激光掃描角度對(duì)碳纖維復(fù)合材料的熱影響研究分析

侯紅玲,呂瑞虎,郝海凌,吳 浪

(1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,陜西 漢中 723000；2.陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 漢中 723001)

1 引 言

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)的含碳量高于90 %,具有耐高溫、耐摩擦、質(zhì)量輕和強(qiáng)度高等特性。CFRP因其優(yōu)良特性,被越來越廣泛地應(yīng)用在航空航天、汽車工業(yè)和體育器材等不同領(lǐng)域[1]。由于CFRP受纖維增強(qiáng)體和樹脂基體之間的物理性能差異、鋪層角度不同等因素的影響,存在層間強(qiáng)度低、各向異性、硬度高、脆性大等特點(diǎn),使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式將會(huì)導(dǎo)致材料分層嚴(yán)重,加工之后材料的性能變差,刀具過度磨損,如若頻繁更換加工刀具,勢(shì)必將增加額外的生產(chǎn)時(shí)間和加工成本[2-3],水射流切割雖然具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),但其切割速度較慢,不適于規(guī)模大批量加工生產(chǎn)[4]。為推進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的使用進(jìn)程,適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對(duì)快速高效、清潔無污染的加工要求,激光切割技術(shù)越來越受關(guān)注并得到肯定。

激光切割是一種清潔無污染、無磨損、無機(jī)械切削力、切割速度快的加工方法,激光切割在碳纖維復(fù)合材料加工中具有很大潛力[5-6]。激光切割作為一種熱加工方式難免會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生熱影響作用,為進(jìn)一步了解激光切割對(duì)CFRP的熱影響作用,國內(nèi)外研究人員已開展了相關(guān)研究,Tomomasa OhKubo等[7]利用熱重分析、差熱分析和有限差分法,模擬材料在燒蝕過程中的去除率,提出在研究激光切割CFRP產(chǎn)生熱影響區(qū)時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮材料的熱導(dǎo)率和燃燒效應(yīng)。張瑄珺等[8]通過改變激光不同工藝參數(shù),進(jìn)行CFRP激光打孔質(zhì)量研究,獲得最優(yōu)參數(shù)和最好打孔質(zhì)量效果?；ㄣy群等[9]對(duì)比分析了在空氣中和水下激光器切割CFRP的試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)水下切割可以獲得較好的切割質(zhì)量。P.Mucha等[10]在距切縫不同距離嵌入溫度傳感器,采用熱流模型描述不同纖維取向的各層的平均溫度,測定了熱傳導(dǎo)損耗激光功率高達(dá)30 %。陳敏孫[11]等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)切向氣流可將樹脂基體熱解產(chǎn)物吹除,促進(jìn)氧氣與碳纖維接觸發(fā)生氧化作用,利于碳纖維去除形成切縫。Maojun Li[12]等通過激光切割碳纖維復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料層合板的破壞形式主要取決于纖維的取向。李雅娣[13]等人利用電鏡從微觀分析得到激光對(duì)碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)造成破壞的模式,并通過熱重分析得到碳纖維復(fù)合材料的熱分解規(guī)律。M.FuJIta[14]等人研究了超短脈沖激光加工CFRP,發(fā)現(xiàn)超短脈沖激光在加工CFRP時(shí)無熱損傷,但其平均功率有限,加工效率太低,不適于批量加工。張家雷[15]等人分別在真空和大氣兩種環(huán)境條件下,進(jìn)行了激光輻照碳纖維復(fù)合材料的對(duì)比試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不同環(huán)境條件下激光對(duì)碳纖維復(fù)合材料的燒蝕效應(yīng)規(guī)律。M.S.Wahab[16]等通過試驗(yàn)研究提到可通過減少激光對(duì)材料的作用時(shí)間,來降低激光切割對(duì)材料的熱影響。

由于纖維熱導(dǎo)率和氣化溫度都高出基體很多,當(dāng)采用激光切割CFRP時(shí),在纖維被去除形成切縫前,基體會(huì)因吸收較多的激光能量被燒蝕、熱解氣化形成熱影響區(qū)(Heat Affect Zone,HAZ),影響切割質(zhì)量。纖維軸向熱導(dǎo)率大于徑向熱導(dǎo)率且遠(yuǎn)大于樹脂基體熱導(dǎo)率,在研究激光切割對(duì)材料造成的熱影響時(shí),纖維鋪設(shè)方向是一個(gè)不可忽略的影響因素,因此本文對(duì)常用的纖維鋪設(shè)角度即0°、45°和90°進(jìn)行激光切割模擬和試驗(yàn)研究,并得到相關(guān)結(jié)論為提高加工質(zhì)量提供參考。

