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高功率紫外激光器在碳纤维增强复合资料加工

 高功率紫外激光器在碳纤维增强复合资料加工中的运用

 
在交通运输职业中,由于对进步燃料功率和下降碳排放量有着激烈的需求,因此极大地推动了碳纤维增强复合资料(CFRP)在各种飞机和轿车零部件制作中的运用。随着这种资料的本钱持续下降,对它的需求和运用将进一步加强。碳纤维增强复合资料是一种轻质、经久耐用的资料,具有杰出的耐腐蚀性和抗振性,因此可替代很多金属零部件。优化规划的碳纤维增强复合资料零部件比钢能的质量轻70%,比铝则轻了30%,这些长处使其对很多非交通运输有关职业也极具吸引力,例如风能发电中运用的零部件、运动器材、石油勘探设备和消费类电子商品。
 
可是这些长处在让碳纤维增强复合资料变成一种独特而有用的资料的一起,也使得难以对其进行高质量的加工。在其商品中运用碳纤维增强复合资料的制作商也在寻求下降制作本钱的办法。由于刀具磨损以及操作本钱很高,惯例的机械和磨料水射流切开技能的本钱昂扬,而且加工进程中的纤维断裂和资料分层状况很常见,因此形成了成品率丢失。而运用激光加工的办法能供给诸多长处,例如非接触式的加工进程以及在当时的出产环境下简单完成自动化。激光加工避免了刀具磨损以及机械技能导致的质量逐步下降,而且能下降操作本钱。此外还能够削减或消除加工进程中的纤维损害和资料分层状况。不过,关于激光加工碳纤维增强复合资料来说,一个要害的应战即是一起完成高的出产率以及在资猜中构成最小的热影响区(HAZ)。
 
脉冲紫外激光器的功能
 
高功率连续波(CW)红外(IR)激光器(千瓦功率级)能以更高的速度来加工碳纤维增强复合资料,可是在资料上会留下难以承受的很多的热影响区。另一方面,超快激光器能够带来低的热影响区,但一般加工资料的速度会比较慢。因此,所面对的应战即是找到一个能完成速度和质量的杰出平衡的激光源和技能。脉冲纳秒激光器具有杰出的加工速度和质量,波长通常会对最终的成果发生严重影响。特别是,在紫外(UV)波长的较强吸收能完成高质量的加工。Spectra-Physics的高功率Quasar紫外激光器和TimeShift脉冲整形技能十分适宜碳纤维增强复合资料的烧蚀、切开和钻孔,而且不会损坏纤维,一起能完成高的速度和质量。
 
 
图1:在~1mm厚的碳纤维增强复合资料板材上切开出Spectra-Physics的象征。
 
为了展示Quasar紫外激光器的才能,咱们对厚度为250μm的根据聚丙烯腈(PAN)的碳纤维增强复合资料板材进行加工(图1)。咱们运用了不一样的脉宽、功率、重复频率和扫描速度。咱们还测试了Quasar技能所进行的脉冲串加工的功能。咱们对比了各种状况下的切开速度和热影响区(在这里是指沿着切开途径露出的纤维的均匀长度)。
 
实验成果 
成果显现,这种激光器能完成杰出的加工速度与质量。运用2ns脉冲能得到最小的热影响区~15μm(图2)。这是在多个加工条件下得到的均匀值,在某些状况下热影响区实际上为零。脉冲串加工是很有优势的,在一样的均匀功率下能进步20–50%的切开速度(图3)。经过进行额定的技能研制和优化,这种激光器如今能以70mm/s的速度来切开250μm厚度的碳纤维增强复合资料板材,一起热影响区小于15μm(图4)。
 
图2:脉冲持续时间对热影响区的影响。
 
图3:功率、重复频率、脉冲持续时间(包括脉冲串)对切开速度的影响。
 
除了切开和钻孔,碳纤维增强复合资料零部件的粘接和焊接也是十分重要的,由于传统的铆接和别的类型的紧固技能需求在资料上钻孔,在钻孔进程中对纤维的损害会损坏零部件的强度。因此,胶粘剂粘结是一种适宜而且常用的衔接碳纤维增强复合资料零部件的技能。不过需求清洁成型进程中在零部件外表上的残留物和碎片。对零部件进行完全的清洁和外表织构,一起又不损坏纤维,这关于完成更高的衔接强度至关重要。
 
 
图4 : 一份碳纤维增强复合资料样本的扫描电子显微镜(SEM)图画显现其具有杰出的激光切开质量。
 
碳纤维增强复合资料零部件的上漆也很有应战,由于这种资料的外表润湿性低,而且外表附着力差,能够用激光加工来进行改进。有必要在上漆之前进行完全的激光铲除和外表织构,以改进外表润湿性。研讨标明,与红外激光器进行织构相比,用紫外激光外表织构的零部件有更高的搭接剪切强度。如图所示,运用均匀功率大于60W的Quasar进行速度为80mm2/min的区域铲除和外表织构,不会对纤维形成任何可见的损害(图5)。
 
 
图5:运用Quasar紫外激光器对碳纤维增强复合资料进行外表织构和钻孔,不会对纤维形成任何可见的损害。
 
小结 
咱们证明了紫外纳秒脉冲激光器在碳纤维增强复合资料加工中的运用极具远景。Quasar激光器的高功率和可编程脉宽/形状,在加工碳纤维增强复合资料时能一起完成高的质量和速度,包括切开、钻孔、外表织构和清洁。凭借这种高功率的激光器,咱们在保证低的热影响区和不损坏碳纤维的一起,能完成高的加工速度。咱们还在活跃进行更深化的研讨,向别的加工单元和更厚的资料发展,以及就激光参数对碳纤维增强复合资料加工的影响来进行拓展研讨。
 
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