[发明专利]一种利用超快激光切割两相复合材料的方法

说明书

一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，通过寻找复合材料中两种不同材料的孵化效应曲线交点，获取该交点处激光所需的切割速度、波长及切割能量，克服了现有技术中难以找到两相复合材料中能同时满足两种材料的复合材料切割单脉冲激光的两相共同阈值这一问题，同时克服了两相复合材料中增强相或基体相局域脱落、微细结构不连续的问题，方法流程简单，步骤清晰，方法可靠性好。

技术领域

本发明涉及一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，属于超快激光精密加工领域。

背景技术

以金属基复合材料、碳纤维增强树脂基复合材料为代表的复合材料，是目前最先进、最有竞争力的代表性复合材料种类，它们往往以高比强、高比模、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好、性能可设计等突出优势被世人所共识，已经成为航天领域应用极为广泛的基本材料之一。切割加工是复材料重要的加工种类之一，接触式加工与非接触式的加工均有所应用。由于复合材料因其固有属性，使得它们的切割加工面临很多突出问题。例如，对于碳纤维增强树脂基复合材料，由于它是由质软而粘性大的树脂基体和强度高、硬度大的纤维混合而成的二相结构，材料各向异性、层间强度低，采用接触式切割——例如高速铣削，易产生材料分层、撕裂、纤维破碎等现象，且刀具磨损、因产生残余应力导致回弹而不易控制加工精度等现象均较为严重。又如，对于铝基碳化硅等金属基复合材料，由于材料中弥散着的脆、耐磨的高硬度碳化硅颗粒/晶须(其硬度仅次于PCD金刚石)，使得采用接触式的切削加工时刀具磨损严重、寿命耐用度很低。

激光加工等非接触式加工，由于不会引入接触应力，故可以避免材料的分层、撕裂、刀具磨损严重等问题，已经开始被应用于复合材料(尤其是薄壁结构的复合材料)的切割加工中。尤其是近年来新兴的低热激光——超快激光，由于可以极小化激光加工技术的热影响和热缺陷，已经开始在国内外航空航天等领域的复合材料切割应用方面得到率先应用。然而，由于超快激光加工本质上仍然是一种热加工，对于复合材料，若控制不当，超快激光加工依然会引起突出的加工问题，例如宏观切割时碳纤维增强树脂基复合材料的纤维拔出等问题；微细切割时，颗粒增强金属基复合材料中非金属颗粒脱落的问题、微细结构不连续等问题。同时，不同材料在相同能量参数的激光切割下，会因为孵化效应曲线的区别导致激光切面不平整，对后续工程造成困难。这些问题主要是由于参数使用不当，导致两相复合材料中的两相在蚀除率方面因存在巨大差异而无法协同蚀除造成的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，不同材料在相同能量参数的激光切割下，会因为孵化效应曲线的区别导致激光切面不平整、颗粒增强金属基复合材料中非金属颗粒容易脱落、结构不连续的问题，提出了一种利用超快激光切割两相复合材料的方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种利用超快激光切割两相复合材料的方法，步骤如下：

(1)根据两相复合材料中两种材料各自进行单脉冲序列激光切割时所需的波长求平均值，作为两相复合材料激光切割预设波长；

(2)分别测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，并判断这两种材料的孵化效应曲线于“蚀除阈值通量—激光脉冲数”坐标系中是否存在交点，若存在交点，则进入步骤(3a)，若不存在交点，进入步骤(3b)；

(3a)记录两种材料的孵化效应曲线交点处的蚀除阈值通量、激光脉冲数数值，并据此计算单脉冲序列激光的切割速度，进入步骤(4)；

(3b)于激光波长范围内改变预设波长值，重新测定复合材料中两相各自对应的材料的孵化效应曲线，直至找到两种材料的孵化效应曲线交点，记录两种材料的孵化效应曲线交点处的蚀除阈值通量、激光脉冲数数值，计算此时单脉冲序列激光的切割速度，进入步骤(4)；

(4)采用上述步骤所得单脉冲序列激光的切割速度、切割能量值、两种材料孵化效应曲线交点处蚀除阈值通量、激光脉冲数对两相复合材料进行激光切割。