纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料激光切割熱影響探析

張開虎，于 洋，張夏明，楊 波

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094；2.中國(guó)人民解放軍空軍95810部隊(duì)，北京100076）

0 引言

隨著衛(wèi)星等航天器朝著大尺寸、高精度、高穩(wěn)定、高可靠性的趨勢(shì)發(fā)展，高穩(wěn)定、輕量化、高精度需求日益突出。以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer， CFRP）、 芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP）為代表的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer， FRP）因其低密度、高剛度、高強(qiáng)度、寬溫域、低膨脹、耐腐蝕、抗疲勞特性好、可設(shè)計(jì)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于衛(wèi)星和深空探測(cè)器的中心承力筒、結(jié)構(gòu)板、連接架、天線結(jié)構(gòu)、相機(jī)鏡筒、通道接頭、深空探測(cè)飛行器背罩等部位，一般可占到整個(gè)衛(wèi)星材料質(zhì)量的80%以上，并不斷替代更多原本為金屬材質(zhì)的結(jié)構(gòu)，成為構(gòu)建現(xiàn)有和未來衛(wèi)星不可或缺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能材料之一。

這些構(gòu)件中的FRP制品雖為一次整體成型，但成型后由于切割需求、連接或裝配制孔需求，減材加工幾乎是其構(gòu)件制造流程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。然而，作為一種典型的各向異性、非均質(zhì)、層合材料，其樹脂基體與增強(qiáng)纖維具有迥然不同的物理性質(zhì)（強(qiáng)度、韌性、熔沸點(diǎn)、熱容、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、光吸收性質(zhì)等），這使得這類材料成為一種典型的難加工材料。以其目前應(yīng)用最多的加工方式——傳統(tǒng)接觸式加工（銑、鉆等）為例，其典型問題表現(xiàn)為：1）質(zhì)量與精度問題：分層或崩邊、毛邊、微裂紋、表面粗糙或燒焦等加工質(zhì)量缺陷突出，影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能；2）效率與成本問題：刀具耐用度低從而換刀頻繁，加工成本高昂、加工效率較低；3）可加工結(jié)構(gòu)尺度問題：細(xì)小刀具的弱剛性與材料高硬、高強(qiáng)（或高強(qiáng)、高韌）之間的矛盾。

雖然通過刀具和加工方式的改進(jìn)已緩解了部分加工質(zhì)量與精度問題，但效率與成本、可加工結(jié)構(gòu)尺度問題仍未有效解決。且隨著一些精密結(jié)構(gòu)需求的出現(xiàn)，傳統(tǒng)接觸式加工已經(jīng)無法滿足需求，效率與成本問題日益成為制約航天器高效研制的瓶頸問題。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員嘗試探索包括FRP在內(nèi)的眾多纖維增強(qiáng)復(fù)合材料新型加工工藝， 如激光加工［1-2］、 磨粒水射流加工［3］、 水射流輔助激光切割［4］及超聲振動(dòng)加工［5］。 在航天領(lǐng)域，由于航天用FRP復(fù)合材料的樹脂基體目前多為環(huán)氧樹脂，受限于樹脂的吸濕效應(yīng)，涉水的加工（例如水射流輔助激光切割）方式為禁用工藝，暫不考慮。因此，激光加工和超聲振動(dòng)加工是較為理想的備選工藝。對(duì)于其中的激光加工技術(shù)，到目前為止，在國(guó)內(nèi)研究主要處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)中；在國(guó)外，樹脂基復(fù)材的激光加工技術(shù)日漸成熟，已經(jīng)開始出現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室階段走向工業(yè)化應(yīng)用的趨勢(shì)。本文針對(duì)碳-環(huán)氧樹脂、芳綸-環(huán)氧樹脂材料等典型FRP類復(fù)合材料，通過研究典型激光參數(shù)對(duì)于加工質(zhì)量的影響規(guī)律和相關(guān)特點(diǎn)，以期為后續(xù)航天器制造中使用超快激光精密加工技術(shù)進(jìn)行纖維增強(qiáng)樹脂基、陶瓷基復(fù)合材料的精密、高效制造提供一些借鑒和啟示。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

