激光复合切割碳纤维复合材料的实验研究

  通过激光的多次扫描切削,快速完成样件粗加工,完成大部分材料的高效去除,进一步通过机械加工的方式依次去除激光加工产生的热影响区及粗加工余量,最终完成制件及构建所需几何特征的加工。对于大厚度CFRP材料通过单次实现较大的去除量,经过多次快速扫描去除,保证加工速度的同时有效减少了激光加工产生的热影响区,并在热影响区尽可能小的前提下实现大部分材料的快速高效去除,大大降低了机械加工量。

  研究人员利用额定功率为500 W的毫秒脉冲ND:YAG激光器,分别进行了在空气中和水下切割碳纤维复合材料( CFRP)的实验研究。实验表明:

  ①激光水下切割碳纤维复合材料可较大程度上缓解热损伤问题,包括正反面纤维拔出长度与热影响区尺寸的问题;

  ②以切断CFPR为前提,使用较低的脉冲能量、频率和较高的切割速率与气体压力会得到更好的加工质量;

  ③激光切割在水下切割材料的热影响区为上宽下窄,但是,水下切割碳纤维时,材料下表面和旁边的水肯定会吸收大量的热量,从而使得下表面的热影响区能够非常小,且比上表面的热影响区更小;然而,这会导致下表面吸收到的能量减少许多,如果激光功率不足够大的话,会出现材料切割不透或者切缝太窄、断口不平整、锯齿状切缝等问题。

  激光加工早已在实际的生产制造中得到应用,研究者们针对激光切割的加工质量,从不同的角度进行了实验研究。然而,一些问题得到的解决方法并不全面彻底,仅能在特定的实验条件下适用。在将来的研究中,还需要进一步开展激光切割碳纤维复合材料以及激光与其他技术复合切割碳纤维复合材料的理论与实验研究。