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隨著能源及環(huán)境問題的日益突出，輕量化成為交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要研究方向。碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)是由碳纖維作為增強(qiáng)體、樹脂作為基體固化成形的先進(jìn)復(fù)合材料，因其比強(qiáng)度高、耐高溫、抗腐蝕等特點(diǎn)，在航空航天、汽車等領(lǐng)域作為輕量化材料被大量使用。由于CFRP增強(qiáng)體與基體性能的差異以及CFRP材料硬度高、韌性強(qiáng)等特性，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式出現(xiàn)如刀具易磨損、復(fù)合材料分層、纖維破碎及加工后性能變差等問題，嚴(yán)重制約CFRP的應(yīng)用，CFRP的激光加工已成為目前研究的熱點(diǎn)。

由于CFRP中增強(qiáng)體在熱膨脹系數(shù)、氣化溫度等熱力學(xué)性能方面與基體存在相當(dāng)大差異，在激光切割中表現(xiàn)出熱影響區(qū)(heat affected zone, HAZ)、纖維拔出、復(fù)合材料分層、纖維末端膨脹等缺陷，導(dǎo)致激光切割CFRP面臨巨大挑戰(zhàn)，在激光加工過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)嚴(yán)重影響CFRP的靜態(tài)強(qiáng)度。針對(duì)CFRP材料激光加工過程中的熱損傷問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。LAU等人使用Nd:YAG激光光源與CO2激光光源分別對(duì)CFRP進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，短波長(zhǎng)的Nd:YAG激光切割產(chǎn)生的切縫窄、熱損傷小。FENOUGHTY等人比較了Nd:YAG脈沖激光與連續(xù)激光對(duì)CFRP切割的影響，實(shí)驗(yàn)表明，脈沖激光由于在相鄰脈沖作用時(shí)間間隔里能讓材料進(jìn)行冷卻，相對(duì)連續(xù)激光可有效減少熱損傷。ZHANG等人研究了激光輻射過程中兩種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)激光的吸收特性，得到了激光參量對(duì)材料吸收率的影響。HUA等人利用單因素變量實(shí)驗(yàn)方法，研究了毫秒脈沖激光工藝參量和水下切割方法對(duì)切割質(zhì)量的影響，實(shí)驗(yàn)表明:合理的工藝參量以及水下切割可有效減小纖維拔出等缺陷。NEGARESTANI等人研究了Nd:YAG脈沖激光切割CFRP過程中混合氣體對(duì)切割質(zhì)量的影響。LEONE等人研究了Nd:YAG激光參量對(duì)CFRP材料切割質(zhì)量的影響。STOCK等人的研究表明，激光能量進(jìn)行多次施加可有效減小激光切割CFRP材料熱損傷效應(yīng)。GOEKE等人研究了激光參量對(duì)CFRP材料切割熱影響區(qū)和切縫寬度的影響。SONG研究了激光切割參量對(duì)CFRP切割表面質(zhì)量的影響，并對(duì)激光切割過程產(chǎn)生的熱影響區(qū)進(jìn)行分析。WEBER等人模擬分析了工藝參量對(duì)熱損傷的影響。

本文中利用皮秒脈沖激光對(duì)CFRP進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn)，研究了工藝參量對(duì)CFRP去除過程中熱影響區(qū)及掃描深度的影響，得到優(yōu)的工藝參量，在此基礎(chǔ)上對(duì)1.5mm厚CFRP板進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。通過優(yōu)化切割參量來提高切割質(zhì)量，從而為皮秒激光切割CFRP學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用提供參考。

1.   實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

1.1   實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用的切割系統(tǒng)如圖 1所示。系統(tǒng)采用EdgeWavePX200-2-GM型皮秒激光器，通過3維掃描振鏡實(shí)現(xiàn)z方向動(dòng)態(tài)聚焦，使用空氣作為輔助氣體，并通過氣刀作用于工件表面，氣體壓力為0.8MPa，實(shí)驗(yàn)采用超景深3維顯微鏡觀測(cè)掃描深度和熱影響區(qū)。

Figure 1.  Scheme of cutting system

切割系統(tǒng)使用的激光波長(zhǎng)為1064nm，脈寬為10ps，平均功率為100W，重復(fù)頻率為0.4MHz~20MHz，通過3維掃描振鏡聚焦后光斑直徑為50μm，振鏡高掃描速率為20m/s。切割系統(tǒng)具體參量如表 1所示。