選取衛(wèi)星用典型熱固性CFRP和AFRP復(fù)合材料，其牌號(hào)分別為 M55J（成份：M55J／環(huán)氧樹脂，樹脂體積分?jǐn)?shù)約為40%）和Kevlar-49（成份：Kevlar-49／環(huán)氧樹脂， 樹脂體積分?jǐn)?shù)約為（32±3）%）。 考慮到星用CFRP與AFRP復(fù)合材料典型厚度集中在0.4mm～2mm的范圍內(nèi)，故選取該厚度范圍內(nèi)的復(fù)合材料蒙皮或薄板作為加工對(duì)象。

加工系統(tǒng)涉及的激光源均為工業(yè)級(jí)激光源，其基本特征與相關(guān)參數(shù)如表1所示。如圖1（a）所示，對(duì)于納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等脈沖激光，加工系統(tǒng)由激光光源與光束變換系統(tǒng)、掃描頭、F-θ物鏡和運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)組成。掃描頭具有平面掃描功能，F(xiàn)-θ物鏡可以在加工過程中保持聚焦光斑不變。結(jié)合航天器CFRP、AFRP孔洞結(jié)構(gòu)的典型尺度，本文選取Φ10及Φ5通孔作為研究對(duì)象，采用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)加工結(jié)果的邊緣熱影響區(qū)尺寸。

表1 激光源特征參數(shù)Table 1 Basic parameter for the laser sources

圖1 脈沖激光切割系統(tǒng)原理示意圖與連續(xù)激光切割系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed laser cutting system and photographs of continuous laser cutting system

2 切割熱影響區(qū)分析與討論

熱影響區(qū)的存在是激光加工的焦點(diǎn)問題之一，作為加工質(zhì)量缺陷，該問題成為激光加工工藝能否應(yīng)用于航天薄板與蒙皮類復(fù)合材料產(chǎn)品的核心與關(guān)鍵問題之一。薄板與蒙皮類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)減材加工涉及最多的加工方式是切割與開孔，如果考慮采用激光切割與開孔，期望加工的熱影響區(qū)應(yīng)盡可能小。因此，若所采用的激光源加工出的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出肉眼可見的熱變質(zhì)層，那么該種激光將無法作為可考慮的光源。為了確認(rèn)采用何種激光源有望滿足航天產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求，比較了超短脈沖激光（皮秒激光和飛秒激光）、納秒脈沖激光和連續(xù)模式的CO2激光的加工質(zhì)量。

值得一提的是，激光功率（激光能量通量）、脈沖重復(fù)頻率（對(duì)于脈沖激光而言）、掃描速度、焦點(diǎn)位置等參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量同樣有較大影響。其中，掃描速度v、脈沖重復(fù)頻率f和光斑直徑d可共同決定每沖擊落下的有效脈沖數(shù)Neff， 即Neff＝d×f／v。 相關(guān)研究表明［6-7］： 當(dāng)Neff在2個(gè)左右時(shí)， 加工的熱影響區(qū)可最小化，故本文的Neff在2個(gè)左右。對(duì)于焦點(diǎn)位置的影響，由于本文針對(duì)的材料厚度為0.4mm～2mm，這小于聚焦光束的Rayleigh長(zhǎng)度（對(duì)于0.4mm的厚度）或略大于Rayleigh長(zhǎng)度（對(duì)于2mm的厚度），因此，焦點(diǎn)位置的影響可忽略不計(jì)或影響有限。對(duì)于激光功率（能量通量）的影響，后文將進(jìn)行介紹。

