Kevlar-29 材料的飛秒激光制孔形貌及性能研究

成健，李嘉樂，張志偉，姜晟，章鵬，翟中生，劉頓

（1 湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430068）

（2 現(xiàn)代制造質(zhì)量工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430068）

0 引言

芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Aramid Fiber Reinforced Plastics， AFRP）由芳綸纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合而成，是一種具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度和優(yōu)異的耐腐蝕性能的材料［1-5］。由于其卓越的性能，AFRP 材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、裝備防護(hù)、建筑和電子領(lǐng)域［6-11］。

一次成型工藝無法滿足AFRP 在各領(lǐng)域的應(yīng)用，制孔是AFRP 材料加工過程中必要的一步，能為其帶來更廣泛的應(yīng)用［12］。例如，被用作防護(hù)外殼時(shí)，需要在AFRP 上加工定位孔和連接孔。王晉宇等［13］采用液氮超低溫切削的方式進(jìn)行AFRP 的制孔研究，使用液氮冷卻能降低由于切削熱產(chǎn)生的燒蝕，有效提高制孔質(zhì)量，但仍存在較明顯的毛刺。LIU Sinan 等［14］基于多目標(biāo)遺傳算法，優(yōu)化了鉆削參數(shù)，減小了撕裂、毛刺產(chǎn)生等損傷，但僅能得到單一損傷的優(yōu)化解。傳統(tǒng)機(jī)械加工方法進(jìn)行AFRP 制孔加工時(shí)往往伴隨著刀具磨損、毛刺產(chǎn)生、分層撕裂、燒傷損傷等問題［15-17］。這些缺陷可能會降低材料的強(qiáng)度和可靠性，從而影響材料的性能和應(yīng)用。

激光制孔技術(shù)通過非接觸式加工方法，避免了機(jī)械制孔可能造成的物理損傷，同時(shí)也能更精確地控制孔的位置、孔徑和形狀［18-22］。TAGLIAFERRI V 等［23］采用CO2激光對AFRP 進(jìn)行切割試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)芳綸纖維和樹脂基體對該波長的吸收差異較小，從而使AFRP 獲得較好的加工質(zhì)量。BASSIM B 等［24］建立了激光切割模型，研究了激光能量、聚焦位置和氣體環(huán)境等工藝參數(shù)對切割過程的影響；同時(shí)采用Nd∶YAG 激光器進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低激光功率、低激光掃描速度和高激光重復(fù)頻率可以獲得光滑的切割表面。本課題組［25］也研究了超快激光脈寬、激光能量密度和激光重頻對AFRP 加工的效果。發(fā)現(xiàn)單脈沖體積去除率、材料去除效率和燒蝕表面粗糙度與激光脈寬、激光能量密度和重復(fù)頻率正相關(guān)。MOGHADASI K 等［26］分析了工藝參數(shù)（如激光功率、掃描速度和掃描間距）之間的相互作用，以及它們對材料切割質(zhì)量（包括熱影響區(qū)尺寸和切口特性）的影響；發(fā)現(xiàn)芳綸纖維和樹脂基體的熱性能差異會影響熱影響區(qū)（Heat Affected Zone， HAZ）的大小。大量研究介紹了AFRP 在連續(xù)激光以及納秒激光作用下的制孔質(zhì)量影響因素以及影響因素的作用機(jī)理和規(guī)律，但采用連續(xù)激光以及納秒脈沖激光對AFRP 進(jìn)行制孔加工時(shí)仍然會產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)。

相對而言，超快激光加工在抑制熱擴(kuò)散方面表現(xiàn)優(yōu)異，具有“冷加工”效果［27］。本研究采用飛秒激光器對AFRP 試件進(jìn)行制孔加工和正交矩陣試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以研究激光工藝參數(shù)對加工后圓孔出入口表面的HAZ 和幾何精度的影響，并進(jìn)一步對比激光加工與機(jī)械加工后AFRP 的拉伸強(qiáng)度，為AFRP 的飛秒激光制孔加工提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣品為熱固性芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，牌號為Kevlar-29，樣品厚度為2 mm。環(huán)氧樹脂體積分?jǐn)?shù)為42%，芳綸纖維體積分?jǐn)?shù)為58%。芳綸纖維以及環(huán)氧樹脂的熱學(xué)性能參數(shù)（密度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)、分解溫度、拉伸強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度）如表1 所示。

