碳纤维增强复合材料（管材）皮秒激光切割研究

发布时间：2020-05-28 10:00

【摘要】：随着轻量化发展的需求及复合材料技术的发展,具有多种优良性能的碳纤维增强复合材料管材(以下简称CFRP管材)在航空航天、汽车等领域得到了广泛的应用,但CFRP管材的难加工性成为其工业推广应用的瓶颈。针对CFRP管材加工难的问题,本文利用皮秒激光对CFRP管材进行试验研究,基于搭建的皮秒激光烧蚀观测系统,对CFRP管材的皮秒激光烧蚀机理进行了试验研究;基于搭建的CFRP管材皮秒激光切割系统,对CFRP管材皮秒激光切割进行了试验研究,具体包括以下内容:(1)介绍了 CFRP的加工难点及皮秒激光加工技术的特点和应用,阐述了CFRP激光切割和皮秒激光加工的研究现状,搭建了 CFRP管材皮秒激光烧蚀观测系统、CFRP管材皮秒激光切割系统。(2)对皮秒激光与材料相互作用机理及防热复合材料的激光烧蚀机理进行了基本的阐述;利用CFRP管材皮秒激光烧蚀观测系统对CFRP管材的烧蚀过程进行了拍摄,阐述了烧蚀过程中常见现象并分析了产生这些现象的原因;总结了CFRP管材皮秒激光加工中常见加工缺陷。(3)基于“N分法”,提出了 CFRP管材皮秒激光横向切割:采用单因素试验法研究了离焦量、激光平均功率、激光重复频率、激光扫描速度、激光扫描轨迹重叠率对CFRP管材皮秒激光横向切割质量的影响。(4)为探究不同切割方法对CFRP管材皮秒激光切割质量的影响,提出了CFRP管材皮秒激光径向切割法;采用单因素试验法研究了激光平均功率、激光重复频率、重叠率对CFRP管材皮秒激光径向切割质量的影响。
【图文】：

示意图,常见缺陷,激光切割

／逦出ａ：邋２．毛边邋＼逦２．纤维拔出逡逑／孔壁用围材料：分V矗危常植沐澹苠危常⒘複逡逑图１．１邋ＣＦＲＰ制孔过程中常见缺陷示意图逡逑由于ＣＦＲＰ中碳纤维和基体材料的热膨胀系数等热力学性能存在较大的差别，，逡逑且连续激光及长脉冲激光与材料加热时能量达到焦耳级别，所以在ＣＦＲＰ的激光逡逑加工过程中不可避免的产生较大的热损伤。热损伤导致的ＨＡＺ邋（热影响区）、纤逡逑维拔出、材料开裂、纤维末端膨胀（如图１．２所示）将严重影响ＣＦＲＰ的加工质逡逑量『６］。脉宽为纳秒级别的准分子激光器虽可以减少热影响区，但是达不到高精度逡逑的要求，热损伤的存在很大程度上会降低ＣＦＲＰ的各种优良性能。由于ＣＦＲＰ管逡逑材比ＣＦＲＰ板材有着更复杂的外形，且目前研究ＣＦＲＰ管材激光加工的人很少，逡逑没有过多的加工经验借鉴，这进一步加大了本次研究的难度。逡逑ａ）热影响区逦ｂ）表层纤维拔出逡逑ｍ．邋．邋；；邋：邋，邋：：邋：：逡逑Ｃ）裂纹逦ｄ）纤维末端拔出逡逑图１．２邋ＣＦＲＰ激光切割常见缺陷逡逑３逡逑

常见缺陷,制孔,热力学性能,纤维

且连续激光及长脉冲激光与材料加热时能量达到焦耳级别，所以在ＣＦＲＰ的激光逡逑加工过程中不可避免的产生较大的热损伤。热损伤导致的ＨＡＺ邋（热影响区）、纤逡逑维拔出、材料开裂、纤维末端膨胀（如图１．２所示）将严重影响ＣＦＲＰ的加工质逡逑量『６］。脉宽为纳秒级别的准分子激光器虽可以减少热影响区，但是达不到高精度逡逑的要求，热损伤的存在很大程度上会降低ＣＦＲＰ的各种优良性能。由于ＣＦＲＰ管逡逑材比ＣＦＲＰ板材有着更复杂的外形，且目前研究ＣＦＲＰ管材激光加工的人很少，逡逑没有过多的加工经验借鉴，这进一步加大了本次研究的难度。逡逑ａ）热影响区逦ｂ）表层纤维拔出逡逑ｍ．邋．邋；；邋：邋，邋：：邋：：逡逑Ｃ）裂纹逦ｄ）纤维末端拔出逡逑图１．２邋ＣＦＲＰ激光切割常见缺陷逡逑３逡逑
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33;TN249

【参考文献】