碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料皮秒激光加工的缺陷研究

殷赳 范彬

摘 要 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于具有密度小、比強(qiáng)度高、韌性高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)越的性能，在航空航天、汽車和民用消費(fèi)品等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。本文結(jié)合試驗研究分析皮秒激光加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料過程中的熔渣、切縫錐度、變質(zhì)層等一系列缺陷及其產(chǎn)生的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出工藝參數(shù)優(yōu)化的具體措施，提高材料的加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料;皮秒激光;變質(zhì)層;工藝參數(shù)優(yōu)化

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，簡稱CFRP）是以環(huán)氧樹脂材料為基體，以碳纖維或纖維織物為增強(qiáng)體固化成型的復(fù)合材料，是一種應(yīng)用廣泛的先進(jìn)復(fù)合材料。CFRP由于具有密度小、比強(qiáng)度高、韌性高以及化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)越的性能，在航空航天、汽車和民用消費(fèi)品等領(lǐng)域的輕量化中應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，波音公司的787客機(jī)整個機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等部件都大量采用碳纖維復(fù)合材料，大幅減輕了重量，有效提高了續(xù)航能力。汽車也大量采用CFRP材料來實現(xiàn)輕量化，例如雷克薩斯豪華汽車RC F碳纖維板選用了大量的碳纖維材質(zhì)，包括引擎蓋、車頂以及尾翼等部件，這些碳纖維材質(zhì)使得其整備質(zhì)量減少了數(shù)十千克。CFRP的推廣應(yīng)用對于運(yùn)載工具的輕量化、減少碳排放和促進(jìn)綠色發(fā)展有著重要意義。

1 皮秒激光加工CFRP的機(jī)理

CFRP材料的分子結(jié)構(gòu)介于石墨與金剛石之間，具有硬度高、韌性強(qiáng)、導(dǎo)熱性差以及各向異性等特性，屬于典型的難加工材料。CFRP在傳統(tǒng)的切削、鉆削等機(jī)械加工過程中刀具磨損快、耐用度低，且易產(chǎn)生撕裂、分層、拉絲、毛刺等缺陷，會導(dǎo)致工件加工表面粗糙度較大，甚至導(dǎo)致工件報廢[1]。因此，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式越來越難滿足CFRP高質(zhì)量加工的要求，亟須探究一種既保證加工質(zhì)量，又兼顧加工效率的CFRP加工新方法。

激光加工是將具有高能量密度的激光束輻照到工件的表面，通過熔化、汽化等機(jī)制去除材料。非接觸式的激光加工能有效避免傳統(tǒng)加工帶來的一系列缺陷，沒有刀具磨損，可以大大降低加工成本。激光光斑小，切縫窄，加工精度高，可實現(xiàn)任意形狀切割。采用連續(xù)或長脈沖激光加工時，主要是通過熱效應(yīng)使局部材料熔化或者氣化從而去除材料，這種加工方式會引起熱損傷，形成熱影響區(qū)[2]。而皮秒級超短脈沖激光由于脈寬極短，能量密度極高，傳遞和累積到周圍材料的熱量較少，可以有效避免材料的熱損傷和機(jī)械殘余應(yīng)力。利用皮秒激光加工技術(shù)有望減少連續(xù)激光或長脈寬激光加工所產(chǎn)生的變質(zhì)層、殘余應(yīng)力等缺陷，可實現(xiàn)CFRP材料的高精度、高質(zhì)量加工，同時保證較高的加工效率。

根據(jù)經(jīng)典的雙溫模型，在皮秒激光與CFRP相互作用時，首先是光子與電子之間的耦合作用，使電子在極短的時間內(nèi)達(dá)到很高的溫度，然后電子與晶格之間互相耦合，實現(xiàn)能量向晶格的傳遞。盡管一般認(rèn)為皮秒脈沖激光可以實現(xiàn)材料的“冷加工”，但這只針對脈沖作用時間內(nèi)的情況，當(dāng)脈沖作用結(jié)束后，晶格內(nèi)部殘余的能量仍會引起熱損傷。因此，皮秒激光加工CFRP盡管可以降低對材料的熱影響，但無法完全避免CFRP的熱損傷缺陷[3]。本文結(jié)合試驗研究分析皮秒激光加工CFRP過程中的一系列缺陷及其產(chǎn)生的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出工藝參數(shù)優(yōu)化的具體措施，提高CFRP材料的加工質(zhì)量。

2 皮秒激光加工CFRP的常見缺陷

2.1 熔渣

根據(jù)前述皮秒激光去除加工CFRP材料的機(jī)理分析，在CFRP皮秒激光加工過程中，存在熱作用，由于能量累積效應(yīng)，材料表面和內(nèi)部溫度升高，達(dá)到甚至超過碳纖維的燒蝕閾值，實現(xiàn)材料的去除。在強(qiáng)烈的燒蝕作用下，燒蝕閾值較低的環(huán)氧樹脂基體先產(chǎn)生熔化，部分熔化的環(huán)氧樹脂基體殘留在纖維之間或材料表面，形成熔渣，如圖1所示。