表1 Kevlar-29 基板的性能參數(shù)Table 1 Properties of Kevlar-29 substrate

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)用飛秒激光器為安揚(yáng)飛秒FemtoYL-50 型激光器，激光束為高斯脈沖模式，激光功率為55 W，波長為1 030 nm，脈寬為480 fs，最高重頻為1 000 kHz，焦距為100 mm，聚焦光斑直徑為21 μm。試驗(yàn)用激光加工系統(tǒng)由激光器光源、光束傳輸光路、掃描頭、掃描振鏡和三維運(yùn)動控制平臺組成。整個(gè)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1 所示。試驗(yàn)時(shí)，將AFRP 固定在X-Y移動工作平臺上。激光束通過反射鏡M1入射到擴(kuò)束鏡以及光偏振調(diào)節(jié)器，再通過反射鏡M2和M3反射到MY、MX和MZ三個(gè)反射鏡上，最后進(jìn)入掃描振鏡，通過振鏡的激光束聚焦在AFRP 的上表面位置，完成指定的掃描動作實(shí)現(xiàn)材料加工。其中反射鏡MY、MX和MZ處于同一平面上組成飛行光路，MX與MY在同一水平位置，MZ與MX在同一豎直位置，確保傳輸光路能在Z方向上自由調(diào)節(jié)位置。

為研究飛秒激光器制孔加工中激光參數(shù)與制孔表面HAZ 大小的關(guān)系，以激光功率、掃描速度和重復(fù)頻率為自變量進(jìn)行制孔試驗(yàn)，制取直徑為6 mm 的系列圓孔。試驗(yàn)中，激光焦平面位于AFRP 板材厚度一半處（距上表面1 mm 深處）。在飛秒激光鉆孔完成后，進(jìn)一步對比研究激光加工與機(jī)械制孔方式對AFRP 拉伸性能的影響。其中，AFRP 樣件的機(jī)械加工采用HURCO-VMX42 三軸立式加工中心進(jìn)行。制孔孔徑以出口處測量所得直徑為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，參照ASTMD5766 進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測試。進(jìn)行拉伸試驗(yàn)前，用砂紙對AFRP 各邊緣進(jìn)行打磨，以排除工件側(cè)邊缺陷影響試驗(yàn)結(jié)果，準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)采用德國Zwick/RoellZ100 型電子萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，拉伸強(qiáng)度檢測過程中，設(shè)備以0.5 mm/min 的速度緩慢拉伸，激光加工樣本與機(jī)械加工樣本皆進(jìn)行5 次重復(fù)試驗(yàn)，取平均拉伸強(qiáng)度用于對比分析。飛秒激光鉆孔試驗(yàn)中，激光加工參數(shù)為掃描速度1 050 mm/s，重復(fù)頻率200 kHz，激光功率5 W；機(jī)械制孔參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min，進(jìn)給速度0.06 mm/r。

1.3 加工樣件的表面形貌及錐度表征

經(jīng)過激光制孔加工后的AFRP，需要觀測圓孔邊緣HAZ 表面宏、微觀形貌，分析圓孔的精度與錐度。加工樣品觀測所采用的設(shè)備有日本KEYENCE 公司生產(chǎn)的共聚焦顯微鏡與超景深顯微鏡，型號分別為VKX200 與VHK-5000。由Nikon 公司生產(chǎn)，型號為Ci-L 的透反偏光顯微鏡。HAZ 表面評價(jià)方式如圖2，虛線部分內(nèi)為HAZ 范圍，取虛線部分的外接圓與孔徑輪廓的間距作為表面HAZ 的尺寸。