2 CFRP參數(shù)及模型建立

模擬仿真和激光切割試驗(yàn)所用材料性能參數(shù)一致,選用基體為9A-16環(huán)氧樹脂基體,增強(qiáng)體碳纖維為東麗T300,纖維束在整個(gè)模型中的體積含量為68 %,單絲直徑0.7 μm。表1為碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)。

表1 碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of carbon fiber reinforced plastics

由于CFRP為纖維增強(qiáng)體和樹脂基體共同構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu),本文重在研究激光掃描角度對(duì)材料的熱影響,材料厚度方向?yàn)榇我蛩?為使模擬接近激光切割CFRP的實(shí)際工況,選擇具有八節(jié)點(diǎn)、三維熱傳導(dǎo)能力適用于瞬態(tài)熱分析的SOLID70單元,構(gòu)建碳纖維復(fù)合材料模型尺寸為5 mm×5 mm×0.15 mm。假設(shè)纖維束直徑為0.14 mm、兩纖維束間距為0.01 mm并由樹脂填充粘結(jié),根據(jù)纖維體積含量68 %,經(jīng)計(jì)算得到纖維束的數(shù)目約為33根,采用GLUE命實(shí)現(xiàn)樹脂與纖維時(shí)間的能量傳遞作用,以此建立碳纖維復(fù)合材料有限元模型,并對(duì)激光直接作用區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格密化,得到CFRP有限元模型如圖1,單元總個(gè)數(shù)為404561,其中圖(b)為CFRP有限元模型局部放大圖,編號(hào)為1和2的區(qū)域分別代表的是纖維束和樹脂基體。

圖1 CFRP有限元模型Fig.1 Finite element model of CFRP

3 熱源加載及邊界條件

激光加工是經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射在工件表面使材料熱降解、熔化或氣化,借助光束同軸輔助氣體,吹除熔融物,最終實(shí)現(xiàn)材料的去除[17]。高斯熱源能夠表征激光切割材料的熱流分布特征,能量以熱傳導(dǎo)形式在材料內(nèi)部傳遞,三維直角坐標(biāo)系下材料內(nèi)部任一點(diǎn)的熱傳導(dǎo)方程為[18]:

(1)

式中,T是材料內(nèi)某一點(diǎn)(x,y,z)處在某一時(shí)刻t的溫度,求解該方程,可以得知溫度場的分布情況。

第一類邊界條件定義了材料的初始溫度值,本文研究擬在室溫下進(jìn)行,假設(shè)室溫為定值,設(shè)置材料初始溫度為20 ℃；第二類邊界條件定義了材料上加載的熱流密度值,本文通過加載高斯熱源實(shí)現(xiàn)激光對(duì)材料產(chǎn)生熱影響作用,高斯熱源模型如式(2)所示；第三類邊界條件定義了材料與周圍介質(zhì)的對(duì)流換熱系數(shù)及周圍介質(zhì)溫度,本研究在高斯熱源直接作用區(qū)域采用表面效應(yīng)單元SURF152加載隨溫度變化的對(duì)流換熱,設(shè)置周圍介質(zhì)溫度為20 ℃。

(2)

式中,q(r)為距光斑中心r處的熱流密度；qmax為光斑中心最大熱流密度；r0為激光光斑半徑。

4 模擬仿真及分析

為研究激光掃描角度對(duì)CFRP的熱影響作用和激光能量傳播規(guī)律,在激光功率為300 W,掃描速度為15 mm/s,光斑半徑為0.3 mm的條件下,分別以常用的纖維鋪設(shè)角度即0°、45°和90°作為激光掃描角度。模擬過程中,激光切割對(duì)材料的作用結(jié)果直接表現(xiàn)形式為溫度場,因此可通過觀測表層基體溫度場和內(nèi)部纖維溫度場的分布情況,表征激光掃描角度對(duì)材料的熱影響作用,并對(duì)激光能量的傳遞規(guī)律進(jìn)行研究分析。如圖2不同掃描角度表層基體和內(nèi)部纖維同一時(shí)刻溫度場。

圖2 不同掃描角度表層基體和內(nèi)部纖維同一時(shí)刻溫度場Fig.2 Temperature field of surface matrix and inner fiber at the same time with different scanning angles

