碳纖維增強復合材料皮秒激光加工的缺陷研究

殷赳 范彬

摘 要 碳纖維增強復合材料由于具有密度小、比強度高、韌性高以及化學穩定性好等優越的性能，在航空航天、汽車和民用消費品等領域應用越來越廣泛。本文結合試驗研究分析皮秒激光加工碳纖維增強復合材料過程中的熔渣、切縫錐度、變質層等一系列缺陷及其產生的機理，并在此基礎上提出工藝參數優化的具體措施，提高材料的加工質量。

關鍵詞 碳纖維增強復合材料;皮秒激光;變質層;工藝參數優化

碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，簡稱CFRP）是以環氧樹脂材料為基體，以碳纖維或纖維織物為增強體固化成型的復合材料，是一種應用廣泛的先進復合材料。CFRP由于具有密度小、比強度高、韌性高以及化學穩定性好等一系列優越的性能，在航空航天、汽車和民用消費品等領域的輕量化中應用越來越廣泛。據統計，波音公司的787客機整個機身、機翼、尾翼等部件都大量采用碳纖維復合材料，大幅減輕了重量，有效提高了續航能力。汽車也大量采用CFRP材料來實現輕量化，例如雷克薩斯豪華汽車RC F碳纖維板選用了大量的碳纖維材質，包括引擎蓋、車頂以及尾翼等部件，這些碳纖維材質使得其整備質量減少了數十千克。CFRP的推廣應用對于運載工具的輕量化、減少碳排放和促進綠色發展有著重要意義。

1 皮秒激光加工CFRP的機理

CFRP材料的分子結構介于石墨與金剛石之間，具有硬度高、韌性強、導熱性差以及各向異性等特性，屬于典型的難加工材料。CFRP在傳統的切削、鉆削等機械加工過程中刀具磨損快、耐用度低，且易產生撕裂、分層、拉絲、毛刺等缺陷，會導致工件加工表面粗糙度較大，甚至導致工件報廢[1]。因此，傳統的機械加工方式越來越難滿足CFRP高質量加工的要求，亟須探究一種既保證加工質量，又兼顧加工效率的CFRP加工新方法。

激光加工是將具有高能量密度的激光束輻照到工件的表面，通過熔化、汽化等機制去除材料。非接觸式的激光加工能有效避免傳統加工帶來的一系列缺陷，沒有刀具磨損，可以大大降低加工成本。激光光斑小，切縫窄，加工精度高，可實現任意形狀切割。采用連續或長脈沖激光加工時，主要是通過熱效應使局部材料熔化或者氣化從而去除材料，這種加工方式會引起熱損傷，形成熱影響區[2]。而皮秒級超短脈沖激光由于脈寬極短，能量密度極高，傳遞和累積到周圍材料的熱量較少，可以有效避免材料的熱損傷和機械殘余應力。利用皮秒激光加工技術有望減少連續激光或長脈寬激光加工所產生的變質層、殘余應力等缺陷，可實現CFRP材料的高精度、高質量加工，同時保證較高的加工效率。

根據經典的雙溫模型，在皮秒激光與CFRP相互作用時，首先是光子與電子之間的耦合作用，使電子在極短的時間內達到很高的溫度，然后電子與晶格之間互相耦合，實現能量向晶格的傳遞。盡管一般認為皮秒脈沖激光可以實現材料的“冷加工”，但這只針對脈沖作用時間內的情況，當脈沖作用結束后，晶格內部殘余的能量仍會引起熱損傷。因此，皮秒激光加工CFRP盡管可以降低對材料的熱影響，但無法完全避免CFRP的熱損傷缺陷[3]。本文結合試驗研究分析皮秒激光加工CFRP過程中的一系列缺陷及其產生的機理，并在此基礎上提出工藝參數優化的具體措施，提高CFRP材料的加工質量。

2 皮秒激光加工CFRP的常見缺陷

2.1 熔渣

根據前述皮秒激光去除加工CFRP材料的機理分析，在CFRP皮秒激光加工過程中，存在熱作用，由于能量累積效應，材料表面和內部溫度升高，達到甚至超過碳纖維的燒蝕閾值，實現材料的去除。在強烈的燒蝕作用下，燒蝕閾值較低的環氧樹脂基體先產生熔化，部分熔化的環氧樹脂基體殘留在纖維之間或材料表面，形成熔渣，如圖1所示。