為了具有可比性，選擇的飛秒激光、皮秒激光和納秒激光滿足以下要求：1）波長(zhǎng)均為1064nm的近紅外激光；2）結(jié)合所產(chǎn)生的聚焦光斑的尺寸d、脈沖重復(fù)頻率f，通過調(diào)整各自的振鏡掃描速度v，使得每沖擊落下的有效脈沖數(shù)Neff＝d×f／v相等。對(duì)于連續(xù)模式運(yùn)行的CO2激光，采用了多道次快速切割的方式能盡可能減小加工的熱影響區(qū)，但由于其波長(zhǎng)與上述脈沖激光的天然不同、激光能量呈現(xiàn)連續(xù)的特性，其結(jié)果作為脈沖激光加工結(jié)果的參照。

2.1 脈沖寬度的影響

圖2展示了使用飛秒激光、皮秒激光、納秒激光和連續(xù)激光在 2mm厚的 AFRP、1mm和0.4mm厚的CFRP復(fù)合材料片上切割出Φ10孔的宏觀形貌。飛秒、皮秒、納秒三種脈沖激光的脈寬分別為tp＝0.4ps、tp＝6ps和tp＝10ns， 掃描速度均為v≈15m／s，這保證了當(dāng)脈沖重復(fù)頻率f＝1.0MHz時(shí)，每沖擊落下的有效脈沖數(shù)均是Neff＝d×f／v≈2.0個(gè)的情形，使用的單脈沖通量F在2.0J／cm2～20J／cm2之間。 對(duì)于連續(xù)激光， 使用100W～1000W之間的若干個(gè)能量，切割速度在2m／s～6m／s之間， 圖 2（a）是其部分典型結(jié)果。

圖2 不同激光切割A(yù)FRP和CFRP材質(zhì)Φ10孔的入口形貌典型照片F(xiàn)ig.2 Typical photographs ofΦ10 holes in AFRP and CFRP plates cut by different lasers

從宏觀結(jié)果看，在圖2（a）中，無論是使用納秒激光還是CO2激光，無論在2mm厚AFRP片還是1mm厚CFRP片上，其上的Φ10孔切割邊緣均已肉眼可見明顯的熱缺陷，且CO2激光加工熱效應(yīng)比納秒激光的更明顯：孔邊緣向外擴(kuò)展區(qū)域和切割斷面出現(xiàn)明顯燒焦的黑糊痕跡，孔口呈現(xiàn)不同程度的毛刺和翻邊。這些缺陷只是隨著激光能量的不同而有程度上的差異，但均肉眼可見。例如，對(duì)于CFRP片的CO2激光切割，即使使用了未能將材料切穿的小能量，在切割結(jié)構(gòu)邊緣也依然存在明顯的熱效應(yīng)。與之形成鮮明對(duì)比的是圖2（b）和圖2（c）中飛秒激光和皮秒激光的切割結(jié)果：在CFRP片上加工的Φ10通孔邊緣整齊，無表層劈裂，無肉眼可見的邊緣焦糊區(qū)域——這種加工質(zhì)量已經(jīng)完全超過了現(xiàn)有航天器結(jié)構(gòu)板CFRP蒙皮機(jī)械沖孔式開孔的加工質(zhì)量。對(duì)于超快激光加工AFRP片的結(jié)果將稍后討論分析。需要指出的是，此處所使用的納秒激光、皮秒激光、飛秒激光波長(zhǎng)均為1064nm的近紅外波長(zhǎng)。

為了進(jìn)一步量化各種激光加工的熱變質(zhì)層區(qū)域，顯微觀測(cè)并測(cè)量了加工的熱影響區(qū)尺度。由于采用不同的加工能量和掃描速度會(huì)產(chǎn)生具體尺度不同的熱變質(zhì)層，且加工結(jié)構(gòu)入口與出口變質(zhì)層厚度具體值會(huì)有一定差異，故僅給出熱變質(zhì)層典型尺度的數(shù)量級(jí)，具體如表2所示，針對(duì)的材料為2mm厚AFRP和1mm厚CFRP材料。

