[發明專利]基于熱防護層輔助飛秒激光高質量加工CFRP的方法

有效

• 申請號: 202111579400.9
• 申請日: 2021-12-22
• 公開（公告）號: CN114178688B
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發明（設計）人: 姜瀾;張學強;李欣;孟慶賡;張開虎;原永玖
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;北京衛星制造廠有限公司
• 主分類號: B23K26/18
• 分類號: B23K26/18;B23K26/38;B23K26/064
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明涉及一種基于熱防護層輔助飛秒激光高質量加工CFRP的方法，屬于CFRP材料加工領域。本發明在飛秒激光加工CFRP的基礎上，引入熱防護層作為保護層，能夠實現CFRP的高質量加工。首先在待加工的CFRP表面鋪設由反射型防護材料和隔熱型防護材料組合而成的熱防護層，然后按預先設定的運動軌跡進行飛秒激光逐層掃描直寫加工，加工完成后揭去鋪設的熱防護層，最終在CFRP材料上得到所需的高質量的槽/孔結構。這種基于熱防護層輔助飛秒激光高質量加工CFRP的方法，得到的加工結果無分層、毛刺、撕裂等不良現象，且同時具有極低的熱影響區和極小的錐度，該方法展示出高質量加工CFRP的制造能力以及應用前景。

技術領域

本發明涉及一種基于熱防護層輔助飛秒激光高質量加工CFRP的方法，屬于CFRP材料加工領域。

背景技術

碳纖維增強聚合物(CFRP)材料具有超高的比強度和比模量、低密度、低熱膨脹、耐磨損、耐腐蝕等諸多優異的性能，其作為核心材料被應用于諸多重大工程領域，譬如航空航天、汽車制造、軌道交通、風力發電、高壓電纜等等，展示出了巨大的應用空間和發展前景。

盡管CFRP材料通常在制造過程中已經近凈成形，但在制件最終裝配過程中仍需進行大量的切割、鉆孔等加工過程。但由于其各向異性、非均質、耐磨、脆性大等特點，成為了典型的難加工材料。目前應用最為廣泛的機械加工方法得到的加工結果通常會出現分層、毛刺、撕裂等等不良現象，加工質量差，嚴重影響CFRP材料構件后續的裝配、性能和壽命；機械加工過程中刀具磨損嚴重，切削性能急劇退化，需要頻繁更換刀具；且難以加工出高精度的微型槽/孔結構。這都嚴重制約了CFRP材料的制造和應用。

激光加工由于其高精度、非接觸、無應力、無刀具磨損的特點，可以有效地解決目前面臨的加工問題。雖然激光加工可以很大程度上解決材料分層、結構缺陷、刀具磨損等問題，但由于CFRP非均質的復合結構，碳纖維和聚合物基體的熱/光學性質迥異，并且加工過程中通常需要進行多層的進給加工，使得CFRP的加工結構邊緣會產生明顯的熱影響區(HAZ)，并且加工結果往往呈現出較大的錐度。因此，目前對于熱影響區和錐度的同時優化控制仍是激光加工CFRP材料所面臨的瓶頸問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有方法加工CFRP材料中存在的材料分層、毛刺、刀具磨損、熱損傷嚴重、錐度明顯的問題，提出了一種基于熱防護層輔助飛秒激光高質量加工CFRP的方法。本發明在飛秒激光加工CFRP的基礎上，引入熱防護層作為保護層，能夠實現CFRP的高質量加工。首先在待加工的CFRP表面鋪設由反射型防護材料和隔熱型防護材料組合而成的熱防護層，然后按預先設定的運動軌跡進行飛秒激光逐層掃描直寫加工，加工完成后揭去鋪設的熱防護層，最終在CFRP材料上得到所需的高質量的槽/孔結構。這種基于熱防護層輔助飛秒激光高質量加工CFRP的方法，得到的加工結果無分層、毛刺、撕裂等不良現象，且同時具有極低的熱影響區和極小的錐度，該方法展示出高質量加工CFRP的制造能力以及應用前景。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

由于CFRP非均質的復合結構，碳纖維和聚合物基體的熱/光學性質迥異，難以實現激光高質量均勻加工。且在傳統的CFRP激光直接切割/鉆孔的加工過程中，激光焦點需要在厚度方向上不斷地向下進給進行逐層掃描加工，因此會在CFRP材料的上表面形成尺寸逐漸放大的離焦光斑，其能量會被加工結構的邊緣表面阻擋并吸收，從而對材料表面造成嚴重不良影響。當其能量足夠大時，會導致結構邊緣的碳纖維和基體材料同時發生燒蝕，從而擴寬加工結構的入口尺寸，影響最終結構的錐度；當其能量不足以同時燒蝕邊緣材料時，由于基體的燒蝕閾值要低于碳纖維，會造成基體發生燒蝕而暴露出長長的碳纖維，產生嚴重的熱損傷現象，擴大材料結構邊緣的熱影響區。因此在激光直接切割/鉆孔CFRP的逐層掃描加工過程中，隨著激光焦點的不斷進給下移，加工結構的入口尺寸和邊緣表面的熱損傷會逐漸增加，最終得到的加工結構的熱影響區和錐度均較大，加工質量差。