皮秒激光加工碳纤维复合材料盲孔的扫描速度优化方法

发布时间：2022-01-25 12:13

　　针对碳纤维增强塑料激光加工盲孔中存在的严重底部凹陷现象,采用皮秒脉冲激光对不同激光扫描速度进行了盲孔加工实验,并用Comsol软件进行了数值模拟,研究了分段变速和线性变速的扫描速度策略对盲孔加工深度、热影响区和底部微观形貌的影响。结果表明,采用变速度扫描策略可以使热在材料上更加均匀,从而削弱盲孔内圈底部的凹面效应。此外,变速度扫描路径策略可以减少盲孔的纤维断裂和树脂残留,提高结构的物理性能。当扫描速度函数为线性函数时,盲孔底面凹陷效应减弱明显,可在达到盲孔加工深度以及较小的热影响区和孔锥度角前提下凹陷程度最小的盲孔底面。 

【文章来源】：应用激光. 2020,40(04)北大核心CSCD

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【部分图文】：

三维模型的简化

同时可以看到,虽然数值仿真结果和实验结果具有相同的规律,但是仿真结果的数值略低于实验结果,在三组中呈现相同的规律。这是由于在皮秒激光实际加工过程中伴随的力学剥蚀效应加速了材料的去除,导致盲孔凹陷深度值大于数值仿真结果。力学剥蚀产生的原因是,由于碳纤维和树脂物理属性的巨大差异,高能激光束的巨大热量使树脂材料迅速热解,还未达到气化温度去除的碳纤维裸露在空气中,在加工区域由于温差形成的热羽流“吹走”了部分碳纤维,加速了材料的去除速度。图6是三组实验参数下所加工盲孔的底面扫描电镜图片。在皮秒激光加工CFRP盲孔的质量评价上,除了盲孔的凹陷深度,盲孔底面的微观形貌也相当重要,特别是纤维断裂和树脂残留情况,对盲孔的精度、力学性能影响较大,是一项重要的盲孔质量的评价指标。

在以z轴对称的截面模型中,激光从距离中心1.5 mm的最远点开始加工,直到靠近盲孔中心的最后一个轨迹点。将盲孔在半径处和中心处的z轴深度差记为Δh(图中标识为两条黑线之间的距离),Δh为评判盲孔底面凹陷程度的重要指标,Δh值越大,则说明 底面凹陷深度越大,凹陷程度越严重,盲孔精度越差。图4是三组不同的速度方案下Comsol仿真结果(左)和三维轮廓显微镜下的盲孔截面观测图(右)。图中(a)组是匀速扫描下的盲孔数值计算和实验结果图,所加工盲孔有明显的热烧蚀区域,呈现一个凹坑形貌,即凹坑截面呈现具有一定曲率的弧形,中心位置处的热烧蚀深度明显大于半径方向距离中心处1.5 mm处。当扫描速度为200 mm/s时,Δh达到315 μm,盲孔截面有明显的凹陷现象。

【参考文献】：
期刊论文
[1]激光热效应数值模拟技术研究现状[J]. 张金琪,李建美,路长厚,房欣欣,马卓.  机电工程. 2014(11)
[2]超强度纤维柔性复合材料激光加工工艺研究[J]. 张玲玲,姜兆华,张伟,潘涌,王健超,韩华.  应用激光. 2012(03)



本文编号：3608518