Study on anisotropic heat transfer and thermal damage in nanosecond pulsed laser processing of CFRP

材料科学 复合材料 传热 激光器 机械加工 烧蚀 各向异性 纳秒 激光烧蚀 纤维 热导率 热的 激光扫描 光纤激光器 光学 机械 航空航天工程 气象学 工程类 冶金 物理
作者
Peng Wang,Zhen Zhang,Bo Hao,Shichuan Wei,Wenzhe Qiu,Yu Huang,Guojun Zhang
出处
期刊:Polymer Composites [Wiley]
卷期号:44 (9): 5964-5983 被引量:33
标识
DOI:10.1002/pc.27540
摘要

Abstract Nanosecond pulsed laser processing is an efficient method of processing carbon fiber reinforced plastic(CFRP), which is widely used in the manufacturing field of aviation, medical, and auto industries. The anisotropic heat transfer of carbon fiber is a key factor degrading the surface integrity of laser processing CFRP. So it is urgent to explore the significant mechanism of anisotropic heat transfer of laser interacting with CFRP. A novel numerical model considering anisotropic heat transfer was established to analyze heat transfer and thermal damage of CFRP laser machining. By comparison of simulation and experiments, the average error of ablation depth and width ranges from 4.71% to 15.09%, so the model could precisely simulate the CFRP laser machining. It demonstrates that the heat conductivity along the axial carbon fiber is higher than that along the radial, resulting in an elliptical ablation morphology. And when the laser scanning direction is parallel to the direction of the carbon fiber, deeper and narrower microgrooves can be obtained. In addition, laser processing at the edge of the CFRP plate causes serious heat accumulation, leading to severe thermal damage. The simulation and experiments were conducted to explore the effect of parameters including laser energy, scanning speed, and scanning space on the depth and width of laser ablation. A deeper micro‐channel with a smooth machined surface and small thermal damage was obtained when laser energy E = 0.275 mJ, scanning speed v = 630 mm/s, and scanning space h = 21 μm.
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