一种碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划方法及系统与流程

1.本发明属于激光加工技术领域，特别是一种碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划方法及系统。


背景技术：

2.现有技术中已出现通过激光对碳纤维复合材料100’进行切孔的技术方案，如图1所示，其通常采用激光光束l’按照同心圆扫描轨迹c’逐层进行扫描，最终在碳纤维复合材料100’上形成通孔。
3.但该种通孔切割中，由于圆形扫描轨迹与碳纤维复合材料100’中纤维取向之间形成的夹角始终较大，致使激光切割过程中产生的热量通过纤维进行热传导，由此形成较大的热影响区，并且对基体造成热损伤，形成微观缺陷。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提出一种碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划方法及系统，其可以充分降低实际扫描轨迹与纤维取向之间的夹角，降低沿纤维方向热传导对基体树脂材料的损伤，减少碳纤维复合材料力学性能的损失。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一方面，提供了一种碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划方法，其包括以下步骤：
7.获取不同激光加工参数下，不同标准待制孔的切孔边缘热影响区数值最小时所对应的的锯齿形扫描轨迹的尖角的角度以及该锯齿形扫描轨迹的宽度，以建立最优锯齿形扫描轨迹信息集合；
8.在当前碳纤维复合材料上预设与某一标准待制孔对应的当前待制孔形状匹配的扫描轨迹，且所述扫描轨迹中心与当前待制孔中心重合；
9.设定激光加工参数，所产生的激光光束沿扫描轨迹进行扫描，且扫描过程中实时获取当前碳纤维复合材料的纤维的纤维取向；
10.激光光束沿预设的扫描轨迹进行扫描的过程中，若实际产生的扫描轨迹与纤维的纤维取向所形成的夹角角度大于或等于α，则从所述最优锯齿形扫描轨迹信息集合中调取对应标准待制孔、且在该激光加工参数下，切孔边缘热影响区数值最小时所对应的锯齿形扫描轨迹信息，且使得激光光束按照该锯齿形扫描轨迹进行扫描。
11.优选的，“建立最优锯齿形扫描轨迹信息集合”包括如下步骤：
12.在标准碳纤维复合材料上预设与一标准待制孔形状匹配的扫描轨迹，设定一激光加工参数，产生的激光光束以不同锯齿形扫描轨迹沿该扫描轨迹进行扫描；
13.以不同锯齿形扫描轨迹扫描的过程中，实时获取切孔边缘热影响区数值；
14.获取该激光加工参数下，该标准待制孔的切孔边缘热影响区数值最小时的锯齿形
扫描轨迹的尖角的角度以及该锯齿形扫描轨迹的宽度；
15.其中，该锯齿形扫描轨迹的任一尖角的角度均为2α；
16.该锯齿形扫描轨迹的宽度为：以标准待制孔中心为圆心、以标准待制孔中心与锯齿形扫描轨迹上距离中心最近的顶点之间的距离为半径所形成的圆形轨迹与以标准待制孔中心为圆心、以标准待制孔中心与锯齿形扫描轨迹上距离中心最远的顶点之间的距离为半径所形成的圆形轨迹之间的间距；
17.重复上述步骤，以建立最优锯齿形扫描轨迹信息集合。
18.优选的，所述α为5-30
°
。
19.优选的，所述锯齿形扫描轨迹的宽度为0.05-1mm。
20.优选的，所述激光加工参数包括：脉宽、重复频率、功率、扫描速度、扫描次数等中的一种或几种。
21.优选的，通过ccd模块获取纤维取向。
22.优选的，所述扫描轨迹为圆形或矩形或正方形。
23.优选的，若当前待制孔为矩形/正四边形，则仅激光光束沿与纤维取向垂直的预设扫描轨迹进行扫描的过程中，若当所产生的扫描轨迹与纤维取向所形成的夹角大于或等于预设值α，则从所述最优锯齿形扫描轨迹信息集合中调取对应标准待制孔、且在该激光加工参数下，切孔边缘热影响区数值最小时所对应的锯齿形扫描轨迹信息，且使得激光光束按照该锯齿形扫描轨迹进行扫描。
24.还提供一种用于实现上述激光切孔扫描方法的碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划系统，其包括：
25.激光器、扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、扫描振镜、聚焦场镜、成像设备、图像采集卡以及控制中心；
26.所述激光器用于在设定的激光加工参数下发出对应的激光光束，该激光光束经过扩束镜扩束后，依次经第一反射镜、第二反射镜反射，以进入扫描振镜，再经过聚焦场镜聚焦于碳纤维复合材料表面，以按照碳纤维复合材料表面预设的扫描轨迹；
