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

由于CFRP中增強體在熱膨脹系數、氣化溫度等熱力學性能方面與基體存在相當大差異，在激光切割中表現出熱影響區(qū)(heat affected zone, HAZ)、纖維拔出、復合材料分層、纖維末端膨脹等缺陷，導致激光切割CFRP面臨巨大挑戰(zhàn)，在激光加工過程中產生的熱影響區(qū)嚴重影響CFRP的靜態(tài)強度。針對CFRP材料激光加工過程中的熱損傷問題，國內外學者進行了相關研究。LAU等人使用Nd:YAG激光光源與CO2激光光源分別對CFRP進行切割實驗，結果表明，短波長的Nd:YAG激光切割產生的切縫窄、熱損傷小。FENOUGHTY等人比較了Nd:YAG脈沖激光與連續(xù)激光對CFRP切割的影響，實驗表明，脈沖激光由于在相鄰脈沖作用時間間隔里能讓材料進行冷卻，相對連續(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復合材料對激光的吸收特性，得到了激光參量對材料吸收率的影響。HUA等人利用單因素變量實驗方法，研究了毫秒脈沖激光工藝參量和水下切割方法對切割質量的影響，實驗表明: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過程中混合氣體對切割質量的影響。LEONE等人研究了Nd:YAG激光參量對CFRP材料切割質量的影響。STOCK等人的研究表明，激光能量進行多次施加可有效減小激光切割CFRP材料熱損傷效應。GOEKE等人研究了激光參量對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CFRP切割表面質量的影響，并對激光切割過程產生的熱影響區(qū)進行分析。WEBER等人模擬分析了工藝參量對熱損傷的影響。

本文中利用皮秒脈沖激光對CFRP進行燒蝕實驗，研究了工藝參量對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，在此基礎上對1.5mm厚CFRP板進行切割實驗。通過優(yōu)化切割參量來提高切割質量，從而為皮秒激光切割CFRP學術研究與工業(yè)應用提供參考。

1.   實驗設備、材料及方法

1.1   實驗設備

實驗中采用的切割系統如圖 1所示。系統采用EdgeWavePX200-2-GM型皮秒激光器，通過3維掃描振鏡實現z方向動態(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，實驗采用超景深3維顯微鏡觀測掃描深度和熱影響區(qū)。

Figure 1.  Scheme of cutting system

切割系統使用的激光波長為1064nm，脈寬為10ps，平均功率為100W，重復頻率為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。切割系統具體參量如表 1所示。

Table 1.  Processing parameters

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1.2   實驗材料

實驗中采用碳纖維復合材料，其增強體為碳纖維T300，基體為環(huán)氧樹脂，各占50%，屬正交層合板(碳纖維鋪層的鋪設方向為0°和90°)，板厚為1.5mm，材料組成成分及熱力學性能如表 2所示。

Table 2.  Thermal and physical properties of the CFRP composite

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1.3   實驗方法

實驗方法如圖 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、重復頻率、掃描次數對熱影響區(qū)及掃描深度的影響。為了更加均勻地去除整個碳纖維復合材料和提高去除效率，對軌跡進行多次循環(huán)掃描，并通過動態(tài)聚焦系統實現焦點補償。在切割中為了避免切縫過窄造成的遮蔽效應，掃描若干條間距為Δd的平行軌跡來增加切縫寬度，最終實現1.5mm厚CFRP切割。

Figure 2.  Illustration of scanning strategy

2.   實驗結果與分析

激光功率為60W、重復頻率為0.4MHz、掃描速率為4m/s時，CFRP表面產生的熱影響區(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，而表層碳纖維增強體并未被去除而裸露出來形成熱影響區(qū)。這是因為環(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，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   工藝參量對熱影響區(qū)的影響

2.1.1   纖維排布方向對熱影響區(qū)的影響

在激光功率為60W、重復頻率為0.4MHz、掃描速率為1m/s時，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熱影區(qū)有顯著影響，當掃描方向與表層纖維排布方向垂直時，熱影響區(qū)達70μm；當掃描方向與纖維排布方向一致時，材料表面幾乎沒有熱影區(qū)。主要是因為碳纖維的熱傳導率遠遠大于環(huán)氧樹脂的熱傳導率，未能達到CFRP燒蝕閾值處的脈沖能量沿著碳纖維方向傳播，所以當掃描方向與表層纖維排布方向一致時，沿著掃描方向傳播的能量與下一個脈沖能量共同用于去除CFRP材料，掃描深度也更大，對切縫兩側造成熱影響區(qū)較小；而當掃描方向與表層纖維排布方向垂直時，能量沿著掃描垂直方向傳播，切縫兩側熱量累積，對CFRP造成熱損傷，導致嚴重的熱影響區(qū)。

Figure 4.  Effect of fiber orientation on heat affected zone

2.1.2   平均功率對熱影響區(qū)的影響

圖 5是當重復頻率為0.4MHz、掃描速率為10m/s時，平均功率與熱影響區(qū)的關系。由圖 5可以看出，當平均功率增加時，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。由于在重復頻率、掃描速率不變時，隨著平均功率的增加，單脈沖能量也增大，達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，使得熱損傷相應的減小，從而熱影響區(qū)減小。然而，當功率過高時，去除材料后剩余的能量也越多，導致能量的積累越多，使得熱損傷相應的增加，從而熱影響區(qū)增大。由圖 5可知，當平均功率為60W時，此時熱影響區(qū)小，約為5μm。

