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重慶巨駿機械廠激光切割碳纖維復合材料的研究

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重慶巨駿機械廠激光切割碳纖維復合材料的研究

發布日期:2018-06-15 作者: 點擊:

碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合而制成的結構材料簡稱碳纖維復合材料。如今,碳纖維的力學性能、外觀以及最重要的經濟效益被大幅改善,并且在航空航天、軍用國防、風力發電和汽車等領域應用廣泛[1]。其中,環氧樹脂基碳纖維復合材料比強度和比模量遠高于其他結構材料。由于其輕質高強的特性,在對重量和力學特性有較高要求的場合,碳纖維復合材料得到了廣泛的應用。


  一般來說,碳纖維復合材料制品都是一次成型的,但制作出來后因為不滿足精度或裝配的需求,需要進行后加工[2]。碳纖維復合材料的后加工方式主要有兩種,分別為傳統的機械加工和特種加工。目前,機械加工方法依然是碳纖維復合材料加工的主要手段,但在切削加工過程中面臨著如刀具切削溫度高、磨損嚴重、分層等越來越多的問題。實際生產中,因為碳纖維復合材料和金屬性質迥異,碳纖維復合材料加工與金屬材料加工的刀具和工藝通常不可直接沿用。而特種加工方法如電火花加工、超聲振動加工和激光加工等已經得到了極大的發展,激光切割被認為是激光應用中最成熟的工藝。


  激光切割作為一種成熟的熱加工工藝,已經成功應用于金屬和非金屬的加工。但是,碳纖維與樹脂基體熱性能迥異,導致激光加工CFRP 材料難度較大。其缺點主要表現在加工后會發生一系列熱損傷問題,如熱影響區過大、纖維拔出、材料分層等。


  2 激光直接切割機理的實驗研究


  龐思勤等[3]使用脈沖ND∶YAG 激光機研究激光加工碳纖維復合材料等高性能復合材料的工藝參數與加工機理上的特點,實驗表明,激光加工 CFRP的機理以熱蒸發和熱熔化為主。


  Fenoughty 等[4]將脈沖ND∶YAG激光與水射流切割碳纖維復合材料的質量進行對比,研究得出脈沖激光導致的熱損傷比用連續激光切割時更小。Lau 等[5,6]研究了激光加工參數對碳纖維復合材料的切割深度、熱影響區寬度和切割質量的影響,實驗表明波長為1064 nm 的ND∶YAG 激光源相對于CO2激光器,具有更高的能量密度和更小的光斑直徑,故切縫更窄、切熱影響區更小。Goeke 等[7]通過研究發現: 激光輻射波長和材料的吸收影響了熱影響區尺寸大小; 隨著進給速度的提高,熱影響區和切縫都在減小。Garcia 等[8]研究了加工速率、激光脈沖能量和頻率以及輔助氣體壓力等參數帶來的影響,發現加工過程中傳導熱量的是復合材料中的碳纖維,并且發現脈沖能量越高切縫越深,頻率越低材料的熱影響區越大,加工速率越快熱影響區越小,不過在任何情況下,材料的熱影響區都很明顯,加工時需要在激光照射和有效冷卻之間來取得平衡。Riveiro 等[9]研究了 CO2激光器加工 CFRP 的加工參數與加工質量的關系,發現激光加工的熱影響區是不可避免的,但是可以正確地選擇加工參數來確保熱影響區的最小化,從而獲得良好的加工質量。同時,縮小的熱影響區也意味著靜力強度的損耗相比傳統的機械加工方法更少。


  激光直接切割工藝與質量的實驗研究Niino 等[10-12]研究了激光掃描速度對材料加工質量的影響。當使用高的激光掃描速度切割時,材料頂面很干凈,側壁質量良好并且熱影響區也很小。Wahab 和 Pagano 等[13,14]發現脈沖能量與脈沖頻率對切縫寬度、熱影響區和錐角的影響都很顯著,這兩個參數是相互聯系的,當一個參數值變化了,相應的加工效果也會變化; 熱影響區和切縫寬度都取決于脈沖寬度,縮小熱影響區和切縫寬度就應當使用非常短的接觸時間,總之脈沖能量越高熱影響區越大,頻率越高切縫寬度越窄。并且他們發現,當脈沖能量和頻率都取相對中間值時錐角最小。Cenna 等[15]對纖維增強塑料的激光切割參數進行了分析與預測,并建立模型以預測切割質量( 正反兩面切縫寬度及錐角) 。


  Walter 等[16]對激光加工碳纖維過程中的危險排放物進行了研究,發現在加工過程中會排放一氧化碳,選用恰當的切割方法,如多道切割和稍長的間隔時間,不僅對加工質量有幫助,也會減少有害物質的排放。


  Fuchs 等[17,18]對激光多道切割碳纖維復合材料薄板材的相關技術進行了實驗研究,發現采用多道掃描技術連續兩次掃描有助于獲得窄切縫和可控的熱影響區; 當平均功率一定時,掃描速度的增加與脈沖能量的減少會導致有效切割速度的減少; 切縫寬度由掃描速度和纖維方向決定; 熱影響區主要受掃描速度、與切割入口處的纖維方向和脈沖能量的影響。趙煦[19]對短脈沖激光的碳纖維材料加工進行了研究,試驗表明: ①激光設置低重頻比使用高重頻進行加工精度高; ②使用快速和適當的多道掃描可以獲得較好的形貌。


  Kononenko 等[20]針對氧氣輔助超短脈沖激光切割碳纖維復合材料進行了研究,結論表明在作用區域使用高氧氣流輔助加工會顯著提升生產效率和深層激光切割雙向碳纖維復合材料的質量,氧氣流對燒蝕速率的有益作用只有在深層切縫中才能體現出來,同時氧氣也提升了可達到的最大切縫深度。使用氧氣之后,可以觀察到在材料表面的額外基體損傷,為了避免這種影響,氧氣的應用應該更精確,以保護材料的表面。


  Prie等[21]利用聲發射技術檢測了激光切割碳纖維復合材料的分層現象,實驗表明,使用激光切割所造成的分層現象相比于機械加工較輕,且對材料造成的起始負荷更小。


  宋抒航[22]通過對一般 CFRP 以及基體添加炭黑顆粒的CFRP激光切割進行研究,研究相應的切割表面質量,并對加工熱影響區進行了分析。如圖1、圖 2 所示,實驗表明: ① 基體樹脂添加炭黑顆粒后,切口表面質量相較于未添加時質量更好,切口表面裂紋數量明顯減少,材料抗疲勞性能提高; ②在基體添加炭黑顆粒后,加工后正反面分層問題情況得到改善,切口形貌明顯更佳。


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關鍵詞:重慶激光切割

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