表2 各種激光源切割A(yù)FRP與CFRP片的典型熱影響區(qū)尺度Table 2 Typical heat-affected zone scales for laser cutting AFRP and CFRP sheets

可見，采用處于紅外波段的CO2激光和納秒激光，產(chǎn)生的熱變質(zhì)層在1.0mm量級(jí)；采用皮秒激光、飛秒激光等超短脈沖激光，加工的變質(zhì)層可以僅為0.01mm量級(jí)，但若使用不當(dāng)，也會(huì)高至0.1mm量級(jí)。因此，超快激光有望滿足航天產(chǎn)品對(duì)于加工品質(zhì)的需求。

為了進(jìn)一步探究在 “超快激光”概念范疇內(nèi)皮秒激光與飛秒激光熱影響區(qū)的差異，研究了0.4mm厚CFRP復(fù)合材料片切割邊緣熱影響區(qū)尺度隨脈沖寬度的演化規(guī)律。熱影響區(qū)尺度采取的是切割斷面上的平均熱影響區(qū)厚度，考慮了每沖擊落下的有效脈沖數(shù)均是Neff＝d×f／v≈2.0個(gè)脈沖、每脈沖通量F＝8.0 J／cm2以及脈沖分別為0.4ps、2.0ps、4.0ps、6.0ps的情形。如圖3所示，在所研究的脈沖寬度范圍和統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)，切割邊緣的熱影響區(qū)尺度幾乎不依賴于脈沖寬度，典型值約為20μm。該規(guī)律與文獻(xiàn)［8］所報(bào)道的一致：文獻(xiàn)［8］使用了單脈沖能量更低（0.75J／cm2）但重復(fù)頻率是此處6.3倍（達(dá)到6.3MHz）的超快激光，其典型熱影響區(qū)尺度為60μm，比本文的20μm的數(shù)值大。分析其原因，可能是由文獻(xiàn)［8］所使用的高重復(fù)頻率造成的熱積累效應(yīng)導(dǎo)致的。一般地，從原理上講，在其他參數(shù)相同的情況下，皮秒激光產(chǎn)生的熱效應(yīng)比飛秒激光大。此處的切割邊緣的熱影響區(qū)尺度幾乎不依賴于脈沖寬度的現(xiàn)象，可能是由兩方面原因造成：一是切割采用的高通量（遠(yuǎn)高于材料的蝕除閾值）造成的飽和效應(yīng)掩蓋了飛秒激光與皮秒激光熱影響區(qū)的較小差異，二是在測(cè)量精度內(nèi)無法分辨出這種微小差異。

圖3 切割邊緣熱影響區(qū)尺度隨超快激光脈沖寬度的演化關(guān)系Fig.3 Influence of ultrafast laser pulse width on the heat-affected zone size

2.2 波長(zhǎng)的影響

由上述分析可知，采用傳統(tǒng)激光（納秒激光、連續(xù)激光）加工產(chǎn)生的熱變質(zhì)層尺度太大，無法滿足復(fù)合材料的精密加工需求，也為航天產(chǎn)品質(zhì)量所不容許，但超快激光的加工質(zhì)量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光。由于激光波長(zhǎng)直接決定著激光的光子能量，對(duì)于短波激光由于光子能量更大，其加工呈現(xiàn)的光化學(xué)效應(yīng)的權(quán)重往往比近紅外激光更明顯。因此，本文針對(duì)近紅外與紫外超快激光加工產(chǎn)生的熱效應(yīng)作了分析比較。

