碳纖維增強復合材料水導激光切割試驗研究

汪建新 吳耀文， 張廣義 潮 陽 張文武

1.內蒙古科技大學機械工程學院，包頭，0140102.中國科學院寧波材料技術與工程研究所，寧波，3152013.浙江省航空發動機極端制造技術研究重點實驗室，寧波，315201

0 引言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)是一種以樹脂為基體、碳纖維為增強體的新型復合材料[1-3]，其比強度高、比模量高、比熱容高、密度小、熱膨脹系數小、熱穩定性好，已廣泛應用于航空航天、軍工產品以及汽車工業等領域[4-5]，可以有效減小質量和節約成本。但纖維材料具有復雜的各向異性，且層間強度低，容易發生破壞[6-7]。目前，CFRP的切割方式主要有高速銑削[8]、水射流切割[9]、超聲切割[10]、電火花切割[11-12]等，這些傳統加工方法易出現毛刺、分層、基體碎裂、纖維斷裂等問題。

激光加工[13-14]相比傳統機械加工具有無磨損、無接觸等特點，是一種潛在的CFRP加工替代方法[15-16]。STAEHR等[17]研究了在相同平均功率下分別采用連續激光與脈沖激光對熱固性CFRP進行切割的熱影響區，結果表明，在掃描速度和斷裂時間相同的情況下，使用高功率納秒脈沖激光獲得的熱影響區比連續激光獲得的熱影響區更小。SALAMA等[18]利用高功率紅外皮秒激光對CFRP進行打孔和切割試驗，探究激光加工參數對熱影響區大小和燒蝕深度的影響，結果表明，通過減小激光功率和提高掃描速度可以減小熱影響區和燒蝕深度。RIVEIRO等[19]研究了CO2激光分別在連續模式和脈沖模式下的加工參數對CFRP切割效率和切割質量的影響規律，結果表明，脈沖模式下切割CFRP的切口熱影響區更小，熱影響區的產生是不可避免的，但可以通過選擇合適的工藝參數使其最小化。

采用激光切割CFRP，有效地避免了采用傳統加工方法會產生的刀具磨損、纖維斷裂、基體破壞等問題，但由于CFRP材料具有復雜的各向異性，因此采用干式激光加工會產生較大的熱影響區和較嚴重的熱損傷，也會導致樹脂基體破壞，使碳纖維拔出、纖維末端膨脹。水導激光加工技術是激光和水射流結合的新型復合加工技術[20-22]，在減小熱影響區和增大切削深度方面具有潛在的優勢。WAGNER等[23]分別采用水導激光加工技術和傳統干式激光加工技術高速切割金屬薄板，結果表明，在相同的切割速度和加工效率下，由于脈沖間隙水射流的沖刷和冷卻作用，采用水導激光加工技術獲得的切割表面無毛刺，幾乎無熱影響區。RASHED等[24]分別采用水導激光加工技術和微細電火花加工技術進行噴油器噴嘴內表面鉆孔，結果表明，采用水導激光加工技術獲得了比微細電火花加工更加光滑的表面，獲得的孔型更有利于燃料射流的霧化，由研究結果的可重復性和鉆孔質量對比可知，噴油器噴嘴內表面水導激光鉆孔在一定程度上是一種可靠的能替代微細電火花鉆孔的方法。

綜上所述，采用傳統加工方法和傳統干式激光加工在切割CFRP時，存在不可避免的分層、毛刺、熱損傷、錐度過大等問題，而采用水導激光加工技術有望解決這些問題[25-26]，但迄今為止，有關使用水導激光加工技術處理CFRP方面的研究報道較少。本文針對CFRP材料水導激光切割技術[27-28]，采用正交試驗優化方法，得到了最優工藝參數組合，探究了該技術在減小材料熱影響區、防止纖維分層與拔出方面的優勢和特點，并最終實現了4 mm厚CFRP材料的無錐度切割。

