[发明专利]复合材料板超快激光打排孔及原位检测的方法

说明书

本发明一种复合材料板超快激光打排孔及原位检测的方法包括获取复合材料板的导电材质和绝缘材质，以优化超快激光打孔工艺参数；安装符合材料板；启动并调整光路；获得加工出孔洞内光学信号等步骤。本发明对加工区周围的热影响小；提高复合材料排孔的打孔效率与打孔精度；可利用聚焦光束进行控制深度方向的内部加工；可对所加工复合材料排的深度和强度以及周边裂纹进行原位检测；通过多光束平行激光束能够实时控制排孔的数量。

技术领域

本发明涉及超快激光加工技术领域，尤其涉及一种复合材料板超快激光打排孔及原位检测的方法。

背景技术

复合材料具有强度高、重量轻的特点,在航空航天工业中得到广泛应用。但是,由于复合材料的硬度高、耐磨性好和组织结构的不均匀性，在切削中使切削力增大,刀具容易磨损。用磨损后的刀具切削时，工件容易产生分层，表面划伤以及进出口处产生大量毛刺等问题，无法根据加工材料来确定合理的切削用量，给切削加工带来极大的困难。目前，复合材料钻孔是工业领域，尤其是航空航天工业领域面临的最具挑战性课题之一。以往，钻削复合材料时会出现破裂、分层、烧伤、表面质量差以及同轴度不佳的问题。特别在钻削层压材料或多层材料，如上层是钦合金、底层是铝合金、中间层是碳纤维增强塑料时，这些问题表现得尤其严重。含砂、水力打孔能产生很小的切削力，但是加工精度低，加之含、水溶液能使零件泡涨，在打孔中会出现分层、污染操作场地等缺点，故一般不建议采用。激光加工具有无刀具磨损，不与工件接触以及加工精度高等特点，因此能克服上述缺点。聚光直径达00.020—0.25mm的激光头可在复合材料制成的薄壁零件上钻孔及打孔外形,如加工参数选择合理,亦能打孔加工0.025mm厚的薄壁零件。采用传统的激光钻(蚀)孔，由于激光脉冲宽，激光脉冲冲击时持续时间长，其激光脉冲宽度大多数都在纳(10^-9)秒级，远大于热扩散或传导所需要的时间，因此会造成对周围区域进行热扩散和热传导必然会形成“热影响区”，其厚度可从几十微米到几百微米，而在这个“热影响区”厚度及其周围区域的界面处能形成热损伤或破坏(如熔化、变形、起皱粗糙、裂缝或分层等)，为了消除这些缺陷和问题，往往要采用后续处理(如研磨、微蚀刻、清洗等措施)才行，否则会带来产品质量、使用寿命问题而带来加工孔的热损伤而形成的缺陷和质量(可靠性)问题。但是，当强大的激光脉冲冲击的时间短到几百超快或更短的激光脉冲冲击时、或每秒内多于100万次激光脉冲时，由于碰撞(冲击)时间极短并极快地去除所碰撞材料外，几乎来不及或不可能进行热扩散和热传导的发生，或者说，物质的热扩散或热传导是需要一定时间(一般在皮秒级以内)的，只有当激光脉冲的冲击时间短于所加工材料要求的热扩散时间或热传导时间的情况下，当然就可以避免产生和存在“热影响区”的热破坏问题。超快激光脉冲作用时间短，具有非常高的瞬时功率，能使不同形态的物质瞬间变成等离子体，作用在物质上会产生非常奇特的现象，而且其具有热效应小、加工精度高的优点。为了提高超快激光在高比强度复合材料打排孔加工过程中的加工效率，采用多光束并行打排孔加工方法，可以大大提高加工效率。

发明内容

为了高强度复合材料在打排孔的过程中避免热损伤而形成的缺陷和质量(可靠性)问题，同时为了实时监测高强度复合材料的材质强度和在打排孔的过程中出现的微裂纹与深度之间的耦合，本发明提出了一种复合材料板超快激光打排孔及原位检测的方法，包括如下步骤：

步骤一，获取复合材料板的导电材质和绝缘材质，以优化超快激光打孔工艺参数，从而获得打孔效率高、孔断面质量好的工艺参数，并将这些优化的工艺参数存储在工控机中；

步骤二，将复合材料板装夹好，对中，并利用超快激光探头对准所要打孔的位置；

步骤三，打开超快激光器，发出的激光经激光反射镜一反射后通过二分之一波片、偏振分光镜、以及再经过两个反射镜后，射入空间光调制器，其中可通过转动二分之一波片的角度来调节激光的能力；

空间光调制器加载全息图，对光的相位进行调制，产生多光束，多光束通过4F光学信息处理系统以排除零阶光对加工的影响，进而通过4F光学信息处理系统将空间光调制器的像呈现在加工平面，用多光束对复合材料板进行多光束并行加工；