一种光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的装置和方法与流程

本发明属于激光切割技术，具体指一种采用光纤脉冲激光诱导碳纤维复合材料温度升高，利用碳纤维与树脂的氧化反应特性实现碳纤维与树脂的去除，用于碳纤维复合材料层合板的切割加工。

背景技术：

碳纤维增强树脂基复合材料（carbonfiberreinforcedplastic，cfrp）因其性能优越而在航空航天、国防、交通等领域获得广泛应用。随着轻量化、安全性、经济性、航程距离等要求提高，cfrp在军用与民用飞机上的应用比例猛增，从飞机蒙皮到飞机中央翼盒、发动机的风扇转子叶片、短舱及反推装置等零部件。cfrp用量已成为航空航天领域先进性的一个重要标志。随着我国军用飞机与民用大飞机研制飞速发展，cfrp生产与加工也成为我国的重点发展领域。

为提高使用性能，cfrp多采用单层内碳纤维带平纹或斜纹编织，整体多层层合的结构。随着应用范围扩大，cfrp零部件的体积、形状与复杂程度都在增加。虽然能够通过缠绕成型、树脂传递模塑成型、热压罐成型等工艺直接制造出复杂的整体cfrp零部件，但随着cfrp零部件的形位精度、装配精度与质量要求不断提高，切割和孔加工仍必不可少。由于碳纤维硬度和模量均高于其外包裹的树脂基体，加之两种组分复合方式使cfrp具有非均质性、各向异性、层间强度低等特点。目前航空航天工业多采用钻、铣为主的机械加工工艺，但刀具磨损快寿命短，易导致分层、撕裂、毛刺等加工缺陷。

为保证加工质量需要牺牲加工效率，特别是加工形状复杂及大型cfrp零部件时，不仅加工效率低还需要耗费大量刀具。激光加工属于无切削力的非接触式加工，从根源上抑制了刀具磨损带来的加工缺陷，因此上世纪80年代起就有许多学者将目光集中在激光切割cfrp上。

碳纤维气化与树脂的裂解或气化是目前激光切割cfrp的主要材料去除机理。这种无切削力无切屑的材料去除方式不仅不存在刀具磨损及磨损导致的加工缺陷，在加工复杂形状或大型cfrp零部件时对装夹要求也很低。激光切割的另一显著优势是无论切割还是孔加工，其加工本质没有不同，只需要数控装置控制激光切割头的轨迹即可实现，而无需储备大量不同尺寸或类型的机械加工刀具。以激光器为基础构建对结构适应性强的cfrp自动切割生产线具有广阔应用前景。

技术实现要素：

本发明针对激光切割碳纤维复合材料层合板时无法同时满足低损伤与高效率的现状，根据空气与富氧氛围中激光辐照cfrp时碳纤维极易被氧化且氧化起始温度较低的特点，提出使用光纤脉冲激光诱导在氧气氛围中利用氧化反应去除碳纤维与树脂的切割装置和切割方法。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的装置，包括通过计算机控制系统控制三轴数控工作台，三轴数控工作台包括x-y平台和z轴，在x-y平台上设置有通过夹具装夹的碳纤维复合材料层合板，在三轴数控工作台的一侧设置有光纤脉冲激光器，光纤脉冲激光器射出的激光束经过数个反射镜、滤镜和透镜聚焦在碳纤维复合材料层合板表面，在三轴数控工作台的另一侧设置有含氧射流供给装置，含氧射流供给装置与含氧射流喷嘴连接，含氧射流喷嘴设置在透镜的下方，含氧射流喷嘴的气流方向与垂直于碳纤维复合材料层合板的激光光束同轴。

一种光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的方法，切割方法包括如下步骤：

（a）使用夹具将碳纤维复合材料层合板装夹固定在三轴数控工作台的x-y平台上，计算机控制系统控制三轴数控工作台位置，通过移动控制数控工作台的x-y平台，控制激光束在碳纤维复合材料层合板上的位置，移动数控工作台的z轴控制透镜的焦点位置，并控制激光光斑的尺寸，根据光纤位置调整反射镜的数量，含氧射流喷嘴为激光辐照区域提供氧气氛围，气流方向与垂直于碳纤维复合材料层合板的激光光束同轴，滤镜根据需要选择光束中具有一定能量分布特征的激光光束部分进行过滤，使用计算机控制系统根据碳纤维复合材料的热物理特性、碳纤维的氧化反应特性、树脂的热分解、碳化产物的氧化反应特性，调整光纤脉冲激光器的激光能量、脉冲宽度、重复频率、切割速度参数；

（b）打开光纤脉冲激光器，脉冲激光束通过反射镜变向，经滤镜过滤，经透镜聚焦于碳纤维复合材料层合板表面，打开光纤脉冲激光器的同时，含氧射流经滤嘴开始喷射覆盖激光辐照区域，达到树脂基体裂解温度后，树脂会发生裂解反应生成气体与裂解残碳；

（c）树脂裂解残碳在激光辐照下温度升高，裂解残碳达到氧化反应温度时，在含氧射流作用下发生氧化而生成气体氧化物，氧化物在含氧射流作用下扩散至切割区域外；

（d）随着树脂裂解继而氧化，树脂包裹的碳纤维露出，在激光辐照下温度升高，达到碳纤维氧化反应温度时，在含氧射流作用下发生氧化而生成气体氧化物，氧化物在含氧射流作用下扩散至切割区域外，其中裂解残碳的主要成分与碳纤维相同，氧化产物都是气态的co或co2；