由圖2可以看出,三種掃描角度下,內(nèi)部纖維溫度場范圍都要比表層樹脂基體的廣,這一點(diǎn)驗(yàn)證了纖維熱導(dǎo)率大于樹脂基體熱導(dǎo)率的實(shí)際情況。隨掃描角度的增大,溫度場范圍逐漸變廣,以最外圍等溫線為界,測量得到掃描角度為0°時(shí)表層基體和內(nèi)部纖維溫度場寬度分別是1661.95 μm、1864 μm；將45°掃描時(shí)的溫度場寬度,定義為左上角和右下角對(duì)角線的平行線,與最外圍等溫線的兩個(gè)交點(diǎn)之間的最大距離,以此測得表層基體和內(nèi)部纖維溫度場寬度分別3051.26 μm和3206.7 μm；掃描角度為90°時(shí),測得表層基體溫度場寬度為3651.74 μm。上述各工況下,內(nèi)部纖維溫度場始終大于表層樹脂基體,說明在實(shí)際的激光切割加工過程中,切縫兩側(cè)基體存在被燒蝕氣化回縮的可能性。溫度場擴(kuò)散方向即材料吸收激光能量的傳遞方向,其主要沿著纖維軸向進(jìn)行,說明碳纖維復(fù)合材料吸收的激光能傳遞方向由纖維軸向主導(dǎo)。

由于基體的熱導(dǎo)率比碳纖維低很多,會(huì)阻礙激光能量的傳遞,直接表現(xiàn)形式為材料的溫度升高,因此為了解掃描角度對(duì)激光能量傳遞的影響作用,取同一時(shí)刻不同掃描角度的表層基體和內(nèi)部纖維最高溫度進(jìn)行觀測,如圖3為同一時(shí)刻表層基體和內(nèi)部纖維最高溫度隨掃描角度的變化。

圖3 不同掃描角度時(shí)基體和纖維最高溫度變化Fig.3 Maximum temperature changes of matrix and fiber at different scanning angles

由圖3可知,隨激光掃描角度的增大,表層樹脂基體最高溫依次為5922.73 ℃、4888.83 ℃、4405.56 ℃,內(nèi)部纖維最高溫度依次為4128.36 ℃、3674.66 ℃、3453.47 ℃,兩者最高溫度隨激光掃描角度的增大逐漸降低,這主要是因?yàn)槔w維軸向熱導(dǎo)率較大,當(dāng)激光作用于CFRP時(shí),激光能量傳遞方向易受由纖維軸向主導(dǎo),樹脂的熱導(dǎo)率較小,會(huì)阻礙相鄰纖維之間的能量傳遞,在樹脂和纖維綜合作用下,纖維軸向上能量累積較高,由于熱積累效應(yīng)的存在,當(dāng)沿纖維方向掃描時(shí)有溫度最高。

為便于分析和表述激光能量在內(nèi)部纖維上的傳遞情況,首先對(duì)CFRP中纖維束和樹脂的熱導(dǎo)性高低進(jìn)行簡述?；诩僭O(shè):

(1)在水平面上的纖維增強(qiáng)體為正交各向異性、樹脂基體為各項(xiàng)同性；

(2)激光對(duì)CFRP的起始作用點(diǎn)和終點(diǎn)都在纖維增強(qiáng)體上；

(3)水平面內(nèi)纖維增強(qiáng)體的熱傳導(dǎo)方向僅有X方向、Y方向；

(4)激光作用起始點(diǎn)為O點(diǎn),終點(diǎn)為N點(diǎn)。

構(gòu)建如圖4 CFRP中纖維束和樹脂熱導(dǎo)性高低分布示意圖。

圖4 CFRP中纖維束和樹脂熱導(dǎo)性高低分布示意圖Fig.4 Distribution of thermal conductivity of fiber bundle and resin in CFRP

由圖4可知,三種掃描角度相比之下,0°掃描時(shí),激光能量向兩側(cè)傳遞能力較差,耗損量較低,激光能量主要由纖維軸向傳遞,在終點(diǎn)N處熱積累量較高；掃描角度為45°時(shí),由起始點(diǎn)O到終點(diǎn)N經(jīng)過多根纖維束和樹脂基體層,且每根纖維束和每層樹脂基體都會(huì)進(jìn)行激光能量傳遞,但由于樹脂基體熱導(dǎo)率較低,對(duì)激光能量的傳遞有阻礙作用,因此45°掃描時(shí),由始點(diǎn)到終點(diǎn)路徑上熱積累量較高；90°掃描時(shí),由起始點(diǎn)O到終點(diǎn)N,經(jīng)多根纖維束,但和45°掃描相比,其向周圍傳遞激光能量較少,和0°掃描相比,其向周圍傳遞激光能量較多。因此,當(dāng)激光沿纖維方向掃描時(shí),在起始點(diǎn)O到終點(diǎn)N的掃描路徑上有較低的熱積累；當(dāng)與纖維方向呈45°掃描時(shí),在掃描路徑上有較高的熱積累,而垂直于纖維方向掃描時(shí),在掃描路徑上的熱積累量介于0°掃描和45°掃描角度之間。

