CFRP层合板光纤激光切割热损伤及其对力学性能影响研究

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碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)以其比强度大,可设计性强,优良的抗冲击性和耐腐蚀性等特点,成为了颇受青睐的轻量化材料。在CFRP的应用中,材料切割是非常重要的一个环节,切割质量直接决定了CFRP零部件的装配精度和服役性能。激光切割CFRP能克服传统机械切割中刀具磨损大、材料分层严重、边缘毛刺多等缺陷,在加工成本,加工效率,加工质量上具有明显的优势。但是在激光切割中,由于激光束能量高以及CFRP各组分材料之间热性能差异大,很容易造成较大的热损伤,极大地降低了切割质量,致使该工艺难以成熟应用。本论文围绕光纤激光切割CFRP层合板中热损伤问题,开展了多种形式的激光切割实验,研究了热损伤的量化表征方法、工艺参数对热损伤的影响规律以及热损伤对拉伸力学性能影响规律。主要的研究成果如下:(1)分析了三种不同铺层形式CFRP层合板高功率光纤激光切割后,切缝入口、切缝出口、横截面、切割面上热损伤特征及其分布形式,确定了铺层形式对热损伤的影响规律,阐释了不同热损伤的形成机理,同时从三个角度对直线切割热影响区进行了量化表征,并比较了三种量化方法的优劣。研究发现,从切缝出口表面和截面上量化热损伤更为准确并且[+45°/-45°]2S铺层CFRP层合板激光切割后热影响区宽度,裂纹凹坑数量,表面粗糙度都是三种材料中最优值。(2)在直线切割的研究基础上,开展对[+45°/-45°]2S铺层CFRP层合板激光切孔中热损伤的实验研究。结合理论分析和形貌表征,建立了一种操作简便的椭圆法量化孔周热影响区,并验证了该方法的可靠性。从量化结果中总结出线能量(激光功率除以激光速度)对于孔周热影响区的影响规律,研究发现,两者呈近似对数关系,热影响区随线能量的增加先快速增加后逐渐放缓,最后趋于一定值。(3)研究了孔周热损伤对拉伸强度和孔周应变场的影响规律。研究表明,较大的热损伤虽然没有明显降低切孔件的拉伸强度,但会显著加剧材料应变,越靠近孔的位置加剧效应越明显,同时该加剧效应随拉伸应力的增加而逐步增强。本论文中有关热损伤的研究成果为激光切割CFRP层合板的加工质量评价和工艺优化提供了实验与理论基础,有助于推进高功率光纤激光切割工艺在CFRP复合材料加工领域中进一步应用。
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