1 原理與試驗設計

1.1 水導激光加工CFRP原理

水導激光加工技術是一種水射流與激光耦合的復合加工技術[29]。CFRP的水導激光加工示意圖見圖1，激光束經過透鏡聚焦，再通過玻璃窗口進入水腔，通過調節聚焦透鏡和水腔的相對位置，使光束與噴嘴同軸。同時，經過增壓的超純水進入水腔，從直徑為50～300 μm的噴嘴射出，形成足夠長的高速穩定水射流。穩定水射流的作用類似于光纖，當激光的入射角等于或大于全反射臨界角時，激光從超純水(光密介質)到空氣(光疏介質)會發生全反射，激光通過水-氣界面的全反射將能量傳導到CFRP表面。與傳統干式激光加工不同，水導激光加工技術的工作距離更長，也無需考慮焦點的位移補償。CFRP在激光的照射下熔融或氣化，高速水射流將熔融物從切口中排出，并對切口表面進行冷卻，有效避免了材料的熱變形和熱損傷。由于材料熱性能的顯著差異，故碳纖維和環氧樹脂在水導激光加工過程中會有不同的反應，環氧樹脂在達到熔點后可以被去除，而碳纖維在達到升華閾值后才會被去除。

圖1 CFRP的水導激光加工Fig.1 Water jet guided laser processing of CFRP

1.2 試驗設計

本文使用自行研制的水導激光加工試驗裝置，其示意圖見圖2。主要包括：高功率納秒脈沖激光器、激光光束傳輸系統、水增壓系統、水射流與激光耦合裝置、同軸送氣裝置、CCD監測系統、運動平臺等。為了減小水中雜質對激光傳輸效率的影響，同時為了提高水的擊穿閾值，本試驗采用高壓純水與激光光束耦合；采用波長為532 nm的固體納秒激光器作為激光加工光源；采用氦氣作為輔助氣體保護水-氣界面；采用直徑為150 μm的噴嘴和尺寸為50 mm×30 mm×1 mm的熱固性CFRP板進行切割試驗。

圖2 加工系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of processing system

為探究進給速度、水射流速度、脈沖頻率和激光功率對CFRP切割深度的影響規律，設計四因素四水平共16組正交試驗對CFRP進行單次劃槽，每組試驗重復三次，試驗參數配置表和正交試驗設計表分別見表1和表2。采用正交試驗分析所得最優參數試切1 mm厚度的CFRP板，并與相同參數下的傳統干式激光切割進行對比，采用激光共聚焦顯微鏡測量切縫的三維形貌，通過掃描電子顯微鏡觀察切縫的熱影響層、纖維拔出和基體殘留物黏附等。

表1 試驗參數配置表

表2 正交試驗設計

2 試驗結果及分析

2.1 正交試驗的極差分析

水導激光加工過程是一個多參數耦合的非線性過程，探究耦合作用下各參數對切割深度的影響規律是水導激光切割CFRP的關鍵。本文采用極差分析法來處理正交試驗數據，得出正交試驗中各因素對CFRP切割深度影響的主次順序以及各因素的最優水平組合。

由主效應圖(圖3)可以看出，進給速度、脈沖頻率和激光功率三者的回歸線較陡，故主效應影響較為顯著，而水射流速度的回歸線較平緩，故主效應影響不顯著。從圖3中還可以得出：隨著進給速度的增大，切割深度減小；隨著水射流速度和水射流功率的增加，切割深度增大；隨著脈沖頻率的提高，切割深度先增大再減小，在脈沖頻率為40 kHz時切割深度最大。脈沖頻率與切割深度非正相關的原因可能是：脈沖頻率過高時，上一個脈沖與CFRP作用產生的熔融物和等離子等物質還未被高速水射流帶走，下一個脈沖能量就被等離子體吸收，只有極少部分能量作用在材料上，單個脈沖的利用率偏低，導致切割效率降低。此外，脈沖頻率過高時類似于連續激光加工，水射流的冷卻效應會減弱。由交互作用圖(圖4)可以發現，圖中沒有明顯平行的效應線，說明四個因素之間均有交互作用。由切割深度的均值響應表(表3)可知，各因素對CFRP切割深度影響的排序從高至低依次為：激光功率、進給速度、脈沖頻率、水射流速度。

圖3 主效應圖Fig.3 Main effect diagram

(a) 水射流速度與進給速度 (b) 脈沖頻率與進給速度 (c) 激光功率與進給速度

表3 切割深度的均值響應表

綜合以上分析，可得出各因素下采用正交試驗極差分析所得的最優水平組合為：進給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率40 kHz、激光功率30 W。