Table 1.  Processing parameters

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1.2   實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中采用碳纖維復(fù)合材料，其增強(qiáng)體為碳纖維T300，基體為環(huán)氧樹脂，各占50%，屬正交層合板(碳纖維鋪層的鋪設(shè)方向?yàn)?/span>0°和90°)，板厚為1.5mm，材料組成成分及熱力學(xué)性能如表 2所示。

Table 2.  Thermal and physical properties of the CFRP composite

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1.3   實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)方法如圖 2所示。將1.5mm厚CFRP板置于激光焦平面上，分別研究平均功率、掃描速率、重復(fù)頻率、掃描次數(shù)對(duì)熱影響區(qū)及掃描深度的影響。為了更加均勻地去除整個(gè)碳纖維復(fù)合材料和提高去除效率，對(duì)軌跡進(jìn)行多次循環(huán)掃描，并通過動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)補(bǔ)償。在切割中為了避免切縫過窄造成的遮蔽效應(yīng)，掃描若干條間距為Δd的平行軌跡來增加切縫寬度，最終實(shí)現(xiàn)1.5mm厚CFRP切割。

Figure 2.  Illustration of scanning strategy

2.   實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

激光功率為60W、重復(fù)頻率為0.4MHz、掃描速率為4m/s時(shí)，CFRP表面產(chǎn)生的熱影響區(qū)如圖 3所示。從圖中可以看出，在切割過程中環(huán)氧樹脂基體材料回縮，而表層碳纖維增強(qiáng)體并未被去除而裸露出來形成熱影響區(qū)。這是因?yàn)榄h(huán)氧樹脂氣化溫度為700K，而碳纖維T300的氣化溫度為4000K，所以當(dāng)激光能量不足夠使碳纖維氣化而僅僅只能使環(huán)氧樹脂氣化時(shí)，氣化的環(huán)氧樹脂被輔助氣體吹除，碳纖維保留在切縫兩側(cè)裸露出來形成熱影響區(qū)。

Figure 3.  Microscopy of the ablated region

2.1   工藝參量對(duì)熱影響區(qū)的影響

2.1.1   纖維排布方向?qū)嵊绊憛^(qū)的影響

在激光功率為60W、重復(fù)頻率為0.4MHz、掃描速率為1m/s時(shí)，CFRP表面熱影響區(qū)如圖 4所示。從圖中可以看出，CFRP表層纖維的排布方式對(duì)熱影區(qū)有顯著影響，當(dāng)掃描方向與表層纖維排布方向垂直時(shí)，熱影響區(qū)達(dá)70μm；當(dāng)掃描方向與纖維排布方向一致時(shí)，材料表面幾乎沒有熱影區(qū)。主要是因?yàn)樘祭w維的熱傳導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)率，未能達(dá)到CFRP燒蝕閾值處的脈沖能量沿著碳纖維方向傳播，所以當(dāng)掃描方向與表層纖維排布方向一致時(shí)，沿著掃描方向傳播的能量與下一個(gè)脈沖能量共同用于去除CFRP材料，掃描深度也更大，對(duì)切縫兩側(cè)造成熱影響區(qū)較??；而當(dāng)掃描方向與表層纖維排布方向垂直時(shí)，能量沿著掃描垂直方向傳播，切縫兩側(cè)熱量累積，對(duì)CFRP造成熱損傷，導(dǎo)致嚴(yán)重的熱影響區(qū)。

Figure 4.  Effect of fiber orientation on heat affected zone

2.1.2   平均功率對(duì)熱影響區(qū)的影響

圖 5是當(dāng)重復(fù)頻率為0.4MHz、掃描速率為10m/s時(shí)，平均功率與熱影響區(qū)的關(guān)系。由圖 5可以看出，當(dāng)平均功率增加時(shí)，熱影響區(qū)逐漸減小，隨著平均功率的繼續(xù)增加，熱影響區(qū)逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。由于在重復(fù)頻率、掃描速率不變時(shí)，隨著平均功率的增加，單脈沖能量也增大，達(dá)到材料燒蝕閾值的能量也更多，激光脈沖能量更有效地用于CFRP的去除，有利于提高單脈沖能量的利用率，使得熱損傷相應(yīng)的減小，從而熱影響區(qū)減小。然而，當(dāng)功率過高時(shí)，去除材料后剩余的能量也越多，導(dǎo)致能量的積累越多，使得熱損傷相應(yīng)的增加，從而熱影響區(qū)增大。由圖 5可知，當(dāng)平均功率為60W時(shí)，此時(shí)熱影響區(qū)小，約為5μm。