5 激光切割試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 激光切割設(shè)備及檢測儀器

激光切割試驗(yàn)采用YN-CFB1320-2000型光纖激光切割機(jī),通過新天JVC300T型全自動(dòng)視頻測量儀獲取激光切割試件熱影響區(qū)整體區(qū)域,并采用VHX-7000型超景深三維顯微鏡觀測切割試件細(xì)節(jié)形貌。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證模擬分析結(jié)果,采用和模擬一致的激光參量,進(jìn)行掃描角度分別為0°、45°和90°的激光切割試驗(yàn),并采用5.1節(jié)所述檢測設(shè)備,對(duì)切割后得到的試件進(jìn)行觀測,圖5所示為激光切割試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 激光切割試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of laser cutting

對(duì)比圖5中三種掃描角度,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描角度為45°和90°時(shí),基體熱解氣化導(dǎo)致裸露出的碳纖維呈深黑色,且掃描角度為45°時(shí),深黑色區(qū)域更明顯。進(jìn)一步分析可知,當(dāng)激光沿纖維方向掃描時(shí),靠近切縫區(qū)域的樹脂被熱解氣化,對(duì)沿纖維軸向的熱傳導(dǎo)沒有阻礙作用,不會(huì)造成熱積累,而掃描角度為45°和90°時(shí),由于基體氣化區(qū)域有限,未被熱解氣化的基體對(duì)激光能量的傳遞有阻礙作用,造成熱積累,但該熱量達(dá)不到纖維的氣化溫度,僅能導(dǎo)致纖維高溫碳化。激光能量的傳遞方向雖然由纖維軸向主導(dǎo),但同時(shí)在纖維徑向上也會(huì)緩慢地傳遞到粘結(jié)纖維的樹脂基體,且掃描角度為45°比掃描角度為90°向樹脂傳遞的能量多,從而導(dǎo)致掃描角度為45°時(shí)熱積累更多,造成纖維碳化更明顯。

本文將切縫兩側(cè)熱影響區(qū)寬度之和擬定為HAZ整體范圍,通過超景深三維顯微鏡觀測激光切割后的試件,發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描角度為分別為0°、45°和90°時(shí)測得HAZ整體范圍分別為1796 μm、3108.2 μm和3705.3 μm。因?yàn)镠AZ主要是針對(duì)樹脂基體而言,因此以模擬所測基體溫度場范圍與激光切割試驗(yàn)所測HAZ整體范圍擬合,得到圖6所示熱影響范圍隨掃描角度的變化趨勢(shì)。

圖6 熱影響范圍隨掃描角度的變化趨勢(shì)Fig.6 Variation Trend of heat affected area with scanning angle

由圖6可知,模擬分析和激光切割試驗(yàn)對(duì)材料造成的熱影響范圍,隨掃描角度的增大,逐漸增大,試驗(yàn)測得HAZ范圍整體上大于模擬測得HAZ范圍,最大差值為134.05 μm,誤差為7.46 %,該誤差可能來源于測量誤差和試驗(yàn)機(jī)床誤差等,但其總體變化趨勢(shì)具有一致性,一定程度上可說明模擬分析的正確性。

6 結(jié) 論

以纖維典型鋪設(shè)角度即0°、45°和90°為基礎(chǔ),研究分析了激光掃描角度對(duì)材料的熱影響及能量傳遞過程中熱積累影響,并進(jìn)行了激光切割試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,隨激光掃描角度的增大,激光切割對(duì)材料造成的HAZ范圍逐漸增大,有限元模擬測得HAZ范圍與激光切割試驗(yàn)所測HAZ范圍存在一定誤差,最大誤差為7.46 %；激光能量的傳遞方向主要由纖維軸向主導(dǎo),當(dāng)掃描角度為45°時(shí),激光掃描路徑上熱積累較多,切縫兩側(cè)纖維碳化較嚴(yán)重,模擬仿真分析與激光切割試驗(yàn)觀測結(jié)果特征吻合,驗(yàn)證了模擬分析的有效性。