[发明专利]一种碳纤维复合材料无毛刺激光打孔方法

说明书

本发明公开一种碳纤维复合材料无毛刺激光打孔方法，包括：使激光聚焦于待加工碳纤维材料表面，所述激光的脉宽小于12ps；激光聚焦点沿设计好的扫描路径对碳纤维复合材料进行打孔加工，对于不同的孔径大小，对应选择不同的打孔加工方式和扫描路径，其中，激光扫描路径的方向与纤维方向保持一致。本发明的激光扫描路径方向与碳纤维的方向保持一致，能够实现在加工过程中保持应力释放方向与打孔路径的一致，避免出现毛刺现象，便于高质量碳纤维孔的实现。

技术领域

本发明属于超快激光加工技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料无毛刺激光打孔方法。

背景技术

随着空间技术的发展，卫星结构轻量化设计要求越来越高，高模量碳纤维增强复合材料由于其大比模量及高比强度等优越的性能，成为卫星主次结构的首选材料。在实际应用中，很多碳纤维部件会有打孔的需要，尤其是大型设备部件上，目前主要采用传统机械制孔的方式。然而，由于碳纤维复合材料是一层层的碳纤维布和树脂复合而成，虽然纤维方向的拉伸强度高但是层与层之间的粘合强度并不太高，受力的时候出现应力相异，因此容易导致分层现象。而且在对碳纤维复合材料打孔过程中高强度的碳纤维会让钻机严重磨损和产生高热量，所加工的部件会受到很大的切削力，会出现撕裂、烧焦软化等情况。除此之外，这种加工方式效率低、成本高，加工质量差，限制了高模量碳纤维增强复合材料的应用。

激光加工技术的出现为克服传统机械加工方式的缺陷提供了较好的解决方案。由于是无接触的加工方式，可以极大地消减机械工件加工碳纤维时产生的应力和切削力，避免分层现象的产生。快速地扫描加工也可以避免局部热累积，能有效避免烧焦软化的现象。

公开号CN108406120A的中国专利于2018年8月17日公开了一种使用光纤激光器加工碳纤维复合材料通孔的方法，该方法就是典型的激光加工方法，即将激光束聚焦于工件表面，材料吸收激光能量而快速升温气化，最终达到开孔的目的。然而该方法激光聚焦点持续作用于一处，必然导致大量的能量累积，极易造成局部温度过高而导致热影响区过大，甚至是烧焦现象的发生。

公开号CN103071928B的中国专利于2013年5月1日公开了一种采用环形脉冲激光在碳纤维复合材料上加工小孔的方法，该方法利用环形脉冲激光照射板材，在环形脉冲激光照射的热效应和冲击波的力效应相互结合下使环形激光层层切入材料，最终切穿整个照射区碳纤维复合材料完成小孔的加工。虽然该方法的光斑不再聚焦为一个点，但是激光照射区域能量仍然是持续输入的，因此也不能很好地避免热影响现象。

公开号CN111069798A的中国专利于2020年4月28日公开了一种碳纤维复合材料激光制孔方法，其在之前的基础上，采用了超短脉冲激光结合扫描加工的方式。超短脉冲激光由于作用时间极短，远短于热扩散的时间，可在很大程度上避免热扩散过程，再加上扫描加工的方式，激光作用点不再集中于一处，也避免了热累积，从而可以有更好的加工效果。但是对于较厚的碳纤维复合材料来说，加工深孔时激光如果无法在短时间内加工完毕，孔内就会留有大量高温物质，这些高温物质会通过热扩散影响周围的材料而形成热影响区，甚至导致烧焦。

另外，以上扫描方法都是采用圆环路径。由于构成碳纤维复合材料的纤维是横竖垂直排列的，激光以圆环路径扫描时，仅有四个点的扫描方向是与碳纤维相互垂直或平行的，其余位置激光加工路径都是斜着与碳纤维相交。激光切割碳纤维复合材料时会由于热作用产生热应力，当热应力大于纤维的断裂阈值时，应力会沿着纤维方向释放，因此只有激光加工路径顺着碳纤维材料的排列时，应力的释放方向才能与路径相合。而当激光加工路径与碳纤维方向存在非90度的夹角时，碳纤维的断裂点会在激光加工路径之外，从而导致切割孔壁上出现碳纤维毛刺。

综上可知，对碳纤维复合材料的切割目前仍然存在很多问题，因此有必要开发出可以避免热影响、同时具有高质量无毛刺孔壁的有效打孔方法，以适用于多变的工业应用需求。

发明内容