Figure 5.  Effect of average power on heat affected zone

2.1.3   重復(fù)頻率對(duì)熱影響區(qū)的影響

圖 6是平均功率為60W、掃描速率為10m/s時(shí)，重復(fù)頻率與熱影響區(qū)的關(guān)系。在圖 6中，重復(fù)頻率為0.4MHz~5MHz時(shí)熱影響區(qū)與重復(fù)頻率幾乎成正比關(guān)系，隨著重復(fù)頻率的繼續(xù)增加，熱影響區(qū)增大并趨于平穩(wěn)。主要是因?yàn)樵谄骄β?、掃描速率不變時(shí)，隨著頻率增加，單脈沖能量減少，達(dá)到燒蝕閾值的能量也減少，所以脈沖能量用于CFRP的去除效率更低，使得熱損傷增大；另外，隨著頻率的增加，相鄰脈沖的時(shí)間越短，積累的熱量也越多，使得熱損傷相應(yīng)的增加，從而熱影響區(qū)增大。

Figure 6.  Effect of repetition rate on heat affected zone

2.1.4   掃描速率對(duì)熱影響區(qū)的影響

圖 7是在平均功率為60W、重復(fù)頻率為0.4MHz時(shí)，掃描速度與熱影響區(qū)的關(guān)系。為了更好地比較掃描速率對(duì)CFRP熱影響區(qū)的影響，實(shí)驗(yàn)通過設(shè)置不同掃描速率下掃描次數(shù)與速率成正比來保證相同的能量輸入。由圖 7可知，隨著掃描速率的增大，熱影響區(qū)減小，當(dāng)掃描速率大于10m/s時(shí)，隨著掃描速率的繼續(xù)增大，熱影響區(qū)保持在20μm左右。這主要是因?yàn)樵趻呙杷俾瘦^低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)獲得的能量大，在掃描過程中累積熱量多，導(dǎo)致嚴(yán)重的熱損傷，表現(xiàn)出熱影響區(qū)；而當(dāng)掃描速率過大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)獲得的能量小，能量對(duì)碳纖維材料去除效率低，使得熱損傷增大，導(dǎo)致熱影響區(qū)略有增大。由圖 7可知，當(dāng)掃描速率為10m/s時(shí)，此時(shí)熱影響區(qū)小。

Figure 7.  Effect of scanning speed on heat affected zone

基于以上優(yōu)化的工藝參量，在激光功率為60W、重復(fù)頻率為0.4MHz、掃描速率為10m/s時(shí)，CFRP邊緣表面的形貌如圖 8所示。由圖可以看出，邊緣表面熱影響區(qū)非常小。

Figure 8.  Microscopy of the edge of CFRP

2.2   循環(huán)掃描次數(shù)對(duì)材料去除的影響

為了得到合適掃描深度，探究了循環(huán)掃描次數(shù)對(duì)掃描深度的影響規(guī)律，在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇合適的工藝參量：平均功率60W、重復(fù)頻率0.4MHz、掃描速率10m/s，選取循環(huán)掃描次數(shù)分別為3, 5, 10, 20, 50, 100進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過超景深3維顯微鏡來測(cè)量其掃描深度和寬度。圖 9為掃描次數(shù)為20時(shí)切縫微觀形貌的分層設(shè)色圖。圖中顏色由灰色向黑色過渡表示掃描深度的增加，黑色表示掃描深度較大，由圖可以看出，此時(shí)掃描寬度為50μm左右，深度約為40μm。

Figure 9.  Microscopy of groove after laser ablating

圖 10為掃描次數(shù)對(duì)掃描深度及熱影響區(qū)的影響規(guī)律，由圖可以看出，掃描深度隨著掃描次數(shù)的增加呈非線性增加，當(dāng)掃描次數(shù)較少時(shí)，掃描深度增加得快，當(dāng)掃描次數(shù)較多時(shí)，掃描深度增加得慢。這主要是因?yàn)殡S著掃描次數(shù)的增加和切縫深度的增加，進(jìn)入切縫內(nèi)材料表面的激光能量越少，同時(shí)，隨著切縫深度的增加氣化的材料更難從切縫中飛濺出來，導(dǎo)致掃描深度的增加速度明顯減緩。熱影響區(qū)隨著掃描次數(shù)的增加有明顯的減小，主要是因?yàn)殡S著掃描次數(shù)的增加，激光能量反復(fù)作用于切縫兩側(cè)的材料，之前熱影響區(qū)中的材料被進(jìn)一步氣化去除掉，導(dǎo)致熱影響區(qū)明顯減小。由圖可以得出，在重復(fù)掃描次數(shù)為20時(shí)，熱影響區(qū)僅為10μm，材料去除深度為40μm左右，既可以得到較好的邊緣質(zhì)量也能得到較高的去除效率。