圖2 飛秒激光鉆孔邊緣的HAZ 示意圖Fig.2 Heat affected zone along the edge of the femtosecond laser drilled hole

在激光制孔過程中，材料上通孔出入口燒蝕的差異會導(dǎo)致錐度產(chǎn)生。為確保精密加工的要求，通孔需要保持低錐度的狀態(tài)。AFRP 制孔加工后錐度示意如圖3，錐度計(jì)算公式為

圖3 AFRP 制孔加工后錐度示意圖Fig.3 The taper diagram of AFRP after laser drilling

式中，θ為圓孔錐度；WI為入口處圓孔直徑；WO為出口處圓孔直徑；L為材料厚度。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 掃描策略優(yōu)化

對于厚度較大的板材，由于聚焦光斑較小，采用單線掃描劃圓的方式，容易造成無法切透的現(xiàn)象。因此，必須適當(dāng)增加掃描區(qū)域的寬度。在本研究過程中，不同掃描方式對制孔質(zhì)量也會產(chǎn)生一定的影響，因此需要研究掃描路徑對制孔質(zhì)量的影響。主要對比了環(huán)形填充和十字填充方式，其填充方式填充效果如圖4所示，十字填充方式的掃描路徑為縱橫交錯(cuò)網(wǎng)格，環(huán)形填充則是多環(huán)疊加制孔。

圖4 AFRP 制孔加工光束掃描方式示意圖Fig.4 Schematic of laser scanning trajectories of AFRP drilling

采用圖4 中兩種掃描方式，基于同一激光功率和掃描速度，對試件進(jìn)行了制孔測試，重點(diǎn)觀察了切割邊緣質(zhì)量，特別是不同纖維方向上的激光刻蝕效果；此外，對制孔耗費(fèi)時(shí)間也進(jìn)行了對比。由圖5 可以看出環(huán)形填充與十字填充都會產(chǎn)生熱影響，對比圖5（a）與（c），以及圖5（b）與（d）可以看出采用十字填充方式加工出來的通孔上下表面的缺陷比環(huán)形填充加工出來的通孔上下表面的熱影響要嚴(yán)重。這是由于采用該掃描方式，更容易造成熱沿著纖維方向傳導(dǎo)，從而影響到基體材料。對比兩種掃描方式制孔出口，發(fā)現(xiàn)十字掃描出口處邊沿具有較大缺陷以及毛刺。另外，從效率上分析，采用十字填充方式制孔耗時(shí)3 min，而環(huán)形填充方式只需要2 min，表明環(huán)形填充方式比十字填充方式效率高。因此，環(huán)形填充加工方式優(yōu)于十字填充方式，在后續(xù)的試驗(yàn)中，也均采用此種掃描方式進(jìn)行制孔研究。

圖5 AFRP 制孔加工不同光束掃描方式加工效果Fig.5 Machining results with different laser scanning trajectories of AFRP drilling

2.2 激光參數(shù)對HAZ 表面形貌及加工質(zhì)量的影響

在復(fù)合材料的激光制孔加工過程中，每個(gè)激光脈沖都會對作用區(qū)域的物質(zhì)產(chǎn)生燒蝕，材料被去除的同時(shí)會將大量的熱量帶走。由于激光光束在空間上呈高斯分布，因此激光作用在材料表面的能量密度不是完全均勻的。能量密度低的區(qū)域不足以使材料發(fā)生燒蝕，激光作用在材料上的能量會以熱量的形式積累在材料中產(chǎn)生熱影響區(qū)，降低圓孔周邊的表面質(zhì)量。理論上，飛秒脈沖激光由于超短的脈寬可避免熱損傷，實(shí)現(xiàn)冷加工，然而，芳綸纖維熱導(dǎo)率較低，熱量不能及時(shí)發(fā)散，而是集中在芳綸纖維周圍，產(chǎn)生熱量的累積，去除周圍環(huán)氧樹脂或碳化纖維，損傷材料表面，形成HAZ。

