层压式高强度纤维复合材料的激光切割工艺研究

激光以其非接触加工和高能量密度的特点在高强度纤维复合材料的切割领域体现了价值。针对大幅面层压式高强度纤维复合材料切割,采用超脉冲射频CO₂激光器,设计了一套平台切割系统与振镜扫描结合的大幅面混合激光切割系统,在快速、高自由度的振镜切割系统与精细、大幅面的平台切割系统之间可方便切换,还可进行两种方式协同工作的拼接式切割。采用该系统,对层压式高强度纤维复合材料、凯芙拉以及尼龙66进行了工艺实验,分析了材料特性、激光能量与切割速度等因素对切割效果的影响。     

激光切割碳纤维复合材料的实验研究

为了获得激光切割参量对碳纤维复合材料的影响规律,利用额定功率为500W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。采用单因素实验法,考察了脉冲能量、频率、切割速度与气体压力等激光参量对切割质量的影响,获得了激光参量对切割CFRP材料切口的切缝宽度、正面纤维拔出长度、背面纤维拔出长度与锥角的影响规律,并对激光切割机理进行了分析研究。结果表明,水下切割能有效地减小激光切割产生的热影响区。这为继续开展激光水下切割CFRP的研究提供了参考。     

激光扫描角度对碳纤维复合材料的热影响研究分析

为研究激光扫描角度对碳纤维复合材料的热影响作用和扫描角度对激光能量在材料内部传递过程的影响,以常用的纤维铺设角度即0°、45°和90°作为激光扫描角度,进行了有限元模拟和试验验证。结果表明,随扫描角度的增大,激光对材料的热影响范围逐渐增大;当扫描角度为45°时,切缝两侧纤维碳化较为严重。通过激光切割试验验证,发现模拟与试验存在误差为746,模拟与试验所呈现出扫描角度对材料的热影响趋势,以及扫描角度对纤维造成碳化的结果特征具有一致性。为降低激光切割对材料的热影响,减小材料的碳化区域,改善材料的激光切割质量,除选用合适的激光参量外,应尽可能的使激光扫描角度与纤维轴向一致。     

激光复合加工碳纤维复合材料热损伤控制的研究现状

碳纤维复合材料由碳纤维和树脂基体两种材料复合而成,因为两者的热性能参数差距较大,直接在空气中进行激光加工碳纤维复合材料会出现如较大的热影响区、纤维膨胀、纤维拔出和切面材料分层等损伤问题,所以在激光加工碳纤维复合材料中,对其热损伤的控制成为关键问题.本文对激光复合加工碳纤维复合材料的国内外研究现状进行综述,重点聚焦在气体...     

单层碳纤维复合材料激光多向切割的温度场模拟北大核心CSCD

研究了激光切割碳纤维复合材料(CFRP)过程中碳纤维的铺设方向和树脂含量对激光能量传递方向以及切割质量的影响。根据复合材料混合定律设定材料物理参数,建立了碳纤维铺设角度为0°、45°、90°,树脂含量由30%增至50%的单层CFRP三维有限元模型。数值模拟结果表明,激光多向切割单层CFRP时,烧蚀前沿的能量传递方向由激光切割方向主导;随着纤维铺设角度的增大,传递方向的角度增大;稳定切割时能量传递主要沿纤维铺设方向。随着纤维铺设角度的增大,切缝倾角增大,表面碳纤维烧蚀宽度几乎不变,温度场变宽,最高温度降低。切割不同树脂含量单层CFRP时,热影响区宽度和最高温度随树脂含量的增加都呈近似线性变化。与试验结果相比,数值模拟结果中的表面碳纤维被烧蚀宽度的平均误差为10.66%,热影响区宽度的平均误差为13.09%。     