Figure 5.  Effect of average power on heat affected zone

2.1.3   重復頻率對熱影響區(qū)的影響

圖 6是平均功率為60W、掃描速率為10m/s時，重復頻率與熱影響區(qū)的關系。在圖 6中，重復頻率為0.4MHz~5MHz時熱影響區(qū)與重復頻率幾乎成正比關系，隨著重復頻率的繼續(xù)增加，熱影響區(qū)增大并趨于平穩(wěn)。主要是因為在平均功率、掃描速率不變時，隨著頻率增加，單脈沖能量減少，達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，相鄰脈沖的時間越短，積累的熱量也越多，使得熱損傷相應的增加，從而熱影響區(qū)增大。

Figure 6.  Effect of repetition rate on heat affected zone

2.1.4   掃描速率對熱影響區(qū)的影響

圖 7是在平均功率為60W、重復頻率為0.4MHz時，掃描速度與熱影響區(qū)的關系。為了更好地比較掃描速率對CFRP熱影響區(qū)的影響，實驗通過設置不同掃描速率下掃描次數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，當掃描速率大于10m/s時，隨著掃描速率的繼續(xù)增大，熱影響區(qū)保持在20μm左右。這主要是因為在掃描速率較低時，單位時間內獲得的能量大，在掃描過程中累積熱量多，導致嚴重的熱損傷，表現出熱影響區(qū)；而當掃描速率過大時，單位時間內獲得的能量小，能量對碳纖維材料去除效率低，使得熱損傷增大，導致熱影響區(qū)略有增大。由圖 7可知，當掃描速率為10m/s時，此時熱影響區(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、重復頻率為0.4MHz、掃描速率為10m/s時，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)掃描次數對材料去除的影響

為了得到合適掃描深度，探究了循環(huán)掃描次數對掃描深度的影響規(guī)律，在上述實驗的基礎上選擇合適的工藝參量：平均功率60W、重復頻率0.4MHz、掃描速率10m/s，選取循環(huán)掃描次數分別為3, 5, 10, 20, 50, 100進行實驗，通過超景深3維顯微鏡來測量其掃描深度和寬度。圖 9為掃描次數為20時切縫微觀形貌的分層設色圖。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為掃描次數對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的增加呈非線性增加，當掃描次數較少時，掃描深度增加得快，當掃描次數較多時，掃描深度增加得慢。這主要是因為隨著掃描次數的增加和切縫深度的增加，進入切縫內材料表面的激光能量越少，同時，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)隨著掃描次數的增加有明顯的減小，主要是因為隨著掃描次數的增加，激光能量反復作用于切縫兩側的材料，之前熱影響區(qū)中的材料被進一步氣化去除掉，導致熱影響區(qū)明顯減小。由圖可以得出，在重復掃描次數為20時，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   切割實驗

基于以上工藝參量的研究，對1.5mm厚的CFRP進行切割實驗。優(yōu)化后的激光參量如下：平均功率為60W、重復頻率為0.4MHz、掃描速率為10m/s。每條軌跡重復掃描20次，軌跡重復掃描完以后，動態(tài)聚焦系統將激光焦點往下調整40μm，相鄰軌跡間距Δd=30μm，掃描10條平行軌跡，實現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1.5mm厚碳纖維板進行直線、圓孔切割的實驗結果；圖 11b和圖 12b分別是對切割后直線、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象，也沒有明顯的熱影響區(qū)，得到較好的切割質量。

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

為了進一步探究切割質量，對切割后的切縫截面進行放大觀察，如圖 13所示。從圖 13a可以看出，切縫表面沒有纖維拔出現象及明顯的熱影響區(qū)，但是切縫表面略有不平整，這是因為激光能量在空間上服從高斯分布，同時在重復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，這是因為即使掃描過程中采用了動態(tài)聚焦系統，掃描靠近切縫兩側的軌跡時，激光遮蔽效應仍無法避免，導致進入下表面的激光能量少，對材料的去除效果差，形成了上表面寬下表面窄的切縫，從而切縫產生錐角。

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

3.   結論

(1) 皮秒激光切割CFRP時，當切割方向與表層纖維排布方向垂直時，切縫兩側熱損傷嚴重；當切割方向與表層纖維排布方向一致時，切縫兩側無明顯熱影響區(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，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；重復頻率為0.4MHz時，熱影響區(qū)小，熱影響區(qū)隨著重復頻率的增加而增大；熱影響區(qū)隨著掃描速率的增大逐漸減小，當掃描速率為10m/s時，熱影響區(qū)達到低值，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)掃描次數為20，動態(tài)聚焦豎直位移為40μm。

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

(4) 在優(yōu)化的切割工藝參量基礎上，實現1.5mm厚碳纖維復合材料板高質量、高效率切割。

注明 文章出處：激光技術網 http://www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.06.011