2.2 切縫錐度

皮秒激光切割具有一定厚度的CFRP板材時，由于所采用的皮秒激光器聚焦之后的有效焦深約為0.6mm，且加工過程中激光焦點高度位置保持不變，當(dāng)加工的CFRP板厚超過焦深范圍時，在加工去除掉一定厚度的材料后，激光繼續(xù)燒蝕去除下一層材料，而此時為正離焦的加工模式，有效光斑直徑變大，能量密度變小，再加上上層材料和熱影響區(qū)的遮蔽效應(yīng)，會導(dǎo)致底部材料的切縫寬度逐漸減小，形成一定的錐角，如圖2所示。

2.3 變質(zhì)層

試驗研究表面，由于熱效應(yīng)引起得加工區(qū)域變質(zhì)層是CFRP材料皮秒激光加工中最顯著的加工缺陷。在CFRP材料中，碳纖維的汽化溫度超過4000K，而環(huán)氧樹脂基體在700K左右即可產(chǎn)生汽化;此外，這兩種材料的熱傳導(dǎo)率也有很大的差異，碳纖維的熱導(dǎo)率是環(huán)氧樹脂基體的500倍。加工采用的皮秒激光光束呈高斯分布，即光斑中心能量密度最高，而邊緣能量密度逐漸減小。CFRP皮秒激光加工過程中，由于碳纖維和樹脂基體材料之間存在巨大的熱學(xué)性能差異，在光斑邊緣處較低的激光能量密度使得樹脂發(fā)生氣化而不能去除碳纖維，且熱量在高熱導(dǎo)率的碳纖維中沿著纖維快速傳遞，繼續(xù)引起纖維方向上的樹脂基體氣化，從而增大熱影響區(qū)的寬度，如圖3所示。在熱影響區(qū)，隨著基體材料的去除，殘余的纖維材料就形成了變質(zhì)層，其物理力學(xué)性能都受到極大的破壞，需要盡量避免。

3 提高CFRP加工質(zhì)量的方法

為減少皮秒激光加工CFRP的加工缺陷，提高加工質(zhì)量，進(jìn)行了一系列的工藝試驗?；谠囼炑芯康贸隽思す馄骄β?、激光重復(fù)頻率、激光掃描速度等工藝參數(shù)對加工質(zhì)量的影響規(guī)律。

皮秒激光加工過程中，CFRP切縫邊緣的微觀不平度和變質(zhì)層寬度均隨激光平均功率的增大而呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢。對于所采用的皮秒激光器，最優(yōu)的激光平均功率為60W。如果激光功率過大，CFRP材料切縫邊緣由于積累過多的熱量而導(dǎo)致樹脂基體過度破壞，形成熱影響區(qū)。而當(dāng)激光平均功率較小時，脈沖能量不足以充分去除CFRP材料燒蝕區(qū)域的碳纖維，增大變質(zhì)層的范圍。

激光脈沖重復(fù)頻率同樣會影響CFRP的加工質(zhì)量。CFRP切縫邊緣的微觀不平度和變質(zhì)層寬度隨激光重復(fù)頻率的增大而逐漸增加。這主要是由于激光重復(fù)頻率決定了單脈沖能量，當(dāng)激光重復(fù)頻率為0.4MHz時可實現(xiàn)變質(zhì)層最小化。

激光掃描速度對CFRP切縫處微觀不平和度變質(zhì)層寬度的影響規(guī)律與激光平均功率類似，即呈先減小后增大的趨勢。當(dāng)激光掃描速度為1m/s時，可獲得較優(yōu)的加工質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合試驗研究分析了皮秒激光加工CFRP材料過程中的熔渣、切縫錐度、變質(zhì)層等一系列缺陷及其產(chǎn)生的機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上提出激光平均功率、激光重復(fù)頻率、激光掃描速度等工藝參數(shù)優(yōu)化的具體措施，為CFRP材料的高質(zhì)量、高效率加工提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 花銀群，肖淘，薛青，等.激光切割碳纖維復(fù)合材料的實驗研究[J].激光技術(shù)，2013，37（5）：565-570.

[2] 于冬洋，王續(xù)躍.激光同向切割單層碳纖維復(fù)合材料的溫度場模擬[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2017，54（4）：210-218.

[3] 蔣翼，陳根余，周聰，等.碳纖維復(fù)合材料皮秒激光切割工藝研究[J].激光技術(shù)，2017，41（6）：821-825.

*[課題項目] 課題來源：益陽市科技計劃項目2017YZ11;湖南省教育廳科學(xué)研究項目18B449。