激光精密切割不锈钢薄板的工艺研究

采用Nd∶YAG脉冲激光器对不锈钢进行了精密切割。系统研究了工艺参数对切缝宽度和切缝质量的影响规律。结果表明,缝宽随激光功率密度、频率以及脉宽的增加而加大;提高激光输出重复频率,不仅有利于提高加工质量,而且可以增大切割速度,提高加工效率。在此基础上,导出了光斑重叠度和极限切割速度的计算公式,利用此公式估算的脉冲激光切割的极限速度与实验结果符合很好     

精密齿轮光纤激光切割工艺研究

利用光纤激光精密加工系统进行了不锈钢齿轮的切割实验。研究了激光光斑直径及离焦量、切割速度、激光功率等工艺参数对齿轮切缝宽度及加工质量的影响。通过优化工艺参数,在0.4mm厚的不锈钢薄板上切割出了精密齿轮。     

基于355nm紫外激光切割柔性覆铜板的工艺参数优化

针对紫外激光切割柔性覆铜板时出现焦黑碳化、过熔及过多能量损耗等问题，采用355 nm紫外纳秒激光切割机对49μm厚聚酰亚胺双面无胶柔性覆铜板进行激光切割实验，通过预切割遍历参数以验证切割覆铜板的最小能量——临界切割能量。在此基础上，研究了切割参数对柔性覆铜板表面形貌、截面形貌、碳化程度、刻缝宽度以及表面和截面成分变化的影响。实验结果表明：激光切割速度、切割功率和重复切割次数对柔性覆铜板的切割质量具有重要影响，提升切割速度、保持适中的切割功率、降低重复切割次数能够获得切口光滑且无积碳的高质量、低功耗切割效果。由以上结果可得出本实验条件下的最佳工艺参数：切割速度为2000 mm/s，切割功率为12 W，重复切割次数为70次。本实验研究结果为实现柔性覆铜板的高质量、低能耗激光切割提供了工艺依据，而且该切割工艺可适用于柔性电路板、聚酰亚胺覆盖膜及补强板等通过激光切割成形的材料。     

水导激光微加工机理与研究进展

随着我国航空航天、微电子和医疗等领域的快速发展,组成元件逐步迈向微型化和精细化,这对零部件的切割以及微米级孔、槽等结构的加工质量和加工精度提出了更高要求。与传统的机械加工、电火花加工和电化学加工相比,激光加工可实现“非接触”加工,加工材料的适应性好、柔性大。但单一的激光加工得到的切口存在明显的锥度,且易出现热影响区、毛刺、裂纹等缺陷。水导激光加工技术利用水射流“同轴”全反射导引激光,兼具高质量和高效加工的优势,因而得到了广泛研究和应用。为对水导激光加工技术进行较为详尽的综述,本文首先讨论了水射流的形成、衰减和发散过程,然后从水的光学特性、全反射形成条件以及耦合能束传输等方面对激光-水射流耦合进行了分析,最后介绍了水导激光在金属、半导体以及复合材料等领域的应用现状,并针对现有技术的不足,对其发展趋势进行了展望。     

CFRP硅油辅助皮秒激光低损伤制孔工艺

皮秒激光加工具有峰值能量高、脉冲作用时间短等特点,是碳纤维复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)孔切割的重要手段。但是碳纤维和树脂基体的热物性存在较大差异,激光脉冲能量累积与传导行为,致使热损伤难以避免。本文提出一种CFRP硅油辅助皮秒激光制孔工艺,研究硅油对孔内部缺陷、热影响区(Heat affected Zone,HAZ)、孔圆度及锥度的影响。研究表明,与皮秒激光制孔相比,硅油辅助制孔质量显著提高:切口处无基体损伤,孔内壁面无裂纹,仍存在轻微的纤维裸露；孔表面HAZ减至41μm(重复频率200kHz、扫描速度1800mm/s)；激光重复频率200kHz、扫描速度600mm/s时锥度减小1609。综上,硅油有助于调控CFRP激光制孔损伤:改善微观缺陷,抑制热影响区,降低锥度等。     