為探究激光功率與重復(fù)頻率對HAZ 表面質(zhì)量的影響，將掃描速度取為1 050 mm/s 進(jìn)行激光功率和重復(fù)頻率的正交矩陣試驗(yàn)。不同激光功率以及重復(fù)頻率的表面形貌如圖6 所示。從圖6（a）中可以看出，激光功率以及重復(fù)頻率的增加會導(dǎo)致HAZ 在整體上逐漸變大的趨勢。當(dāng)重復(fù)頻率足夠大時(shí)，AFRP 表面甚至出現(xiàn)了大面積的燒焦和碳化，且AFRP 未被切穿。通孔無法形成的現(xiàn)象僅出現(xiàn)在低功率以及高重復(fù)頻率處，在這些激光參數(shù)下，同時(shí)還出現(xiàn)大面積未掃描處發(fā)生嚴(yán)重?zé)购吞蓟?、表面質(zhì)量被嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象，此時(shí)激光單脈沖能量較小，以至于材料去除效率低，激光能量主要轉(zhuǎn)化為熱量，積累在材料中并大面積損傷材料表面。

圖6 不同重復(fù)頻率與激光功率的制孔表面形貌Fig.6 Surface morphology of holes at various repetition rates and laser power

圖7 給出了飛秒激光鉆孔后，孔的入口與出口處HAZ 尺寸。從中可以清楚地看到，重復(fù)頻率與激光功率的增加在整體上會導(dǎo)致HAZ 的增大。當(dāng)飛秒激光重復(fù)頻率為200 kHz，激光功率為5 W 時(shí)，制孔效果較好。經(jīng)測量比較發(fā)現(xiàn)，此時(shí)樣本表面HAZ 最小。該樣本對應(yīng)的單脈沖能量能有效切斷纖維，產(chǎn)生熱量較少，更加適合材料去除。單脈沖能量過低時(shí)，激光對AFRP 無法進(jìn)行有效切割，產(chǎn)生嚴(yán)重的熱效應(yīng)，導(dǎo)致材料無法被切穿。反之，當(dāng)單脈沖能量過高時(shí)，激光會對材料造成熱損傷。例如，對比圖6 中8 W@1 000 kHz 與7 W@1 000 kHz 處樣本會發(fā)現(xiàn)，8 W@1 000 kHz 的激光參數(shù)下孔洞表面熱損傷更嚴(yán)重，說明在該激光參數(shù)下的單脈沖能量過高?？梢酝茢喑龉潭l率下存在最優(yōu)加工功率使材料表面HAZ 最小，且該功率的值與該頻率存在對應(yīng)關(guān)系，而在超過最優(yōu)加工功率后繼續(xù)增大激光功率會使HAZ 變大，損傷表面。

圖7 不同重復(fù)頻率與激光功率下HAZ 尺寸變化折線Fig.7 The trendline of HAZ under different repetition rates and laser power

此外，由圖7 可以看出材料表面鉆孔入口和孔出口表面的HAZ 大小差距不大，說明在試驗(yàn)中參數(shù)的調(diào)整范圍內(nèi)，不同激光功率與重復(fù)頻率對孔入口和孔出口的影響并無明顯差距。同時(shí)也可以更直觀地看出，隨著重復(fù)頻率的增大，表面HAZ 也變大。這是因?yàn)橹貜?fù)頻率的增大使相同時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)增多，材料中產(chǎn)生更明顯的熱累積。在功率不變的情況下，重復(fù)頻率的增加伴隨著單脈沖能量的減少，在圓孔邊緣的區(qū)域不能充分燒蝕材料，激光能量以熱能的形式傳給了AFRP，導(dǎo)致AFRP 去除不完全，同時(shí)熱量殘留在材料中并在短時(shí)間內(nèi)積累，進(jìn)而造成內(nèi)部樹脂基體熱損傷范圍變大，最終導(dǎo)致HAZ 以及表面損傷范圍增大。對比圖7 中4 W@200 kHz 和8 W@500 kHz 處的HAZ 可以看出，即使保證單脈沖能量相近，高重復(fù)頻率處仍會出現(xiàn)更大的HAZ。此時(shí)，HAZ 的增大主要是由于熱累積效應(yīng)的增強(qiáng)。