2.2 劃槽形貌分析

將16組正交試驗結果進行直接對比，得到的最優結果是第4組，該組合中各因素對應的水平分別為：進給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率50 kHz、激光功率30 W，上述采用直接對比所得最優組合(下稱“試驗組”)與2.1節中采用正交試驗極差分析所得最優組合(下稱“理論組”)只在脈沖頻率上有差別。對上述試驗組與理論組分別進行單次劃槽切割1 mm厚CFRP，獲得的切縫三維形貌分別如圖5a和圖5b所示，試驗組與理論組的數據對比如表4所示。與試驗組相比，理論組的切縫深度增大3.2%、切縫寬度減小9.2%、切縫錐度減小11.8%、切縫左側壁線粗糙度減小40.2%，故本文采用正交試驗極差分析所得最優組合(進給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率40 kHz、激光功率30 W)進行CFRP切割試驗。

(a) 試驗組

表4 試驗組與理論組數據對比

由圖5可見，切縫兩側有樹脂層剝落現象，分析原因可能是在水導激光加工過程中，激光能量經水射流傳導到CFRP表面，CFRP上表面的樹脂吸收激光能量被熔融或氣化，高速水射流強力沖刷切縫兩邊，當切縫邊緣的樹脂層有微小裂紋時，水射流的沖擊會使裂紋擴展，繼而引起剝落。由圖5還可以看出，單次劃槽切縫截面呈“V”形。造成截面呈V形的原因主要有兩種，一是由于激光焦點是在水射流近中心處耦合的，雖然在近中心處耦合的可靠性較高，但是會導致水射流近中心處功率密度高于邊緣的功率密度[30]，于是與水射流近中心處接觸的CFRP會最先達到消除閾值，材料吸收激光能量被熔融或氣化，熔融物被高速水射流沖走，逐漸形成V形截面；二是根據流體力學可知水射流中心處靜壓力大[31-32]，由中心向外靜壓力逐漸減小，當材料吸收激光能量被熔融或氣化后，靠近水射流中心處的熔融物會先排出，由中心向外排出的速度逐漸變慢，繼而形成V形截面[33-34]。

2.3 與干式激光對比分析

選用同一激光參數進行干式激光劃槽和切割CFRP，并與水導激光劃槽和切割CFRP進行對比。圖6a所示為干式激光加工，由圖可見干式激光劃槽兩側影響域最大寬度D≈860 μm，最小寬度d≈587 μm。由于激光的熱效應，劃槽兩側的樹脂層已經熔融或氣化，可以看到碳纖維露出，熔融后再次冷卻凝固的樹脂黏附在切縫表面。由圖6a的局部放大圖(圖6b)可見，碳纖維末端受熱發生膨脹，碳纖維之間的樹脂受熱分解，形成微小的空洞；樹脂基體被破壞，碳纖維出現分層；熔融物和熱膨脹導致槽側壁較為粗糙，切割質量較差。與干式激光劃槽相比，由圖6c所示的水導激光劃槽可以看到槽兩側較干凈，兩側影響域最大寬度D≈399 μm，最小寬度d≈220 μm，槽兩側有輕微樹脂層剝落，幾乎看不到熱影響區與熔融物附著，由圖6c的局部放大圖(圖6d)可見，碳纖維斷面整齊，無受熱膨脹現象，也看不到熔融物附著，由于水射流的沖刷，槽道較為干凈，切割質量較好。

(a) 干式激光 劃槽表面 (b) 干式激光劃槽表面局部放大圖

圖7a所示為干式激光切割截面，由圖可見CFRP的熱影響區域輪廓呈弧形，熱影響區最大處出現在切縫中部，而不是切縫的上下表面附近，分析原因可能是上下表面附近的熱量很容易擴散到空氣中，而材料內部的熱量比較容易累積。另外，本次試驗是沿垂直于碳纖維排列方向進行切割，由于碳纖維軸向的熱導率較大，故熱量更容易沿碳纖維軸向傳播，而在碳纖維徑向由于纖維之間被樹脂填充，熱量會在纖維和樹脂之間交替，因此熱量不易沿此方向傳播。由圖7a可知，由于熱量的累積，使得靠近切縫的樹脂基體和切縫截面表層的碳纖維已經氣化消失，且有熔融物附著在切縫截面和上下表面。此外，由圖7a還可以看出，靠近切縫的樹脂基體已經氣化消失，碳纖維失去樹脂基體的束縛導致纖維拔出，如圖7a的局部放大圖(圖7b)所示，從而導致整體的切割質量較差。圖7c所示為水導激光切割CFRP截面，由于水射流的強力沖刷和冷卻作用，切縫截面幾乎看不到熱影響區，切縫內壁也沒有熔融物附著，樹脂基體也沒有被破壞。由圖7c的局部放大圖(圖7d)可見，切縫表面光滑，無熔渣。分析原因主要是在水導激光加工過程中，CFRP吸收激光能量會熔融或氣化，而在脈沖間隙，高速水射流強力的沖刷和冷卻效應及時帶走了熔融物和熱量，最大限度地減少了熱影響區和熔融物堆積，避免了熔融物附著在切縫側壁和上下表面，因此槽道干凈，無熔渣，切割質量較好。