不锈钢材料的光纤激光掩膜微细电解复合加工

光纤激光掩膜微细电解复合加工是激光表面重熔与微细电解加工的结合,是加工微细型腔的有效方法。根据光纤激光掩膜微细电解复合加工的加工原理,搭建复合加工平台并进行工艺试验。对光纤激光掩膜表层物质进行XRD测量,结合有限元法建立热源模型分析激光加工参数对激光掩膜的影响,对不锈钢表层进行电化学极化曲线测量,最后进行工艺试验对得出的结论进行验证。研究结果表明:激光重熔表面耐腐蚀性较好,在微细电解加工过程中对材料基体起到很好的保护作用,选取适当的激光加工参数能够加工出精细的微型腔结构。     

激光电化学复合加工的冲击空化检测及试验

为了测量脉冲激光击穿电解液下产生的声压信号,探讨冲击空化效应对激光电化学复合加工的作用和影响,建立了激光电化学复合加工检测系统。采用水听器采集脉冲激光聚焦电解液下产生的声压信号,使用示波器对声压信号进行存储、XVIEWER软件对声压波形分析和计算,最后对激光电化学复合加工的区域进行拍照,并分析冲击空化效应对激光电化学复合加工后的形貌特性和表面质量的作用和影响。结果表明,脉冲激光聚焦电解液下,产生冲击空化效应,向外辐射3个不同声压信号;随着激光能量的增加,激光冲击空化的3个声压变大,空泡的半径和泡能均增加;在激光电化学复合加工中,激光能量增加,产生的等离子冲击波和射流力越大,工件去除的量越多;空泡脉动促进电解液的流动,对加工区域的微观形貌和表面质量起重要作用。这一结果对复合加工的过程和形貌是有帮助的。     

脉冲和连续模式下玻璃纤维复合材料激光脱漆技术研究(特邀)

采用波长为1 064 nm的纳秒激光器脉冲模式和连续模式分别对玻璃纤维增强树脂基复合材料表面涂覆的浅灰色防雨蚀涂层和抗静电涂层进行激光清洗实验,研究不同模式下激光参数对清洗效果的影响规律。通过SEM观察清洗后材料表面及清洗产物的微观形貌,运用EDS、FTIR分别检测清洗前后材料表面元素含量与化学官能团,采用COMSOL Multiphysics对清洗过程中的温度场进行分析。结果表明：去除单层抗静电涂层时,脉冲激光能完全去除该涂层且防雨蚀涂层损伤较小;去除双层涂层时,脉冲激光作用下试板表面有残余涂层,且易损伤下层清漆、树脂和纤维,而连续激光则可完全去除表面双层涂层,获得清洁的清漆表面。脉冲模式的去除机制主要为热弹性振动效应,连续模式下涂层的去除机制主要为热烧蚀效应。研究结果可为航空复合材料表面激光脱漆技术的激光模式选择提供参考。     

飞秒激光在金属微加工中的应用

作为一种新型的减材加工技术,飞秒激光在材料微加工中具有独特优势。介绍了飞秒激光加工的机理,分析了飞秒激光加工效率和加工质量的影响因素,阐述了飞秒激光加工工艺参量及表面质量的预测方法,对飞秒激光与增材制造的结合应用作了展望。飞秒激光加工的效率与精度影响因素众多,要真正在金属加工领域精准大规模应用这一精细技术,尚需对飞秒激光及其与不同特性金属材料间的交互作用进行更为深入系统的研究。     

基于BP神经网络的20CrMo钢激光强化工艺参数优化控制

以激光功率P、光斑直径D、扫描速度V等为输入参数，非相变硬化处理、相变硬化处理和熔凝处理等为输出参数，对材料为20CrMo合金结构钢进行激光强化处理工艺控制优化研究。通过大量试验与计算机模拟分析和对比，建立了激光工作参数与材料表面强化关系的BP神经网络工艺优化模型。经过与实验数据的比较，运用该模型可以方便、准确地选择激光工艺参数，控制材料表面强化类别和保证工作表面的质量，真实反映了激光加工工艺规律。     