2.2 切縫錐度

皮秒激光切割具有一定厚度的CFRP板材時，由于所采用的皮秒激光器聚焦之后的有效焦深約為0.6mm，且加工過程中激光焦點高度位置保持不變，當加工的CFRP板厚超過焦深范圍時，在加工去除掉一定厚度的材料后，激光繼續燒蝕去除下一層材料，而此時為正離焦的加工模式，有效光斑直徑變大，能量密度變小，再加上上層材料和熱影響區的遮蔽效應，會導致底部材料的切縫寬度逐漸減小，形成一定的錐角，如圖2所示。

2.3 變質層

試驗研究表面，由于熱效應引起得加工區域變質層是CFRP材料皮秒激光加工中最顯著的加工缺陷。在CFRP材料中，碳纖維的汽化溫度超過4000K，而環氧樹脂基體在700K左右即可產生汽化;此外，這兩種材料的熱傳導率也有很大的差異，碳纖維的熱導率是環氧樹脂基體的500倍。加工采用的皮秒激光光束呈高斯分布，即光斑中心能量密度最高，而邊緣能量密度逐漸減小。CFRP皮秒激光加工過程中，由于碳纖維和樹脂基體材料之間存在巨大的熱學性能差異，在光斑邊緣處較低的激光能量密度使得樹脂發生氣化而不能去除碳纖維，且熱量在高熱導率的碳纖維中沿著纖維快速傳遞，繼續引起纖維方向上的樹脂基體氣化，從而增大熱影響區的寬度，如圖3所示。在熱影響區，隨著基體材料的去除，殘余的纖維材料就形成了變質層，其物理力學性能都受到極大的破壞，需要盡量避免。

3 提高CFRP加工質量的方法

為減少皮秒激光加工CFRP的加工缺陷，提高加工質量，進行了一系列的工藝試驗。基于試驗研究得出了激光平均功率、激光重復頻率、激光掃描速度等工藝參數對加工質量的影響規律。

皮秒激光加工過程中，CFRP切縫邊緣的微觀不平度和變質層寬度均隨激光平均功率的增大而呈現出先減小后增加的趨勢。對于所采用的皮秒激光器，最優的激光平均功率為60W。如果激光功率過大，CFRP材料切縫邊緣由于積累過多的熱量而導致樹脂基體過度破壞，形成熱影響區。而當激光平均功率較小時，脈沖能量不足以充分去除CFRP材料燒蝕區域的碳纖維，增大變質層的范圍。

激光脈沖重復頻率同樣會影響CFRP的加工質量。CFRP切縫邊緣的微觀不平度和變質層寬度隨激光重復頻率的增大而逐漸增加。這主要是由于激光重復頻率決定了單脈沖能量，當激光重復頻率為0.4MHz時可實現變質層最小化。

激光掃描速度對CFRP切縫處微觀不平和度變質層寬度的影響規律與激光平均功率類似，即呈先減小后增大的趨勢。當激光掃描速度為1m/s時，可獲得較優的加工質量。

4 結束語

本文結合試驗研究分析了皮秒激光加工CFRP材料過程中的熔渣、切縫錐度、變質層等一系列缺陷及其產生的機理，并在此基礎上提出激光平均功率、激光重復頻率、激光掃描速度等工藝參數優化的具體措施，為CFRP材料的高質量、高效率加工提供參考。

參考文獻

[1] 花銀群，肖淘，薛青，等.激光切割碳纖維復合材料的實驗研究[J].激光技術，2013，37（5）：565-570.

[2] 于冬洋，王續躍.激光同向切割單層碳纖維復合材料的溫度場模擬[J].激光與光電子學進展，2017，54（4）：210-218.

[3] 蔣翼，陳根余，周聰，等.碳纖維復合材料皮秒激光切割工藝研究[J].激光技術，2017，41（6）：821-825.

*[課題項目] 課題來源：益陽市科技計劃項目2017YZ11;湖南省教育廳科學研究項目18B449。