27.扫描过程中，所述成像设备实时获取碳纤维复合材料表面图像，并发送至图像采集卡，所述图像采集卡获取纤维取向，且当激光光束实际产生的扫描轨迹与纤维取向所形成的夹角角度大于或等于α时，则所述控制中心从所述最优锯齿形扫描轨迹信息集合中调取对应标准待制孔、且在该激光加工参数下，切孔边缘热影响区数值最小时所对应的锯齿形扫描轨迹信息，且使得激光光束按照该锯齿形扫描轨迹进行扫描。
28.优选的，所述成像设备与所述扫描振镜同轴设置。
29.本发明的有益效果是：
30.本发明首先建立不同孔型、大小的最优锯齿形扫描轨迹信息集合，以获取切孔边缘热影响区数值最小时所对应的最优锯齿形扫描轨迹，在实际切孔过程中，利用图像处理获得碳纤维复合材料表面纤维的纤维取向情况，当纤维取向与扫描轨迹所成夹角满足条件时选择最优锯齿形扫描轨迹进行扫描，以减小热传导效应、降低热影响区的对于基体材料的损伤。
附图说明
31.图1为现有技术中激光光束在碳纤维复合材料上形成通孔的步骤示意图。
32.图2为本发明激光光束以不同锯齿形扫描轨迹对标准待制孔进行扫描的示意图。
33.图3为本发明激光光束以不同锯齿形扫描轨迹对当前待制孔(圆形)进行扫描的示意图。
34.图4为本发明激光光束以不同锯齿形扫描轨迹对当前待制孔(矩形)进行扫描的示意图。
35.图5为本发明碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划系统的结构示意图。
36.图6为本发明对表面纤维编织铺设的碳纤维复合材料进行扫描的示意图。
具体实施方式
37.为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
38.本发明提出了一种碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划方法，其包括如下步骤：
39.s1、如图2所示，在标准碳纤维复合材料101上预设与一标准待制孔形状匹配的扫描轨迹102，设定一激光加工参数，产生的激光光束以不同锯齿形扫描轨迹j1沿该扫描轨迹102进行扫描；
40.以不同锯齿形扫描轨迹j1扫描的过程中，通过ccd模块等实时获取切孔边缘热影响区数值；
41.获取该激光加工参数下，该标准待制孔的切孔边缘热影响区数值最小时的锯齿形扫描轨迹j1的尖角b1的角度以及该锯齿形扫描轨迹j1的宽度d1；
42.其中，该锯齿形扫描轨迹j1的任一尖角b1的角度均为2α；
43.该锯齿形扫描轨迹j1的宽度d1为：以标准待制孔中心o为圆心、以标准待制孔中心o与锯齿形扫描轨迹j1上距离中心o最近的顶点o1之间的距离为半径所形成的圆形轨迹c1与以标准待制孔中心o为圆心、以标准待制孔中心o与锯齿形扫描轨迹j1上距离中心o最远的顶点o2之间的距离为半径所形成的圆形轨迹c2之间的间距；
44.重复上述步骤，以获取不同激光加工参数下，不同标准待制孔的切孔边缘热影响区数值最小时所对应的的锯齿形扫描轨迹j1的尖角b1的角度以及该锯齿形扫描轨迹j1的宽度d1，以建立最优锯齿形扫描轨迹信息集合，该最优锯齿形扫描轨迹信息集合中，对于每一种标准待制孔，在一种激光加工参数下，切孔边缘热影响区数值最小时所对应的锯齿形扫描轨迹j1即为最优锯齿形扫描轨迹，且该锯齿形扫描轨迹j1具有对应的尖角b1以及宽度d1；
45.s2、如图3所示，在当前碳纤维复合材料100上预设与某一标准待制孔对应的当前待制孔形状(如圆形)匹配的扫描轨迹c，且所述扫描轨迹c中心与当前待制孔中心o”重合；具体的，所述扫描轨迹c也可以为矩形或正四边形等；
46.s3、设定激光加工参数，所产生的激光光束沿扫描轨迹c进行扫描，且扫描过程中实时获取当前碳纤维复合材料100的纤维103的纤维取向s，如可通过ccd模块获取所述纤维
取向s；所述激光加工参数包括：脉宽、重复频率、功率、扫描速度、扫描次数等中的一种或几种；
47.s4、激光光束沿预设的扫描轨迹c进行扫描的过程中，若实际产生的扫描轨迹c’与纤维103的纤维取向s所形成的夹角a角度大于或等于α，则从所述最优锯齿形扫描轨迹信息集合中调取对应标准待制孔、且在该激光加工参数下，切孔边缘热影响区数值最小时所对应的锯齿形扫描轨迹j1信息，且使得激光光束按照该锯齿形扫描轨迹j1进行扫描，该锯齿形扫描轨迹j1上相邻两个顶点之间的轨迹线段与纤维取向s之间形成的夹角β的角度为α(即β＝1/2b)。
48.经研究发现，当激光光束的扫描轨迹与纤维取向之间形成的夹角a越大，则热量通过纤维进行热传导越明显，所产生的热影响区最大，因此，当两者形成的夹角a为0
°
时，基本无热传导，也无明显的热影响区产生，当两者形成的夹角a为90
°
