碳纤维复合材料是由碳纤维加强体和树脂基体组成的新型材料,具有高比模量、高比强度等优越的性能,在军事、航空及汽车等各个领域有广泛的应用。在航空部件装配过程中,碳纤维复合材料需要进行铣削、切割和制孔等加工工艺,紫外短脉冲激光加工是一种有别于传统机械加工的非接触式加工方法,其与材料相互作用时间极短,较高的峰值功率密度能够瞬时汽化碳纤维,热积累效应较小。但是,对于紫外短脉冲激光加工,存在能量利用率较低、切割锥度较大、制孔效率较低、盲孔凹面以及高深径比难加工的挑战。因而,本课题对紫外短脉冲激光与碳纤维复合材料的相互作用过程、加工工艺规划等关键问题展开研究,探究新型的复合材料加工工艺方法,实现高效率、高精度的加工。主要研究内容和相关结论如下:(1)紫外短脉冲激光与碳纤维复合材料相互作用过程研究基于碳纤维复合材料的结构特征及材料属性,研究了短脉冲激光和紫外激光与碳纤维复合材料的作用过程,揭示了短脉冲激光加工过程中的热作用去除与非热作用去除,分析了短脉冲激光辐照异质材料产生的独特机械剥蚀作用和光化学作用。基于光学系统和运动控制系统组成的紫外短脉冲激光加工系统,通过分析单脉冲作用以及多脉冲间的相互作用,揭示了短脉冲激光去除碳纤维复合材料的本质。(2)碳纤维复合材料短脉冲激光加工有限元仿真分析短脉冲激光的能量密度较高,脉冲持续作用时间较短,在ANSYS软件环境下建立了碳纤维复合材料的微观异质几何模型、能量密度呈高斯分布的激光光源模型、笛卡尔直角坐标系下的瞬态热传导模型,分析了碳纤维复合材料在短脉冲激光辐照作用下的去除过程以及热影响区形成过程。基于单脉冲烧蚀过程,分析了半椭球形微坑形貌特征以及脉冲持续作用时间对微坑形貌的影响规律。进行了双脉冲烧蚀过程研究,分析了光斑水平间距对脉冲间相互作用的影响,揭示了机械剥蚀作用对提高激光能量利用率和加工质量的重要性,并开展了短脉冲激光加工实验,有效地验证了仿真模型。(3)碳纤维复合材料紫外短脉冲激光加工实验研究短脉冲激光加工实验主要涉及铣削、切割及制孔工艺研究。针对激光铣削工艺,开展了响应面统计实验,分析了加工参数对铣削深度及单位能量材料去除量的影响规律,研究了再聚焦技术;针对激光切割工艺,通过单因素实验分析了单个因素的影响规律,以入射切缝宽度、出射切缝宽度、切缝锥度、热影响区大小、材料去除率为响应指标,分析了多因素交互作用对加工锥度和质量的影响规律,开展了切割样件的力学性能测试实验,分析了纳秒、皮秒激光加工、机械加工对材料拉伸强度和弯曲强度的影响;针对激光制孔工艺,开展了多环制孔实验,分析了加工参数对制孔深度以及热影响区大小的影响规律,通过优化填充间距,分析了环内能量传递规律,探究了制盲孔过程中底面下凹的问题,并开展了高深径比制孔实验研究。