理論上，在其他參數(shù)相同的情況下，脈寬越大加工的熱效應(yīng)越大；在近紅外至近紫外的波段，波長(zhǎng)越小則熱效應(yīng)也越小。選取了2mm厚AFRP片與0.4mm厚的CFRP蒙皮進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。圖4直觀地展示了對(duì)于AFRP復(fù)合材料，即使采用的是飛秒激光，如果是近紅外波段（波長(zhǎng)為1064nm），依然易出現(xiàn)變質(zhì)層——其切割邊緣呈現(xiàn)與AFRP本征色不同的焦黃色甚至黑色；但如果采用近紫外（例如波長(zhǎng)為355nm的UV光）的超快激光，即使脈寬長(zhǎng)至皮秒?yún)^(qū)間，也不會(huì)產(chǎn)生明顯的變質(zhì)層——其切割斷面基本上保持了材料的本征色。這可能說明，對(duì)于AFRP材料，在超快激光的范圍內(nèi)，短波長(zhǎng)比短脈寬對(duì)于抑制熱影響區(qū)更有效。但對(duì)于CFRP材料，通過微觀觀測(cè)與測(cè)量證實(shí)了在觀測(cè)誤差范圍內(nèi)，近紅外飛秒激光與紫外皮秒激光切割產(chǎn)生的熱影響區(qū)尺度無明顯差異。

圖4 紫外皮秒激光與近紅外飛秒激光切割Φ10孔入口對(duì)比Fig.4 Comparison ofΦ10 holes cut by UV picosecond laser and IR femtosecond laser

當(dāng)采用傳統(tǒng)的接觸式加工方式，相比較呈現(xiàn)出高強(qiáng)度、硬、脆特性的CFRP復(fù)合材料，呈現(xiàn)高強(qiáng)度、韌性大的AFRP復(fù)合材料更難以實(shí)現(xiàn)低表面粗糙度的加工，加工邊緣起毛或拉絲、加工壁面粗糙等問題嚴(yán)重，如圖5中的箭頭所指（已經(jīng)是經(jīng)過優(yōu)化的切削式加工結(jié)果）。但當(dāng)采用合適的激光源后，可能會(huì)得到極大地改善：圖5（a）中的圓形孔洞是采用不同激光通量的近紅外飛秒激光在1mm厚AFRP材料切割的若干個(gè)Φ5通孔，圖5（b）中的孔洞是采用近紫外皮秒激光在2mm厚AFRP材料上切割的Φ10通孔。二者的共同特點(diǎn)是：基本上避免了傳統(tǒng)接觸式加工出現(xiàn)的拉絲、毛邊現(xiàn)象，但前者無法從根本上避免切割邊緣產(chǎn)生的焦糊（盡管不同脈沖能量產(chǎn)生的焦糊程度會(huì)有所不同），而后者基本上避免了肉眼可見的熱影響區(qū)，從而使得切割斷面呈現(xiàn)材料本征色。

圖5 近紅外飛秒激光與紫外皮秒激光切割A(yù)FRP板結(jié)果對(duì)比Fig.5 Comparison of holes in AFRP plates cut by IR femtosecond laser and UV picosecond laser

2.3 機(jī)理分析與討論

碳纖維作為CFRP中的增強(qiáng)相，是一種類石墨性質(zhì)的熱和電的良導(dǎo)體。在近紅外及近紫外波段，一般具有較高的光吸收率、較低的反射率和透射率。而其樹脂基體一般屬于類絕緣體性質(zhì)，吸收率、反射率遠(yuǎn)低于碳纖維，而透射率高于碳纖維。與之形成鮮明對(duì)比的是AFRP復(fù)合材料——芳綸纖維作為其增強(qiáng)相，和樹脂基體一樣均屬于類絕緣體性質(zhì)。因此，由碳-環(huán)氧樹脂組成的CFRP復(fù)合材料的整體吸收率在可見光及近紅外波段可達(dá)70%以上［9］，整體呈現(xiàn)類金屬性質(zhì)，是熱的良導(dǎo)體；而芳綸和環(huán)氧樹脂組成的AFRP復(fù)合材料，則整體類似絕緣體材料。激光輻照后會(huì)整體提升CFRP或AFRP復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，但AFRP熱導(dǎo)率通常依然低于CFRP。因此，對(duì)于CFRP材料，材料吸收的激光能量會(huì)明顯沿著碳纖維的加工方向傳導(dǎo)：由于納秒激光、CO2激光的能量與材料相互作用的時(shí)間長(zhǎng)，因此沿著碳纖維的傳導(dǎo)十分充分，宏觀表現(xiàn)出熱損傷區(qū)域擴(kuò)張的各向異性。由于圖2（a）中的CFRP表層的碳纖維鋪層方向沿照片中上下方向，故明顯可見沿著上下方向的表層熱損傷區(qū)域比左右方向的更大。而對(duì)于AFRP材料，由于其增強(qiáng)纖維鋪層為方格狀，故上下與左右方向的熱影響區(qū)尺度沒有明顯的區(qū)別，且由于芳綸纖維導(dǎo)熱性能差，AFRP的邊緣熱影響區(qū)尺度要略小（如表2第2、第3列所示）。