时，则热传导最显著，热影响区最大，因此，本发明中通过将激光光束的扫描轨迹调整为锯齿形扫描轨迹j1，以使得该锯齿形扫描轨迹j1与纤维取向s之间形成的夹角β始终控制在较小的范围内(即β＝α)。
49.具体的，所述α为5-30
°
(优选10-25
°
)，由此减少激光实际扫描轨迹与纤维取向所成夹角为90
°
或接近90
°
的范围，进一步降低切割时产生的热传导效应，减小热影响区，有效提高切割质量。
50.进一步的，所述锯齿形扫描轨迹j1的宽度d1为0.05-1mm(优选0.1～1mm，特别优选0.5-1mm)，因为锯齿形扫描轨迹j1的尖角b受激光光斑大小限制而存在一定拐角误差，所以在上述宽度d1范围下不会降低孔的切割精度，且能同时减小热影响区。
51.如图3所示，步骤s4中，若当前待制孔、扫描轨迹c形状均为矩形/正四边形，则激光光束沿与纤维取向s平行的预设扫描轨迹c进行扫描的过程中，无需调整为锯齿形扫描轨迹j1，因为此时实际扫描轨迹与纤维取向s所成夹角为0
°
，几乎不会产生热传导效应，也不会产生热影响区，仅激光光束沿与纤维取向s垂直的预设扫描轨迹c进行扫描的过程中，若当所产生的扫描轨迹c’与纤维取向s所形成的夹角a大于或等于预设值α，则从所述最优锯齿形扫描轨迹信息集合中调取对应标准待制孔、且在该激光加工参数下，切孔边缘热影响区数值最小时所对应的锯齿形扫描轨迹j1信息，且使得激光光束按照该锯齿形扫描轨迹j1进行扫描。
52.进一步的，本发明还提供了一种碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划系统，其用于实现上述路径规划方法，具体的，如图5所示，所述碳纤维复合材料低损伤激光切孔扫描路径规划系统包括：
53.激光器1、扩束镜2、第一反射镜3、第二反射镜9、扫描振镜7、聚焦场镜4、成像设备8(如ccd模块等)、图像采集卡10以及控制中心11；优选的，所述成像设备8与所述扫描振镜7同轴设置；
54.其中，所述激光器1用于在设定的激光加工参数下发出对应的激光光束，该激光光束经过扩束镜2扩束后，依次经第一反射镜3、第二反射镜9反射，以进入扫描振镜7，再经过聚焦场镜4聚焦于碳纤维复合材料5表面，以按照碳纤维复合材料5表面预设的扫描轨迹(如图3中的轨迹c)进行扫描；
55.扫描过程中，所述成像设备8实时获取碳纤维复合材料5表面图像，并发送至图像采集卡10，所述图像采集卡10通过图像不同方向灰度值获取纤维取向，且当激光光束实际
产生的扫描轨迹与纤维取向所形成的夹角a角度大于或等于α时，则所述控制中心11从所述最优锯齿形扫描轨迹信息集合中调取对应标准待制孔、且在该激光加工参数下，切孔边缘热影响区数值最小时所对应的锯齿形扫描轨迹j1信息，且使得激光光束按照该锯齿形扫描轨迹j1进行扫描，以减小热传导效应、降低热影响区的对于基体材料的损伤。
56.以下结合具体的实施例说明本发明的实施方式。
57.实施例1:
58.碳纤维复合材料厚度为0.5mm，表面纤维单向铺设，加工直径为2mm的圆孔,选用1030nm飞秒激光，激光加工参数为：脉宽350fs、重复频率750khz、功率30w、扫描速度1000mm/s、扫描间距与次数0.015
×
20次，所采用的锯齿形扫描轨迹尖角角度为
±
12.75
°
，宽度0.37mm，最终切孔边缘热影响区最大4.38μm。
59.实施例2：
60.碳纤维复合材料厚度为2mm，表面纤维单向铺设，加工直径为8mm的圆孔,选用355nm皮秒激光，激光加工参数为：脉宽12ps、重复频率250khz、功率15w、扫描速度600mm/s、扫描间距与次数0.02
×
15次，所采用的锯齿形扫描轨迹尖角角度为
±
15.86
°
，宽度0.56mm，最终切孔边缘热影响区最大6.05μm。
61.实施例3：
62.碳纤维复合材料厚度为4mm，表面纤维编织铺设(如图6所示)，加工直径为8mm的圆孔,选用355nm纳秒激光器，激光加工参数为：脉宽13ns、重复频率50khz、功率8w、扫描速度1000mm/s、扫描间距与次数0.05
×
15次，最终切孔边缘热影响区最大12.75μm。
63.综上所述，本发明首先建立不同孔型、大小的最优锯齿形扫描轨迹信息集合，以获取切孔边缘热影响区数值最小时所对应的最优锯齿形扫描轨迹，在实际切孔过程中，利用图像处理获得碳纤维复合材料表面纤维的纤维取向情况，从最优锯齿形扫描轨迹信息集合中选择最优锯齿形扫描轨迹进行扫描，以充分降低实际扫描轨迹与纤维取向之间的夹角，降低沿纤维方向热传导对基体树脂材料的损伤，减少碳纤维复合材料力学性能的损失。
64.以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。