（e）随着碳纤维复合材料的氧化反应层层深入，最终切穿整个激光辐照区，完成碳纤维复合材料层合板的激光切割。

本发明的有益效果是：（1）利用氧化反应来去除碳纤维增强树脂基复合材料，缩小温度变化区间而抑制热传递，配合含氧射流冷却，可以避免树脂过度裂解形成热影响区，并抑制残余应力产生，通过优化激光切割工艺参数，可为碳纤维增强树脂基复合材料激光切割的工业应用奠定科学基础；（2）光纤激光具有加工设备小型化和柔性强的特点，利用柔性光纤进行激光传输，在加工大型零件以及可达性较差的结构时具有显著优势。以光纤脉冲激光器为基础构建适应性强的柔性自动生产线，或结合工业机器人技术可以满足高效低损伤的多种尺寸或复杂形状的孔加工与切割加工要求。

本发明加工方法，利用碳纤维复合材料层合板的结构与氧化反应特性，随着碳纤维复合材料的氧化反应层层深入，最终切穿整个激光辐照区，完成碳纤维复合材料的激光切割。

本发明在光纤脉冲激光器的辐照诱导下，利用碳纤维复合材料层合板中碳纤维与树脂裂解碳化物的氧化反应去除材料，随着氧化反应区域向深度方向扩展而逐渐切穿材料，完成切割加工。

附图说明

图1是本发明的加工装置的结构示意图。

图2是本发明碳纤维复合材料氧化去除过程示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-2所示，本发明是一种光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的装置，包括通过计算机控制系统4控制三轴数控工作台，所述三轴数控工作台包括x-y平台9和z轴10，在所述x-y平台9上设置有通过夹具8装夹的碳纤维复合材料层合板7，在所述三轴数控工作台的一侧设置有光纤脉冲激光器1，所述光纤脉冲激光器1射出的激光束12经过数个反射镜2、滤镜3和透镜5聚焦在碳纤维复合材料层合板7表面，在所述三轴数控工作台的另一侧设置有含氧射流供给装置11，所述含氧射流供给装置11与含氧射流喷嘴6连接，所述含氧射流喷嘴6设置在所述透镜5的下方，所述含氧射流喷嘴6的气流方向与垂直于所述碳纤维复合材料层合板7的激光光束同轴。

一种光纤脉冲激光诱导切割碳纤维复合材料的方法，所述切割方法包括如下步骤：

（a）使用夹具8将碳纤维复合材料层合板7装夹固定在三轴数控工作台的x-y平台9上，计算机控制系统4控制三轴数控工作台位置，通过移动控制数控工作台的x-y平台9，控制激光束12在碳纤维复合材料层合板7上的位置，移动数控工作台的z轴10控制透镜5的焦点位置，并控制激光光斑的尺寸，根据光纤位置调整反射镜2的数量，由于使用光纤导光，根据光纤位置反射镜2数量可减少，含氧射流喷嘴6为激光辐照区域提供氧气氛围，气流方向与垂直于碳纤维复合材料层合板7的激光光束同轴，滤镜3根据需要选择光束中具有一定能量分布特征的激光光束部分进行过滤，使用计算机控制系统4根据碳纤维复合材料的热物理特性、碳纤维的氧化反应特性、树脂的热分解、碳化产物的氧化反应特性，调整光纤脉冲激光器1的激光能量、脉冲宽度、重复频率、切割速度参数；

（b）打开光纤脉冲激光器1，脉冲激光束12通过反射镜2变向，经滤镜3过滤，经透镜5聚焦于碳纤维复合材料层合板7表面，打开光纤脉冲激光器1的同时，含氧射流经滤嘴6开始喷射覆盖激光辐照区域，达到树脂基体14裂解温度后，树脂会发生裂解反应生成气体与裂解残碳15；

（c）树脂裂解残碳15在激光辐照下温度升高，裂解残碳15达到氧化反应温度时，在含氧射流作用下发生氧化而生成气体氧化物，氧化物在含氧射流作用下扩散至切割区域外；

（d）随着树脂裂解继而氧化，树脂包裹的碳纤维13露出，在激光辐照下温度升高，达到碳纤维13氧化反应温度时，在含氧射流作用下发生氧化而生成气体氧化物，氧化物在含氧射流作用下扩散至切割区域外，其中裂解残碳15的主要成分与碳纤维13相同，氧化产物都是气态的co或co2；

e）随着碳纤维复合材料的氧化反应层层深入，最终切穿整个激光辐照区，完成碳纤维复合材料层合板7的激光切割。

本发明利用激光诱导树脂裂解、残碳与碳纤维的氧化起始，使用氧化放热而关断脉冲激光推动氧化反应继续，并配合含氧射流冷却，精确控制树脂裂解反应区域与碳纤维氧化反应区域，即保证氧化反应区域的边界与裂解反应区域的边界基本重合，实现低损伤的碳纤维复合材料激光切割。本发明根据碳纤维复合材料结构与氧化反应特性，利用氧化反应来去除碳纤维复合材料，缩小温度变化区间而抑制热传递，配合含氧射流冷却，可以避免树脂过度裂解形成热影响区，并抑制残余应力产生，保证了碳纤维复合材料的激光切割质量。