基于QCW激光的碳/碳复合材料高质量环切钻孔工艺建模与参数优化研究

针对碳/碳复合材料(C/Cs)高硬度、强各向异性导致的加工难题，研究人员通过建立QCW激光环切钻孔数学模型，引入脉冲宽度变量，结合工艺参数系统性分析，实现了直径2 mm、误差≤0.05 mm的高精度孔加工，为航空航天复杂构件制造提供了可靠解决方案。

　　

碳/碳复合材料(C/Cs)因其低密度、耐烧蚀和优异的高温力学性能，成为离子发动机栅格等航天复杂构件的首选材料。然而，其高硬度、脆性和强各向异性使得传统机械加工易产生撕裂缺陷，电火花加工(EDM)效率仅1 mm³/min且需浸液处理，而短脉冲激光虽精度高但材料去除率不足。如何实现高效高精度加工成为制约C/Cs工程应用的瓶颈问题。

为此，大连理工大学的研究团队创新性地提出将准连续波(QCW)激光环切钻孔等效为切割过程的建模方法，在《Optics》发表的研究中建立了包含脉冲宽度变量的工艺模型。通过单因素实验验证模型最大误差仅12.61 μm，并系统分析了参数组合对孔形貌的影响机制，最终获得直径2 mm、误差≤0.05 mm的高质量孔。研究采用QCW激光多模式调控技术（含连续波CW和脉冲波PW模式）、三维形貌激光扫描表征、有限元多物理场耦合模拟等关键技术，实验材料选用典型三维编织C/Cs试样。

数学建模部分通过能量平衡方程量化激光功率、脉冲持续时间、扫描速度等参数对切缝宽度的影响，首次引入脉冲宽度作为独立变量，并考虑辅助气体冷却效应。实验验证显示功率300W时预测误差仅2.3%，但脉冲持续时间超过0.5ms后误差增大至12.61μm。工艺分析揭示低功率高扫描速度易导致锯齿状孔缘，而功率超过350W会产生热影响区(HAZ)扩大现象。高精度加工阶段优选功率320W+脉冲持续时间0.3ms+扫描速度1.5mm/s组合，通过模型补偿路径直径后实现±25μm的重复定位精度。

该研究创新性地将QCW激光多模式特性融入加工模型，不仅解决了C/Cs环切钻孔的路径补偿难题，更通过工艺参数耦合分析规避了孔形貌缺陷。所建立的"建模-验证-分析-优化"技术路线，为其他难加工材料的激光精密加工提供了范式，推动激光加工从实验室走向航空航天实际工程应用。特别是针对离子发动机栅格等典型构件，研究证实通过参数优化可同时满足高效率（材料去除率提升5倍于EDM）与高精度的工程需求，具有重要的产业化指导价值。