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        高功率紫外激光器在碳纖維增強複合資料加工

         高功率紫外激光器在碳纖維增強複合資料加工中的運用

         
        在交通運輸職業中,由於對進步燃料功率和下降碳排放量有着激烈的需求,因此極大地推動了碳纖維增強複合資料(CFRP)在各種飛機和轎車零部件製作中的運用。隨着這種資料的本錢持續下降,對它的需求和運用將進一步加強。碳纖維增強複合資料是一種輕質、經久耐用的資料,具有傑出的耐腐蝕性和抗振性,因此可替代很多金屬零部件。優化規劃的碳纖維增強複合資料零部件比鋼能的質量輕70%,比鋁則輕了30%,這些長處使其對很多非交通運輸有關職業也極具吸引力,例如風能發電中運用的零部件、運動器材、石油勘探設備和消費類電子商品。
         
        可是這些長處在讓碳纖維增強複合資料變成一種獨特而有用的資料的一起,也使得難以對其進行高質量的加工。在其商品中運用碳纖維增強複合資料的製作商也在尋求下降製作本錢的辦法。由於刀具磨損以及操作本錢很高,慣例的機械和磨料水射流切開技能的本錢昂揚,而且加工進程中的纖維斷裂和資料分層狀況很常見,因此形成了成品率丟失。而運用激光加工的辦法能供給諸多長處,例如非接觸式的加工進程以及在當時的出產環境下簡單完成自動化。激光加工避免了刀具磨損以及機械技能導致的質量逐步下降,而且能下降操作本錢。此外還能夠削減或消除加工進程中的纖維損害和資料分層狀況。不過,關於激光加工碳纖維增強複合資料來說,一個要害的應戰即是一起完成高的出產率以及在資猜中構成最小的熱影響區(HAZ)。
         
        脈衝紫外激光器的功能
         
        高功率連續波(CW)紅外(IR)激光器(千瓦功率級)能以更高的速度來加工碳纖維增強複合資料,可是在資料上會留下難以承受的很多的熱影響區。另一方面,超快激光器能夠帶來低的熱影響區,但一般加工資料的速度會比較慢。因此,所面對的應戰即是找到一個能完成速度和質量的傑出平衡的激光源和技能。脈衝納秒激光器具有傑出的加工速度和質量,波長通常會對最終的成果發生嚴重影響。特別是,在紫外(UV)波長的較強吸收能完成高質量的加工。Spectra-Physics的高功率Quasar紫外激光器和TimeShift脈衝整形技能十分適宜碳纖維增強複合資料的燒蝕、切開和鑽孔,而且不會損壞纖維,一起能完成高的速度和質量。
         
         
        圖1:在~1mm厚的碳纖維增強複合資料板材上切開出Spectra-Physics的象徵。
         
        爲了展示Quasar紫外激光器的才能,咱們對厚度爲250μm的根據聚丙烯腈(PAN)的碳纖維增強複合資料板材進行加工(圖1)。咱們運用了不一樣的脈寬、功率、重複頻率和掃描速度。咱們還測試了Quasar技能所進行的脈衝串加工的功能。咱們對比了各種狀況下的切開速度和熱影響區(在這裏是指沿着切開途徑露出的纖維的均勻長度)。
         
        實驗成果 
        成果顯現,這種激光器能完成傑出的加工速度與質量。運用2ns脈衝能得到最小的熱影響區~15μm(圖2)。這是在多個加工條件下得到的均勻值,在某些狀況下熱影響區實際上爲零。脈衝串加工是很有優勢的,在一樣的均勻功率下能進步20–50%的切開速度(圖3)。經過進行額定的技能研製和優化,這種激光器如今能以70mm/s的速度來切開250μm厚度的碳纖維增強複合資料板材,一起熱影響區小於15μm(圖4)。
         
        圖2:脈衝持續時間對熱影響區的影響。
         
        圖3:功率、重複頻率、脈衝持續時間(包括脈衝串)對切開速度的影響。
         
        除了切開和鑽孔,碳纖維增強複合資料零部件的粘接和焊接也是十分重要的,由於傳統的鉚接和別的類型的緊固技能需求在資料上鑽孔,在鑽孔進程中對纖維的損害會損壞零部件的強度。因此,膠粘劑粘結是一種適宜而且常用的銜接碳纖維增強複合資料零部件的技能。不過需求清潔成型進程中在零部件外表上的殘留物和碎片。對零部件進行完全的清潔和外表織構,一起又不損壞纖維,這關於完成更高的銜接強度至關重要。
         
         
        圖4 : 一份碳纖維增強複合資料樣本的掃描電子顯微鏡(SEM)圖畫顯現其具有傑出的激光切開質量。
         
        碳纖維增強複合資料零部件的上漆也很有應戰,由於這種資料的外表潤溼性低,而且外表附着力差,能夠用激光加工來進行改進。有必要在上漆之前進行完全的激光剷除和外表織構,以改進外表潤溼性。研討標明,與紅外激光器進行織構相比,用紫外激光外表織構的零部件有更高的搭接剪切強度。如圖所示,運用均勻功率大於60W的Quasar進行速度爲80mm2/min的區域剷除和外表織構,不會對纖維形成任何可見的損害(圖5)。
         
         
        圖5:運用Quasar紫外激光器對碳纖維增強複合資料進行外表織構和鑽孔,不會對纖維形成任何可見的損害。
         
        小結 
        咱們證明瞭紫外納秒脈衝激光器在碳纖維增強複合資料加工中的運用極具遠景。Quasar激光器的高功率和可編程脈寬/形狀,在加工碳纖維增強複合資料時能一起完成高的質量和速度,包括切開、鑽孔、外表織構和清潔。憑藉這種高功率的激光器,咱們在保證低的熱影響區和不損壞碳纖維的一起,能完成高的加工速度。咱們還在活躍進行更深化的研討,向別的加工單元和更厚的資料發展,以及就激光參數對碳纖維增強複合資料加工的影響來進行拓展研討。
         
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