優(yōu)點。為了提高超快激光在高比強度復合材料打排孔加工過程中的加工效率，采用多光束并行打排孔加工方法，可以大大提高加工效率。

發(fā)明內容

為了高強度復合材料在打排孔的過程中避免熱損傷而形成的缺陷和質量(可靠性)問題，同時為了實時監(jiān)測高強度復合材料的材質強度和在打排孔的過程中出現的微裂紋與深度之間的耦合，本發(fā)明提出了一種復合材料板超快激光打排孔及原位檢測的方法，包括如下步驟：

步驟一，獲取復合材料板的導電材質和絕緣材質，以優(yōu)化超快激光打孔工藝參數，從而獲得打孔效率高、孔斷面質量好的工藝參數，并將這些優(yōu)化的工藝參數存儲在工控機中；

步驟二，將復合材料板裝夾好，對中，并利用超快激光探頭對準所要打孔的位置；

步驟三，打開超快激光器，發(fā)出的激光經激光反射鏡一反射后通過二分之一波片、偏振分光鏡、以及再經過兩個反射鏡后，射入空間光調制器，其中可通過轉動二分之一波片的角度來調節(jié)激光的能力；

空間光調制器加載全息圖，對光的相位進行調制，產生多光束，多光束通過4F光學信息處理系統以排除零階光對加工的影響，進而通過4F光學信息處理系統將空間光調制器的像呈現在加工平面，用多光束對復合材料板進行多光束并行加工；