激光化学复合抛光工艺参量对304不锈钢性能的影响

为了提高304不锈钢表面抛光质量，采用激光化学复合抛光的方法分别在纯净水和抛光液中对304不锈钢进行抛光实验研究，并对1064nm激光的加工功率和扫描次数对加工区域表面形貌和表面质量的影响进行了分析。气泡对抛光液在不锈钢表面形成的钝化膜产生破坏作用，造成抛光效果不均匀，表面粗糙度增大。结果表明，在抛光液中的激光抛光在抑制表面氧化发黑的同时，能够显著改善表面形貌，表面粗糙度由0.845μm下降到0.181μm；激光化学复合抛光304不锈钢表面质量与抛光功率和扫描次数有密切关系；当抛光功率过高或者扫描次数过大时，304不锈钢表面会产生大量气泡。采用激光化学复合抛光，可以提高不锈钢抛光质量、减少环境污染，该方法具有极大的应用前景。     

Propagation modeling of periodic laminated composite structures

A new model based on filament-current and thin-current assumptions is proposed to analyze the propagation problem associated with the lossy periodic multilayer structure of conducting fibers situated in a dielectric matrix. To discuss the combined effect of fibers and dielectric matrix, reflection and transmission matrices at the air-matrix, and grating interfaces together with suitable phase correction are incorporated in the model in which the fiber grating is regarded as a thin Floquet layer. To reduce the central processing unit (CPU) time, an extended filament-current model for the same multilayer structure is also examined. In this study, numerical results for the graphite/epoxy (G/E) fiber-reinforced planar laminated composite materials are presented and discussed. In particular, the parameters that influence their shielding and reflection characteristics are investigated in detail. The new model is useful in characterizing the G/E fiber-reinforced laminated composites even up to the frequency of 100 GHz     

不同冷却方式对激光加工CFRP的影响研究

为了探索不同冷却方式对激光加工的影响,采用水、气体以及水气复合3种不同冷却方式辅助激光加工碳纤维复合材料进行了对比研究,同时采用单因素实验研究了不同工艺条件对加工质量的影响,并分析了作用机理。结果表明,在3种冷却方式下,热影响区、槽深均随着功率、频率的降低而降低,随着扫描速率的增加而降低;在相同工艺参数下,水气复合辅助激光加工产生的热影响区最小,气体辅助激光加工产生的热影响区次之,水辅助激光加工产生的热影响区最大;当激光功率为2250 W、频率为1200 Hz、速率为120 mm/s时,水、气体以及水气复合3种不同冷却方式的热影响区分别为378μm, 283μm, 196μm,槽深分别为401μm, 789μm, 647μm;采用水气复合辅助激光加工可以在加工过程中实现较好的冷热平衡,获得最好的加工质量。该研究为更好地实现碳纤维复合材料低损伤加工提供了参考。     

激光熔覆铁基TiC复合涂层成形质量的控制方法

为了揭示激光熔覆工艺参数对铁基TiC复合熔覆层成形质量的作用规律、优化激光熔覆工艺参数,使用YAG固体激光器在60Si2Mn基体上激光熔覆铁基TiC复合涂层,基于响应面法建立输出电流、脉冲宽度、扫描速率与熔覆层宽度、高度、熔池深度、宽高比、稀释率以及硬度之间的数学模型,并对模型进行方差分析,获得了工艺参数与成形质量之间...     

飞行光学导光系统中的光学理论和设计

从激光加工的角度出发，以多模激光光束传输和聚焦理论为基础，论述了飞行光学导光系统中光束变换系统的设计方法，光束质量对飞行光学导光系统的设计的影响，提出了飞行光学系统中激光光束在激光加工中的加工范围和有效焦深等新概念。