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重庆巨骏机械厂激光切割碳纤维复合材料的研究

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重庆巨骏机械厂激光切割碳纤维复合材料的研究

发布日期:2018-06-15 作者: 点击:

碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合而制成的结构材料简称碳纤维复合材料。如今,碳纤维的力学性能、外观以及最重要的经济效益被大幅改善,并且在航空航天、军用国防、风力发电和汽车等领域应用广泛[1]。其中,环氧树脂基碳纤维复合材料比强度和比模量远高于其他结构材料。由于其轻质高强的特性,在对重量和力学特性有较高要求的场合,碳纤维复合材料得到了广泛的应用。


  一般来说,碳纤维复合材料制品都是一次成型的,但制作出来后因为不满足精度或装配的需求,需要进行后加工[2]。碳纤维复合材料的后加工方式主要有两种,分别为传统的机械加工和特种加工。目前,机械加工方法依然是碳纤维复合材料加工的主要手段,但在切削加工过程中面临着如刀具切削温度高、磨损严重、分层等越来越多的问题。实际生产中,因为碳纤维复合材料和金属性质迥异,碳纤维复合材料加工与金属材料加工的刀具和工艺通常不可直接沿用。而特种加工方法如电火花加工、超声振动加工和激光加工等已经得到了极大的发展,激光切割被认为是激光应用中最成熟的工艺。


  激光切割作为一种成熟的热加工工艺,已经成功应用于金属和非金属的加工。但是,碳纤维与树脂基体热性能迥异,导致激光加工CFRP 材料难度较大。其缺点主要表现在加工后会发生一系列热损伤问题,如热影响区过大、纤维拔出、材料分层等。


  2 激光直接切割机理的实验研究


  庞思勤等[3]使用脉冲ND∶YAG 激光机研究激光加工碳纤维复合材料等高性能复合材料的工艺参数与加工机理上的特点,实验表明,激光加工 CFRP的机理以热蒸发和热熔化为主。


  Fenoughty 等[4]将脉冲ND∶YAG激光与水射流切割碳纤维复合材料的质量进行对比,研究得出脉冲激光导致的热损伤比用连续激光切割时更小。Lau 等[5,6]研究了激光加工参数对碳纤维复合材料的切割深度、热影响区宽度和切割质量的影响,实验表明波长为1064 nm 的ND∶YAG 激光源相对于CO2激光器,具有更高的能量密度和更小的光斑直径,故切缝更窄、切热影响区更小。Goeke 等[7]通过研究发现: 激光辐射波长和材料的吸收影响了热影响区尺寸大小; 随着进给速度的提高,热影响区和切缝都在减小。Garcia 等[8]研究了加工速率、激光脉冲能量和频率以及辅助气体压力等参数带来的影响,发现加工过程中传导热量的是复合材料中的碳纤维,并且发现脉冲能量越高切缝越深,频率越低材料的热影响区越大,加工速率越快热影响区越小,不过在任何情况下,材料的热影响区都很明显,加工时需要在激光照射和有效冷却之间来取得平衡。Riveiro 等[9]研究了 CO2激光器加工 CFRP 的加工参数与加工质量的关系,发现激光加工的热影响区是不可避免的,但是可以正确地选择加工参数来确保热影响区的最小化,从而获得良好的加工质量。同时,缩小的热影响区也意味着静力强度的损耗相比传统的机械加工方法更少。


  激光直接切割工艺与质量的实验研究Niino 等[10-12]研究了激光扫描速度对材料加工质量的影响。当使用高的激光扫描速度切割时,材料顶面很干净,侧壁质量良好并且热影响区也很小。Wahab 和 Pagano 等[13,14]发现脉冲能量与脉冲频率对切缝宽度、热影响区和锥角的影响都很显著,这两个参数是相互联系的,当一个参数值变化了,相应的加工效果也会变化; 热影响区和切缝宽度都取决于脉冲宽度,缩小热影响区和切缝宽度就应当使用非常短的接触时间,总之脉冲能量越高热影响区越大,频率越高切缝宽度越窄。并且他们发现,当脉冲能量和频率都取相对中间值时锥角最小。Cenna 等[15]对纤维增强塑料的激光切割参数进行了分析与预测,并建立模型以预测切割质量( 正反两面切缝宽度及锥角) 。


  Walter 等[16]对激光加工碳纤维过程中的危险排放物进行了研究,发现在加工过程中会排放一氧化碳,选用恰当的切割方法,如多道切割和稍长的间隔时间,不仅对加工质量有帮助,也会减少有害物质的排放。


  Fuchs 等[17,18]对激光多道切割碳纤维复合材料薄板材的相关技术进行了实验研究,发现采用多道扫描技术连续两次扫描有助于获得窄切缝和可控的热影响区; 当平均功率一定时,扫描速度的增加与脉冲能量的减少会导致有效切割速度的减少; 切缝宽度由扫描速度和纤维方向决定; 热影响区主要受扫描速度、与切割入口处的纤维方向和脉冲能量的影响。赵煦[19]对短脉冲激光的碳纤维材料加工进行了研究,试验表明: ①激光设置低重频比使用高重频进行加工精度高; ②使用快速和适当的多道扫描可以获得较好的形貌。


  Kononenko 等[20]针对氧气辅助超短脉冲激光切割碳纤维复合材料进行了研究,结论表明在作用区域使用高氧气流辅助加工会显著提升生产效率和深层激光切割双向碳纤维复合材料的质量,氧气流对烧蚀速率的有益作用只有在深层切缝中才能体现出来,同时氧气也提升了可达到的最大切缝深度。使用氧气之后,可以观察到在材料表面的额外基体损伤,为了避免这种影响,氧气的应用应该更精确,以保护材料的表面。


  Prie等[21]利用声发射技术检测了激光切割碳纤维复合材料的分层现象,实验表明,使用激光切割所造成的分层现象相比于机械加工较轻,且对材料造成的起始负荷更小。


  宋抒航[22]通过对一般 CFRP 以及基体添加炭黑颗粒的CFRP激光切割进行研究,研究相应的切割表面质量,并对加工热影响区进行了分析。如图1、图 2 所示,实验表明: ① 基体树脂添加炭黑颗粒后,切口表面质量相较于未添加时质量更好,切口表面裂纹数量明显减少,材料抗疲劳性能提高; ②在基体添加炭黑颗粒后,加工后正反面分层问题情况得到改善,切口形貌明显更佳。


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关键词:重庆激光切割

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