[发明专利]一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法

说明书

本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，包括以下步骤：步骤(1)确定激光加工路径；步骤(2)确定加工顺序；步骤(3)固定待加工复合材料；步骤(4)将步骤(1)确定好的激光加工路径矢量图导入至加工软件中，设置激光加工参数，同时启动烟尘吸取装置和吹水气装置；步骤(5)先加工第1阶圆环台阶，并测量第1阶圆环台阶的深度是否为0.2mm，接着，按照ΔH＝0.2mm的差值以及剩余7个圆环台阶深度依次呈等差关系增加，对剩余的7个圆环台阶进行逐一加工，直至8个圆环台阶全部加工完成。本发明精度高；加工质量高；锥度小，可以满足碳纤维/树脂基复合材料粘接时匹配的精确度，提高粘接处的强度和力学性能。

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体为一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法。

背景技术

碳纤维/树脂基复合材料由于具有强度高、模量高、重量轻和耐化学腐蚀等优点，在汽车、运动器材及航空航天等领域作为功能和结构材料被广泛使用。对于这种材料不同结构件的连接以修复问题，传统的螺钉螺栓、铆钉等机械连接方式因其打孔时的破坏、应力集中和违背轻量化设计等缺点而被粘接连接的方式渐渐替代。然而传统的粘接技术的力学性能总是令人不太满意。在一些主要的承重应用中，出于安全的考虑总是将粘接技术配合机械连接一起使用。然而，这种混合结构依然显得较为累赘。

因此，如何提高碳纤维/树脂基复合材料修复和粘接接头的力学性能成为了碳纤维/树脂基复合材料修复和粘结连接的可靠性设计中最为重要的环节。通常，碳纤维/树脂基复合材料层压板修复和粘结接头的性能主要取决于粘接剂的特性、接头的几何形状、粘接的剂厚度、采用的工艺以及表面加工。近年来，激光处理渐渐成为一种理想的加工方法。它具有快速可控的特点，兼具改变物体表面化学能和物理形貌的功能，适合大规模应用，非常契合于碳纤维/树脂基复合材料层压板加工处理。

公开号为CN110202859A的专利“一种碳纤维增强树脂层压板粘接接头及其制备方法”中使用树脂层压板粘接接头，用激光去除表层的树脂层，去除深度仅为0.2-0.3mm，激光加工的沟槽的样式包括平行沟槽和十字沟槽，然后在此深度仅为0.2-0.3mm的沟槽上加上粘接剂与另外的层压板叠加再加热高压形成粘接。该种接头结构有缺陷——沟槽的深度太浅，两块碳纤维增强树脂层压板表层的碳纤维层之间的结合仅仅是依靠厚度为0.2-0.3mm粘接剂粘接，其余层的碳纤维之间完全没有任何粘接结合。

由于碳纤维层没有直接粘接，当接头区域的材料在承受水平拉应力时，只有厚度仅为0.2-0.3mm的粘接区域的粘接层在与水平拉应力进行抗衡，上下两块碳纤维增强树脂层压板中本该提供拉伸强度的碳纤维层却无法发挥其高抗拉伸强度的特性，破坏强度完全依赖于所用的粘接剂与树脂层的结合性能。当两块层压板之间的拉应力超过厚度仅为0.2-0.3mm的粘接剂层的拉应力强度极限时，这种接头的粘接就会被破坏，粘接失效。而且这种结构的抗拉应力的强度显然远远小于未修复的碳纤维增强树脂层压板，当层压板厚度增加，这种由结构产生的应力短板会越来越严重，因此只能在拉应力小于粘接剂拉应力极限内的工况下使用，但这一点又严重削弱了碳纤维增强树脂层板原本的抗高应力高强度的特性，大大限制了碳纤维增强树脂层板的使用范围。因此有必要设计出更加合理的接头区域的结构和形状。采用合理的激光加工参数和接头区域的结构和形状设计对于制备力学性能优异的粘接处理显得尤为重要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法。通过寻求一种新的接头结构设计并以红外皮秒激光作为加工手段来提高碳纤维/树脂基复合材料层压板粘接接头的力学性能。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于红外皮秒激光的复合材料阶梯槽加工方法，包括以下步骤：

步骤(1)确定激光加工路径：设置8个圆环台阶，从第1到第8阶圆环台阶的外径呈等差关系依次减小；

步骤(2)确定加工顺序：采用由外至内的加工顺序；