论文部分内容阅读
碳纤维复合材料（CFRP）具有比强度高、比刚度高，重量轻及可设计性等优点，因此越来越多地被应用于航空航天、汽车工业、体育用品、风力发电、土木工程和医疗等领域。但由于它层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大，使得CFRP的传统机械加工容易出现刀具极易磨损、材料容易分层等问题，而且由于构成CFRP的两相材料热学性能相差过大，导致激光切割CFRP不可避免地会存在一定程度的热损伤，从而降低材料的力学性能。因此，研究如何降低激光切割CFRP的热损伤从而提高其切割质量显得非常有必要。
本文利用500W毫秒脉冲Nd∶YAG激光器，开展了激光在空气中和水下切割CFRP的试验研究。探索了激光切割参数对切口质量的影响规律;通过正交试验设计，获得了激光在空气中和水下切割CFRP的最佳参数，并分别对其切割机理进行了分析研究;利用两种激光切割方式的最佳参数加工试样，并对其进行了层间剪切强度、胶接拉伸剪切强度和铆接剪切强度试验，对比分析了两种切割方式得到的试样的强度和破坏形式的差异。
采用单因素法分别开展了激光在空气中和水下切割CFRP的试验研究，试验结果表明:首先，脉冲能量过大、频率过高、切割速度过慢和气体压力过小都会导致材料的热损伤加大;而脉冲能量过小、频率过低、切割速度过快都会导致出现材料切割不透、背面切缝出现锯齿状和锥角过大等问题。其次，激光水下切割CFRP能很好地降低激光切割产生的热损伤，但激光水下切割也会出现切缝锥角过大、背面切缝出现锯齿状和切割功率偏大等问题。最后，激光切割CFRP的切缝特点为上宽下窄，激光在空气中切割CFRP的热影响区特点为上窄下宽，水下切割CFRP的热影响区特点为上宽下窄。
开展了激光在空气中和水下切割CFRP的正交设计试验研究，结果表明:激光在空气中切割CFRP的最佳切割参数为:脉冲能量为1.7J，频率为140Hz，切割速度为150mm/min，气体压力为0.6MPa;激光在水下切割CFRP的最佳切割参数为:脉冲能量为2.1J，频率为130Hz，切割速度为130mm/min，气体压力为0.5MPa。
分别在空气中和水下利用其最佳切割参数加工试样，对试样进行了层间剪切强度、胶接拉伸剪切强度和铆接剪切强度强度的试验，结果表明:激光在水下切割的CFRP试样的层间剪切强度要比激光在空气中切割的CFRP试样大63.4％;激光在水下切割的CFRP试样的胶接拉伸剪切强度比激光在空气中切割的CFRP试样大46.33％;激光在水下加工的CFRP试样的铆接剪切强度比激光在空气中加工的CFRP试样大34.6％。这说明激光在水下切割CFRP比激光在空气中切割CFRP有着更小的热损伤和热影响区，材料被切割后的力学性能也更佳。