(a) 干式激光 切割形貌 (b) 干式激光切割形貌局部放大圖

圖8所示為水導激光切割表面。選擇圖8a中的6個區域采用激光共聚焦顯微鏡測量其面粗糙度，測量范圍為100 μm×100 μm，測得面粗糙度均值為3.85 μm；圖8b為圖8a的局部放大圖，測量圖示6個位置的線粗糙度，測量長度為100 μm，測得線粗糙度均值為1.81 μm。具體粗糙度值見表5。

表5 面粗糙度與線粗糙度測量結果

綜合以上分析，并參考面粗糙度和線粗糙度測量結果可知，采用水導激光加工方式切割CFRP的切割表面質量較好，由圖8b可以看出，纖維層和樹脂層清晰分明，無熱影響區。

2.4 大厚度CFRP切割

在最優組合參數下進行了大厚度CFRP切割試驗。2 mm厚度CFRP切縫寬度約為183.1 μm，錐度約為4.9°，如圖9所示。4 mm厚度CFRP切縫寬度約為544.3 μm，錐度約為8.6°，如圖10a和圖10b所示。在水射流直徑較大、激光功率密度較低時，由于水射流近中心處功率密度和靜壓力大，且由中心向外逐漸減小，故采用水導激光加工技術切割CFRP時會存在錐度。在本文中，通過調整工件的傾斜角度，實現了4 mm厚度CFRP的無錐度切割，如圖10c和圖10d所示。

圖9 2 mm厚度CFRP水導激光切割Fig.9 Water jet guided laser cutting of 2 mm thick CFRP

(a) 正常切割示意圖 (b) 正常切割結果

使用光斑分析儀測量水射流截面光束能量，其分布規律如圖11所示。激光器發出的高斯光束經過擴束系統、光路傳輸系統，最后耦合進入水射流，在水-氣界面發生全反射并沿著水射流方向傳輸，在水射流截面的高斯光束依然呈現高斯分布，即水射流截面近中心處的功率密度高于邊緣的功率密度，這是導致切割錐度產生的主要原因。

圖11 水射流中的能量分布Fig.11 Energy distribution in water jet

3 結論

(1)各工藝參數對水導激光切割CFRP深度的影響排序從高至低依次為：激光功率、進給速度、脈沖頻率、水射流速度。正交試驗極差分析所得最優參數組合為：進給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率40 kHz、激光功率30 W，相比于采用直接對比所得最優組合，切縫深度增大3.2%、切縫寬度減小9.2%、切縫錐度減小11.8%、切縫左側壁線粗糙度減小40.2%。

(2)在水導激光切割CFRP時，脈沖頻率并不是越高越好，脈沖頻率過高時，脈沖與CFRP作用產生的熔融物和等離子等物質在短時間內還未被高速水射流帶走，后續脈沖能量會被等離子體吸收，只有極少部分能量作用在材料上，導致單個脈沖能量利用率偏低，切割效率降低。

(3)與傳統干式激光切割CFRP對比發現，由于激光與水射流同軸，高速水射流的沖刷作用可使熔融物更快排出，冷卻作用使熱影響區更小，槽道內壁干凈，碳纖維斷面整齊，無受熱膨脹現象。由此可知，采用水導激光加工技術切割CFRP在減小熱影響區、防止纖維分層、拔出方面具有顯著優勢。

(4)當水射流直徑較大而激光功率密度較低時，由于水射流近中心處功率密度和靜壓力偏大，因此采用水導激光加工技術切割CFRP時會存在錐度。通過調整工件的裝夾方式或激光加工頭的角度，可實現4 mm厚度CFRP的無錐度切割。