為進(jìn)一步分析單脈沖能量以及熱累積對HAZ 的影響程度，將6 W@200 kHz 作為參照樣本，對比4 W@200 kHz、9 W@300 kHz 以及6 W@300 kHz 處的HAZ。此三個(gè)樣本分別對應(yīng)了調(diào)整單脈沖能量、熱累積以及同時(shí)調(diào)整兩者時(shí)飛秒激光鉆孔結(jié)果。圖7 中看出，僅單一改變單脈沖能量或熱累積，即激光參數(shù)分別為4 W@200 kHz 和9 W@300 kHz 時(shí)，對應(yīng)材料表面HAZ 與參照樣本HAZ 的差值大小相近，同時(shí)，功率為6 W，重復(fù)頻率從200 kHz 增加到300 kHz 時(shí)，HAZ 變化不大，此時(shí)表面HAZ 的變化是單脈沖能量與熱累積對HAZ 的影響相互抵消產(chǎn)生的結(jié)果，說明單脈沖能量與熱累積對HAZ 的影響程度接近。因此，在足以有效燒蝕材料的單脈沖能量下，為獲得HAZ 較小且孔周圍表面質(zhì)量較高的通孔，加工需要較小的激光功率以及重復(fù)頻率。

對重復(fù)頻率和功率的研究表明，當(dāng)重復(fù)頻率為200 kHz 時(shí)，表面HAZ 最小，因此將重復(fù)頻率固定為200 kHz，適當(dāng)縮小功率變化范圍，選用激光功率從4 W 至6 W 以及掃描速度從525 mm/s 至5 250 mm/s 進(jìn)行正交試驗(yàn)，以分析掃描速度對HAZ 的影響。制孔表面形貌如圖8 所示?？梢钥闯?，掃描速度的增加使圓孔表面HAZ 的整體趨勢為逐漸變小，這是由于掃描速度的增大使相鄰脈沖的搭接率變小，脈沖之間空間間隔的增大同樣會導(dǎo)致AFRP 加工過程中熱累積變小，進(jìn)而使表面HAZ 更小，有效減小表面損傷。然而，掃描速度的增大導(dǎo)致激光作用在AFRP 上單位區(qū)域內(nèi)能量減少，則單位時(shí)間內(nèi)AFRP 的去除體積隨之減少，導(dǎo)致制孔加工效率降低。因此，最終確定5 W@200 kHz 作為后續(xù)激光制孔的最優(yōu)參數(shù)。在該參數(shù)組合情況下，制孔樣件上表面邊緣掃描電鏡結(jié)果如圖9 所示：可以看出白色區(qū)域（HAZ）約20 μm 左右，同時(shí)也可以看到上表面有零星樹脂殘留物，呈白色絮狀，由被激光高能量沖擊起來然后掉落材料的上表面所致，不影響制孔效果。

圖8 不同激光功率與掃描速率的制孔表面形貌Fig.8 Surface morphology of holes under different laser powers and scanning velocities

圖9 在200 kHz，5 W 參數(shù)條件下加工下孔徑上表面掃描式電子顯微鏡圖Fig.9 Scanning electron microscope image of hole edge of the laser drilled sample at 5 W@200 kHz

