針對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料激光加工盲孔中存在的嚴(yán)重底部凹陷現(xiàn)象,采用皮秒脈沖激光對(duì)不同激光掃描速度進(jìn)行了盲孔加工實(shí)驗(yàn),并用Comsol軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究了分段變速和線性變速的掃描速度策略對(duì)盲孔加工深度、熱影響區(qū)和底部微觀形貌的影響。結(jié)果表明,采用變速度掃描策略可以使熱在材料上更加均勻,從而削弱盲孔內(nèi)圈底部的凹面效應(yīng)。此外,變速度掃描路徑策略可以減少盲孔的纖維斷裂和樹(shù)脂殘留,提高結(jié)構(gòu)的物理性能。當(dāng)掃描速度函數(shù)為線性函數(shù)時(shí),盲孔底面凹陷效應(yīng)減弱明顯,可在達(dá)到盲孔加工深度以及較小的熱影響區(qū)和孔錐度角前提下凹陷程度最小的盲孔底面。 

【文章來(lái)源】：應(yīng)用激光. 2020,40(04)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

三維模型的簡(jiǎn)化

同時(shí)可以看到,雖然數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有相同的規(guī)律,但是仿真結(jié)果的數(shù)值略低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在三組中呈現(xiàn)相同的規(guī)律。這是由于在皮秒激光實(shí)際加工過(guò)程中伴隨的力學(xué)剝蝕效應(yīng)加速了材料的去除,導(dǎo)致盲孔凹陷深度值大于數(shù)值仿真結(jié)果。力學(xué)剝蝕產(chǎn)生的原因是,由于碳纖維和樹(shù)脂物理屬性的巨大差異,高能激光束的巨大熱量使樹(shù)脂材料迅速熱解,還未達(dá)到氣化溫度去除的碳纖維裸露在空氣中,在加工區(qū)域由于溫差形成的熱羽流“吹走”了部分碳纖維,加速了材料的去除速度。圖6是三組實(shí)驗(yàn)參數(shù)下所加工盲孔的底面掃描電鏡圖片。在皮秒激光加工CFRP盲孔的質(zhì)量評(píng)價(jià)上,除了盲孔的凹陷深度,盲孔底面的微觀形貌也相當(dāng)重要,特別是纖維斷裂和樹(shù)脂殘留情況,對(duì)盲孔的精度、力學(xué)性能影響較大,是一項(xiàng)重要的盲孔質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在以z軸對(duì)稱(chēng)的截面模型中,激光從距離中心1.5 mm的最遠(yuǎn)點(diǎn)開(kāi)始加工,直到靠近盲孔中心的最后一個(gè)軌跡點(diǎn)。將盲孔在半徑處和中心處的z軸深度差記為Δh(圖中標(biāo)識(shí)為兩條黑線之間的距離),Δh為評(píng)判盲孔底面凹陷程度的重要指標(biāo),Δh值越大,則說(shuō)明 底面凹陷深度越大,凹陷程度越嚴(yán)重,盲孔精度越差。圖4是三組不同的速度方案下Comsol仿真結(jié)果(左)和三維輪廓顯微鏡下的盲孔截面觀測(cè)圖(右)。圖中(a)組是勻速掃描下的盲孔數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖,所加工盲孔有明顯的熱燒蝕區(qū)域,呈現(xiàn)一個(gè)凹坑形貌,即凹坑截面呈現(xiàn)具有一定曲率的弧形,中心位置處的熱燒蝕深度明顯大于半徑方向距離中心處1.5 mm處。當(dāng)掃描速度為200 mm/s時(shí),Δh達(dá)到315 μm,盲孔截面有明顯的凹陷現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]激光熱效應(yīng)數(shù)值模擬技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 張金琪,李建美,路長(zhǎng)厚,房欣欣,馬卓.  機(jī)電工程. 2014(11)
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本文編號(hào)：3608518