水导激光加工CFRP深槽微观形貌特性

作     者：张旖诺 乔红超 曹治赫 梁金盛 赵吉宾 ZHANG Yinuo;QIAO Hongchao;CAO Zhihe;LIANG Jinsheng;ZHAO Jibin

作者机构：中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 中国科学院大学北京100049 

出 版 物：《航空学报》 (Acta Aeronautica et Astronautica Sinica)

年 卷 期：2022年第43卷第4期

页      面：521-533页

核心收录：

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

基　　金：国家自然科学基金(51875558) 

主　　题：水导激光加工技术 碳纤维增强塑料(CFRP) 深槽 微观形貌 深宽比 

摘      要：碳纤维增强塑料(CFRP)中树脂基体和纤维增强相两种异质材料的性能存在巨大差异,使得其在航空航天领域的广泛应用受到现有加工能力的制约。因此,具有热损伤小、加工深度能力强等优势的水导激光加工技术在特种加工领域展现出优越的加工能力。基于有限元法中的单元生死技术,建立了水导激光加工非均质纤维树脂基体的三维瞬态温度场模型。在该模型下,利用双向循环扫描的加工方式对切面的微观形貌进行仿真与实验研究。研究表明:水导激光加工时水射流对材料的强对流换热效果显著,使材料的去除率和排屑率保持在一个较高的水平。在深槽加工时,铺层为90°的表层碳纤维会出现断裂现象,这成为断面损伤的主要来源。通过对切面不同侧边、不同深度的表面形貌进行分析,认为水射流高效的排屑率是实现水导激光高精度加工的关键因素。因此,改变扫描深宽比能有效减少深槽处的纤维损伤,切面可以获得较小的粗糙度和锥度。当扫描深宽比减少一倍时,损伤区域缩小46%。