當(dāng)使用皮秒、飛秒等超快激光時(shí)，CFRP、AFRP的芳綸纖維、碳纖維、樹脂的光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。尤其是樹脂基體、芳綸纖維，會(huì)因?yàn)榉蔷€性光電離與碰撞電離等機(jī)制產(chǎn)生大量自由電子而從類絕緣體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矔r(shí)的類金屬態(tài)。因此，類似其他傳統(tǒng)材料的傳統(tǒng)激光（納秒激光、連續(xù)激光）和超快激光（皮秒激光、飛秒激光）加工質(zhì)量的巨大差異，F(xiàn)RP復(fù)合材料也表現(xiàn)出類似的性質(zhì)，即超快激光能形成加工熱影響區(qū)極小的近似 “冷”加工效果，而傳統(tǒng)激光則很難實(shí)現(xiàn)。究其根本原因，是傳統(tǒng)激光與超快激光和物質(zhì)相互作用物理過程的巨大差異造成的，其核心在于超快激光與材料相互作用時(shí)間極短而導(dǎo)致熱擴(kuò)散等效應(yīng)無法充分發(fā)展。但當(dāng)采用遠(yuǎn)高于加工閾值的能量時(shí)，超快激光 “冷”加工優(yōu)勢(shì)雖然依然存在，但會(huì)減弱。本文中為了實(shí)現(xiàn)切割，圖3采用的每脈沖通量F＝8.0J／cm2已經(jīng)遠(yuǎn)高于材料的閾值能量。因此，雖然理論上脈寬越大加工熱效應(yīng)越明顯，但其差異已經(jīng)被高通量所嚴(yán)重覆蓋，故圖3呈現(xiàn)出不同脈寬的超快激光產(chǎn)生的熱影響區(qū)在誤差范圍內(nèi)幾乎無區(qū)別的效果。

超快激光加工過程伴隨多種復(fù)雜的物理效應(yīng)，如光熱效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)、光機(jī)械效應(yīng)，波長(zhǎng)、脈寬的改變都有可能改變各種效應(yīng)的權(quán)重。對(duì)于非金屬材料，當(dāng)使用355nm的近紫外光時(shí)，由于其光子能量3.50eV已經(jīng)與芳綸、環(huán)氧樹脂的禁帶寬度相當(dāng)，因此光化學(xué)消融的效果比采用1064nm近紅外波長(zhǎng)（光子能量為1.16eV）更明顯，相應(yīng)的光熱效應(yīng)權(quán)重可能會(huì)有所縮減；但對(duì)于類金屬材料，波長(zhǎng)的變短導(dǎo)致的光學(xué)效應(yīng)增強(qiáng)則不及非金屬明顯。本文中的CFRP復(fù)合材料由碳纖維和環(huán)氧樹脂組成，是類金屬材料和非金屬材料的混雜體；而AFRP復(fù)合材料由芳綸纖維和環(huán)氧樹脂組成，是不同的非金屬的混雜體。由于AFRP復(fù)合材料的非金屬成分的權(quán)重遠(yuǎn)高于CFRP復(fù)合材料，故前者能更好的利用加工激光波長(zhǎng)變短帶來的光化學(xué)權(quán)重加深的優(yōu)勢(shì)。因此，當(dāng)使用近紅外飛秒激光和紫外皮秒激光加工CFRP并無明顯的熱影響區(qū)尺度差距時(shí)（如圖4所示），AFRP復(fù)合材料低熱影響區(qū)加工效果則對(duì)于紫外超快激光表現(xiàn)出明顯的青睞（如圖5所示）。