2.3 激光參數(shù)對圓孔精度、錐度以及孔壁表面影響

通過檢測激光制孔加工所產(chǎn)生通孔的尺寸精度與錐度，可以有效評價(jià)鉆孔的加工質(zhì)量。圖10 展示了采用激光加工AFRP 時(shí)，在不同的重復(fù)頻率下，隨著功率的增加，AFRP 孔入口和孔出口直徑的變化規(guī)律。試驗(yàn)中掃描速度始終為1 050 mm/s?？梢悦黠@看出，加工參數(shù)顯著影響制孔精度，孔出口直徑大小隨著功率的增大而增加。當(dāng)重復(fù)頻率在100～300 kHz 時(shí)，沒有出現(xiàn)無法產(chǎn)生通孔的情況；而當(dāng)重復(fù)頻率被調(diào)至500 kHz 和1 000 kHz 時(shí)，出現(xiàn)通孔未產(chǎn)生的現(xiàn)象。當(dāng)重復(fù)頻率為500 kHz，功率僅為4 W 時(shí)，無法在芳綸纖維復(fù)合AFRP 上加工出通孔，這說明在此重復(fù)頻率下，單脈沖能量為8 μJ 時(shí)，無法在AFRP 上完成通孔的加工。在重復(fù)頻率為500 kHz 和1 000 kHz 出現(xiàn)制孔失敗的原因是單脈沖能量過低，無法對AFRP 進(jìn)行有效燒蝕去除，同時(shí)，較低的單脈沖能量使AFRP 表面產(chǎn)生更多熱效應(yīng)。在AFRP 上加工出完好的通孔的重點(diǎn)在于選擇合適的單脈沖能量進(jìn)行加工。對比在100 kHz、200 kHz、300 kHz 重復(fù)頻率下，孔入口的直徑變化不大，皆在6.00 mm 左右。然而，出口處的直徑相對于入口處的直徑有更大的變化。在重復(fù)頻率為100 kHz 的情況下，出口處直徑的變化為5.25 mm，而200 kHz 和300 kHz 出口處的直徑變化分別為5.20 mm 和4.91 mm，在100 kHz 的頻率下，出口處直徑的均值要比其他頻率下出口處直徑要大。功率為9 W 時(shí)，出口處的直徑最接近6.00 mm，為5.49 mm。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在相同的功率下，不同的重復(fù)頻率所對應(yīng)的單脈沖能量大小不同，相較于其他頻率，當(dāng)重復(fù)頻率為100 kHz 時(shí)，激光的單脈沖能量比其他頻率下相同功率的單脈沖能量高，以至于有更多的單脈沖能量對AFRP 進(jìn)行去除，從而導(dǎo)致該重復(fù)頻率下，出口處的直徑要比其他頻率出口處的直徑大，但相較于重復(fù)頻率為200 kHz 的樣本，重復(fù)頻率100 kHz 的樣本表面HAZ 更大。

圖10 不同重復(fù)頻率下圓孔的直徑統(tǒng)計(jì)Fig.10 Diameters of hole at different repetition rates

激光束作用在AFRP 上會產(chǎn)生等離子體，然后轉(zhuǎn)化為納米及微米量級的顆粒，并大量聚集在孔的表面以及內(nèi)壁，以至于激光到達(dá)圓孔出口前會受到等離子體屏蔽，沿深度方向逐漸衰減［28-30］。這一現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致激光作用在出口處的能量更少，AFRP 燒蝕區(qū)域更小，入口處與出口處孔徑的不同導(dǎo)致了錐度的產(chǎn)生。圖11 是在不同激光功率與不同重復(fù)頻率下進(jìn)行加工的錐度變化折線圖，可以看出總體的錐度值的趨勢是隨激光功率增大而變低，這是由于較小的激光功率下，能量沿深度方向會逐漸衰減，當(dāng)激光到達(dá)孔出口，激光所攜帶的能量不足以對足夠大的區(qū)域進(jìn)行燒蝕，以至于孔出口尺寸比孔入口小，產(chǎn)生較大的錐度。當(dāng)激光功率逐漸變大時(shí)，由于激光作用區(qū)域固定，入口處燒蝕輪廓尺寸早已接近或達(dá)到期望燒蝕面積，則入口圓孔尺寸偏差不明顯，從圖10 中可以看出這一現(xiàn)象。而出口處由于激光燒蝕不充分，燒蝕孔徑與期望孔徑存在較大差距，隨著功率增大，這一差距逐漸減小。從圖10 中可以發(fā)現(xiàn)增大的激光功率會使出口處燒蝕面積明顯增大，表現(xiàn)為出口處燒蝕輪廓尺寸增大，以至于孔出口相較于孔入口，燒蝕面積的增加率更高，進(jìn)而使錐度降低。