Figure 10.  Relationship among groove depth, heat affected zone and the number of repeat

2.3   切割實(shí)驗(yàn)

基于以上工藝參量的研究，對(duì)1.5mm厚的CFRP進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。優(yōu)化后的激光參量如下：平均功率為60W、重復(fù)頻率為0.4MHz、掃描速率為10m/s。每條軌跡重復(fù)掃描20次，軌跡重復(fù)掃描完以后，動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)將激光焦點(diǎn)往下調(diào)整40μm，相鄰軌跡間距Δd=30μm，掃描10條平行軌跡，實(shí)現(xiàn)CFRP切割，最終得到切縫表面寬為350μm。

圖 11a和圖 12a分別是在優(yōu)化工藝參量下對(duì)1.5mm厚碳纖維板進(jìn)行直線、圓孔切割的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖 11b和圖 12b分別是對(duì)切割后直線、圓孔邊緣放大圖。從圖 11和圖 12可以看出，切縫邊緣表面沒有纖維拔出現(xiàn)象，也沒有明顯的熱影響區(qū)，得到較好的切割質(zhì)量。

Figure 11.  a—line cut in 1.5mm thick CFRP sample b—microscopy of the line cutting edge

Figure 12.  a—circle cut in 1.5mm thick CFRP sample b—microscopy of the circle cutting edge

為了進(jìn)一步探究切割質(zhì)量，對(duì)切割后的切縫截面進(jìn)行放大觀察，如圖 13所示。從圖 13a可以看出，切縫表面沒有纖維拔出現(xiàn)象及明顯的熱影響區(qū)，但是切縫表面略有不平整，這是因?yàn)榧す饽芰吭诳臻g上服從高斯分布，同時(shí)在重復(fù)頻率比較低且掃描速率較快的工藝參量下切割，使得切縫表面不平整。從圖 13b可以看出，切縫有一定的錐角，這是因?yàn)榧词箳呙柽^程中采用了動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)，掃描靠近切縫兩側(cè)的軌跡時(shí)，激光遮蔽效應(yīng)仍無法避免，導(dǎo)致進(jìn)入下表面的激光能量少，對(duì)材料的去除效果差，形成了上表面寬下表面窄的切縫，從而切縫產(chǎn)生錐角。

Figure 13.  a—cut surface of the cutting edge b—cross section of the cutting edge

3.   結(jié)論

(1) 皮秒激光切割CFRP時(shí)，當(dāng)切割方向與表層纖維排布方向垂直時(shí)，切縫兩側(cè)熱損傷嚴(yán)重；當(dāng)切割方向與表層纖維排布方向一致時(shí)，切縫兩側(cè)無明顯熱影響區(qū)。

(2) 隨著平均功率的增加，熱影響區(qū)逐漸減小，平均功率為60W時(shí)，熱影響區(qū)小，隨著平均功率的繼續(xù)增加，熱影響區(qū)逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定；重復(fù)頻率為0.4MHz時(shí)，熱影響區(qū)小，熱影響區(qū)隨著重復(fù)頻率的增加而增大；熱影響區(qū)隨著掃描速率的增大逐漸減小，當(dāng)掃描速率為10m/s時(shí)，熱影響區(qū)達(dá)到低值，隨著掃描速率的繼續(xù)增大，熱影響區(qū)保持在20μm左右；優(yōu)化后的工藝參量為平均功率60W、重復(fù)頻率0.4MHz、掃描速率10m/s，平行軌跡間距Δd取30μm，循環(huán)掃描次數(shù)為20，動(dòng)態(tài)聚焦豎直位移為40μm。

(3) 掃描深度隨著掃描次數(shù)的增加呈非線性增加，而隨著掃描次數(shù)的增加熱影響區(qū)有一定的減小，當(dāng)重復(fù)掃描20次時(shí)，可以保證熱影響區(qū)較小的同時(shí)有較高去除效率。

(4) 在優(yōu)化的切割工藝參量基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)1.5mm厚碳纖維復(fù)合材料板高質(zhì)量、高效率切割。

注明 文章出處：激光技術(shù)網(wǎng) http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.06.011