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[美国激光学会ICALEO? 2015：第34届国际激光材料加工、激光微加工与纳米制造大会 - 美国佐治亚州亚特兰大市（2015年10月18-22日）] 激光与电光应用国际大会 - 飞秒与微秒激光辐射在碳纤维增强复合材料预成型件力传递元件钻孔中的对比研究

DOI：10.2351/1.5063226 出版年份：2015 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 当前汽车、航空航天和风能应用中的轻量化策略包括采用金属与纤维增强塑料的复合结构，以实现最小重量、最大传力效率和高材料利用率。因此，对于这些高性能材料而言，经济高效且技术先进的传力元件（如嵌件）集成加工工艺至关重要。目前碳纤维增强材料的先进加工方式是在固结成型后进行钻孔或铣削。传统机械加工和水射流工艺会导致刀具严重磨损，并常在工件中产生分层、纤维拔出、基体与纤维开裂及变形等不可修复缺陷。对固结材料进行激光加工虽能避免受力缺陷，但会造成基体劣化，并在钻孔内残留悬空纤维——这些纤维可能损伤后续嵌入传力元件的防护表面，这对结构件服役寿命和性能尤为关键。一种解决方案是在树脂灌注工艺前先对预成型体钻孔，嵌入传力元件后再灌注树脂。超声激励切割刀具不适用于加工高深径比的毫米级微孔；冲压和水射流切割则因与纺织层受力相互作用或需后续干燥工序而被排除。激光材料加工或能妥善解决上述问题。本研究采用超短脉冲与微秒级（光纤激光）辐射对无卷曲碳纤维（NCF）层进行激光加工研究，评估扫描速度、重复频率和激光功率等工艺参数对几何质量（锥度、纺织层溶胀）与材料特性（热影响区HAZ）的影响。激光加工过程中的温度分布对判断保持碳纤维层叠的编织纱线何时何地解体至关重要——若编织纱线失效将导致纺织层溶胀，这将影响后续加工工序。
作者： Stefan Janssen，Simon Reinelt，Ingomar Kelbassa，Sebastian Oppitz，Mesut Cetin
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究皮秒和微秒激光辐射在碳纤维增强塑料预成型件上钻孔以集成传力元件的有效性，重点关注加工时间、孔质量和材料学效应。

研究成果

采用超短脉冲和准连续激光辐射对碳纤维增强复合材料预成型件进行激光钻孔，可实现高效制造且缺陷最少的缺口。准连续激光钻孔具有更短的加工时间和圆柱形孔洞优势，但会残留重铸层。超短脉冲激光钻孔能实现高几何精度，但可能导致纤维熔融和热影响区。该研究确定了在保持孔质量的同时缩短加工时间的最优工艺参数。

研究不足

本研究仅限于非卷曲碳纤维预制体，并未广泛探讨激光钻孔对灌注成型CFRP部件的影响。再铸层对灌注工艺及力学性能的影响尚需进一步研究。

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