在圖11 中還能發(fā)現(xiàn)，隨著重復(fù)頻率的增大，圓孔的錐度也增加。主要原因是，重復(fù)頻率的增加使激光單脈沖能量密度降低，以至于單脈沖沿深度方向的燒蝕穿透能力減小，從圖10 中可以看到，激光入口的燒蝕比較充分，基本不變，而對出口處的燒蝕量減少，表現(xiàn)為孔出口尺寸減小，導(dǎo)致錐度增大。在本試驗(yàn)中，重復(fù)頻率為200 kHz、激光功率達(dá)到9 W 時(shí)，圓孔錐度取得最小值6.99°。在保證制孔質(zhì)量的情況下，獲得的最小錐度值為14.10°，此時(shí)重復(fù)頻率為200 kHz，激光功率為5 W。

圖11 不同激光功率與重復(fù)頻率下錐度值變化Fig.11 Change of taper angles at different powers and repetition rates

飛秒激光制孔過程中，孔壁的質(zhì)量也可能會對其機(jī)械性能產(chǎn)生影響。本研究中采用超景深顯微鏡對孔壁表面形貌進(jìn)行了觀測，如圖12 所示?？梢钥闯觯S著激光功率的增加，圓孔內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的碳化現(xiàn)象逐步增加。在1 000 kHz 的重復(fù)頻率下，功率的增加使材料成功穿孔，進(jìn)一步增加功率又使圓孔內(nèi)壁發(fā)生嚴(yán)重碳化，主要原因是激光功率在4 W 至6 W 時(shí)的單脈沖能量過低，不足以完全去除AFRP，而7 W 時(shí)的能量適宜，8 W 及9 W 時(shí)單脈沖能量過高，內(nèi)壁表面出現(xiàn)明顯碳化區(qū)域。在500 kHz 的重復(fù)頻率下，激光功率增加到9 W 時(shí)孔壁出現(xiàn)層間裂紋，說明熱影響甚至?xí)?dǎo)致層間粘附力下降，形成分層。激光功率為9 W 時(shí)，縱向?qū)Ρ葓A孔內(nèi)壁形貌可以發(fā)現(xiàn)，重復(fù)頻率從1 000 kHz 降低到500 kHz 時(shí)，碳化區(qū)域明顯減小，幾乎觀察不到，這是由于重復(fù)頻率的減小同樣減小了熱累積。當(dāng)重復(fù)頻率進(jìn)一步降低到100 kHz 時(shí)，單脈沖能量過大，孔壁內(nèi)部發(fā)生樹脂材料析出并熔融，出現(xiàn)圓孔內(nèi)壁纖維分層模糊現(xiàn)象。

圖12 100 倍顯微鏡下AFRP 制孔加工后的孔壁形貌Fig.12 Hole wall morphology of AFRP after drilling with 100× magnification.

2.4 樣件制孔后拉伸強(qiáng)度分析

考慮到AFRP 加工工藝的工程應(yīng)用，除對AFRP 進(jìn)行幾何精度分析外，還須確保AFRP 力學(xué)性能。因此，通過與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式進(jìn)行對比，分析飛秒激光加工后AFRP 的拉伸強(qiáng)度。激光制孔與機(jī)械制孔參數(shù)參照2.2 節(jié)執(zhí)行。拉伸試驗(yàn)后的斷口形貌如圖13 所示。

圖13 制孔加工后AFRP 拉斷形貌Fig.13 Tensile fracture morphology of AFRP after drilling

從圖13 的拉伸斷口形貌來看，機(jī)械加工產(chǎn)生的毛刺嚴(yán)重。由于AFRP 表層附近的環(huán)氧樹脂基體對芳綸纖維的束縛作用較弱，在機(jī)械制孔過程中，當(dāng)?shù)毒咦饔糜诓牧媳韺硬Σ牧鲜┘右欢ǖ那邢髁r(shí)，部分芳綸纖維會從基體中抽離，而被抽離出的纖維則會被刀具切斷或者拉斷。直到纖維斷裂，其在被抽離的過程中同時(shí)會帶動附近的基體，破壞材料穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使刀具附近的基體對纖維束縛力降低，造成更深處的纖維抽離。而激光加工主要為燒蝕去除，不存在大量纖維拔出，可以看出激光加工時(shí)，切口平整，拉伸側(cè)面相比于機(jī)械纖維束拉絲較少。