3 結(jié)論與展望

本文初探了航天領(lǐng)域典型CFRP、AFRP復(fù)合材料的激光精密加工技術(shù)，以加工熱影響區(qū)寬度為典型質(zhì)量指標(biāo)，研究了激光脈沖寬度、激光波長(zhǎng)對(duì)于加工質(zhì)量的影響規(guī)律，比較了碳-環(huán)氧樹脂、芳綸-環(huán)氧樹脂材料對(duì)于脈沖寬度、激光波長(zhǎng)需求的相同與差異之處，形成以下結(jié)論和建議：

1）納秒激光、連續(xù)激光等傳統(tǒng)激光因加工熱效應(yīng)明顯，形成的加工熱影響區(qū)尺度在0.1mm～1.0mm量級(jí)，因此無法滿足航天領(lǐng)域精密加工的需求。使用皮秒激光、飛秒激光等超快激光進(jìn)行宏觀切割時(shí)，切割邊緣熱影響區(qū)至少可控制在0.01mm～0.1mm量級(jí)，且邊緣光滑，無表皮撕裂、分層等接觸式加工極易出現(xiàn)的缺陷。因此，有望滿足航天領(lǐng)域薄板復(fù)合材料的精密切割、制孔需求，并有望在有更高質(zhì)量和精度需求的場(chǎng)合替代相應(yīng)的傳統(tǒng)的接觸式加工。

2）皮秒激光、飛秒激光的CFRP復(fù)合材料加工熱影響區(qū)差異很小，尤其是加工模式是切割模式時(shí)，在測(cè)量統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)，切割邊緣的熱影響區(qū)幾乎不依賴于超快激光的脈沖寬度。考慮到現(xiàn)實(shí)中皮秒激光器光源在穩(wěn)定性、平均功率水平、價(jià)格等方面的因素，從性價(jià)比的角度，現(xiàn)階段建議選擇高功率皮秒激光作為CFRP等復(fù)合材料切割、制孔的光源。

3）對(duì)于AFRP復(fù)合材料，盡管激光加工不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)接觸式加工出現(xiàn)的孔口拉絲等頑固的加工缺陷，但依然有可能出現(xiàn)熱缺陷——至少當(dāng)加工模式為切割加工時(shí)，采用近紅外超快激光無法避免肉眼可見的糊邊，但采用更短波長(zhǎng)（例如近紫外波長(zhǎng)）則可基本上避免。從宏觀層面看加工質(zhì)量，采用短波長(zhǎng)超快激光加工該材料比采用長(zhǎng)波長(zhǎng)加工有明顯優(yōu)勢(shì)。

隨著航天器朝著大尺寸、高精度、高穩(wěn)定、高可靠的趨勢(shì)發(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)材的應(yīng)用日益旺盛，其加工技術(shù)能力與應(yīng)用需求的不匹配問題日益突出，已經(jīng)成為制約航天器研制的瓶頸問題。隨著國(guó)外千瓦級(jí)高功率皮秒激光器的誕生，超快激光加工技術(shù)除了保持住現(xiàn)有的加工精度與質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)外，在加工效率和可加工尺度（例如厚度較大的復(fù)合材料板）方面的不足將有望得到重大改觀，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)到工廠技術(shù)的轉(zhuǎn)變，滿足航天領(lǐng)域的相關(guān)需求將指日可待。