根據(jù)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制出機(jī)械加工拉伸應(yīng)力變化以及激光加工拉伸應(yīng)力變化，如圖14 所示?？梢钥闯鲭S著延伸率的變化，雖然激光制孔樣本的拉伸曲線發(fā)散程度略大，但總體而言機(jī)械加工拉伸應(yīng)力變化與激光加工拉伸應(yīng)力變化趨于一致。此外，觀察圖14 中虛線框內(nèi)各樣本拉伸應(yīng)力曲線終點(diǎn)對應(yīng)的斷裂值，即各樣本拉伸極限應(yīng)力，可以看出機(jī)械制孔樣本的極限應(yīng)力相較于激光制孔樣本波動幅度更大。圖15 中的標(biāo)準(zhǔn)差能更直觀地顯示出機(jī)械制孔的抗拉強(qiáng)度測試誤差波動比激光加工大一些，說明在批量加工的情況下，激光制孔后AFRP 的拉伸強(qiáng)度更為穩(wěn)定。由圖15 還可以看出機(jī)械加工后材料的平均拉伸強(qiáng)度略高于激光加工后的材料，其中機(jī)械加工后樣本強(qiáng)度為332.2 MPa，而激光加工后強(qiáng)度為317.5 MPa。兩數(shù)值之間的少量差異可能是由于激光作用下的材料制孔邊緣處發(fā)生焦化和碳化，使纖維和基體發(fā)生收縮，收縮過程中的應(yīng)力影響AFRP，導(dǎo)致其拉伸強(qiáng)度減小并略低于機(jī)械加工［31］。

圖14 制孔加工后AFRP 拉伸應(yīng)力—延伸率曲線Fig.14 Tensile stress-elongation curve of AFRP after drilling

圖15 激光制孔和機(jī)械制孔后AFRP 的靜態(tài)拉伸極限應(yīng)力對比Fig.15 Comparison of static tensile stress of AFRP between laser drilling and mechanical drilling

3 結(jié)論

本研究通過更改激光制孔加工參數(shù)，對AFRP 試件進(jìn)行了飛秒激光制孔試驗(yàn)。需選取合適的激光參數(shù)，可以使飛秒激光對芳綸纖維復(fù)合材料進(jìn)行高質(zhì)量的制孔加工，有效減小制孔質(zhì)量缺陷，滿足各領(lǐng)域精度和強(qiáng)度要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）芳綸纖維復(fù)合材料的飛秒激光制孔加工中，激光功率、重復(fù)頻率和掃描速度都會對加工孔壁HAZ 的表面和加工質(zhì)量產(chǎn)生影響。掃描速度的減小會導(dǎo)致HAZ 明顯變大，加工過程中，在足以產(chǎn)生燒蝕的單脈沖能量下應(yīng)盡量選用小功率與低重復(fù)頻率，以減小熱累積的影響。研究發(fā)現(xiàn)，AFRP 在激光功率為5 W，掃描速度為1 050 mm/s，重復(fù)頻率為200 kHz 的加工參數(shù)下能得到最優(yōu)表面HAZ。這一參數(shù)可為芳綸纖維復(fù)合材料的飛秒激光制孔加工提供參考。

2）對比激光制孔加工與傳統(tǒng)機(jī)械制孔加工后的AFRP 拉伸強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)機(jī)械制孔，激光制孔拉伸強(qiáng)度略低，但激光制孔后的AFRP 拉伸斷口與通孔內(nèi)壁表面形貌更優(yōu)，拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差較小，表現(xiàn)會更穩(wěn)定一些。