激光掃描角度對碳纖維復合材料的熱影響研究分析

侯紅玲,呂瑞虎,郝海凌,吳 浪

(1.陜西理工大學機械工程學院,陜西 漢中 723000；2.陜西省工業自動化重點實驗室,陜西 漢中 723001)

1 引 言

碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)的含碳量高于90 %,具有耐高溫、耐摩擦、質量輕和強度高等特性。CFRP因其優良特性,被越來越廣泛地應用在航空航天、汽車工業和體育器材等不同領域[1]。由于CFRP受纖維增強體和樹脂基體之間的物理性能差異、鋪層角度不同等因素的影響,存在層間強度低、各向異性、硬度高、脆性大等特點,使用傳統的機械加工方式將會導致材料分層嚴重,加工之后材料的性能變差,刀具過度磨損,如若頻繁更換加工刀具,勢必將增加額外的生產時間和加工成本[2-3],水射流切割雖然具有經濟環保的優點,但其切割速度較慢,不適于規模大批量加工生產[4]。為推進碳纖維復合材料的使用進程,適應當今社會對快速高效、清潔無污染的加工要求,激光切割技術越來越受關注并得到肯定。

激光切割是一種清潔無污染、無磨損、無機械切削力、切割速度快的加工方法,激光切割在碳纖維復合材料加工中具有很大潛力[5-6]。激光切割作為一種熱加工方式難免會對材料產生熱影響作用,為進一步了解激光切割對CFRP的熱影響作用,國內外研究人員已開展了相關研究,Tomomasa OhKubo等[7]利用熱重分析、差熱分析和有限差分法,模擬材料在燒蝕過程中的去除率,提出在研究激光切割CFRP產生熱影響區時應同時考慮材料的熱導率和燃燒效應。張瑄珺等[8]通過改變激光不同工藝參數,進行CFRP激光打孔質量研究,獲得最優參數和最好打孔質量效果?；ㄣy群等[9]對比分析了在空氣中和水下激光器切割CFRP的試驗結果,發現水下切割可以獲得較好的切割質量。P.Mucha等[10]在距切縫不同距離嵌入溫度傳感器,采用熱流模型描述不同纖維取向的各層的平均溫度,測定了熱傳導損耗激光功率高達30 %。陳敏孫[11]等通過試驗研究發現切向氣流可將樹脂基體熱解產物吹除,促進氧氣與碳纖維接觸發生氧化作用,利于碳纖維去除形成切縫。Maojun Li[12]等通過激光切割碳纖維復合材料,發現碳纖維復合材料層合板的破壞形式主要取決于纖維的取向。李雅娣[13]等人利用電鏡從微觀分析得到激光對碳纖維復合材料結構造成破壞的模式,并通過熱重分析得到碳纖維復合材料的熱分解規律。M.FuJIta[14]等人研究了超短脈沖激光加工CFRP,發現超短脈沖激光在加工CFRP時無熱損傷,但其平均功率有限,加工效率太低,不適于批量加工。張家雷[15]等人分別在真空和大氣兩種環境條件下,進行了激光輻照碳纖維復合材料的對比試驗,發現不同環境條件下激光對碳纖維復合材料的燒蝕效應規律。M.S.Wahab[16]等通過試驗研究提到可通過減少激光對材料的作用時間,來降低激光切割對材料的熱影響。

由于纖維熱導率和氣化溫度都高出基體很多,當采用激光切割CFRP時,在纖維被去除形成切縫前,基體會因吸收較多的激光能量被燒蝕、熱解氣化形成熱影響區(Heat Affect Zone,HAZ),影響切割質量。纖維軸向熱導率大于徑向熱導率且遠大于樹脂基體熱導率,在研究激光切割對材料造成的熱影響時,纖維鋪設方向是一個不可忽略的影響因素,因此本文對常用的纖維鋪設角度即0°、45°和90°進行激光切割模擬和試驗研究,并得到相關結論為提高加工質量提供參考。

2 CFRP參數及模型建立

模擬仿真和激光切割試驗所用材料性能參數一致,選用基體為9A-16環氧樹脂基體,增強體碳纖維為東麗T300,纖維束在整個模型中的體積含量為68 %,單絲直徑0.7 μm。表1為碳纖維復合材料性能參數。

表1 碳纖維復合材料性能參數Tab.1 Performance parameters of carbon fiber reinforced plastics

由于CFRP為纖維增強體和樹脂基體共同構成的復合結構,本文重在研究激光掃描角度對材料的熱影響,材料厚度方向為次要因素,為使模擬接近激光切割CFRP的實際工況,選擇具有八節點、三維熱傳導能力適用于瞬態熱分析的SOLID70單元,構建碳纖維復合材料模型尺寸為5 mm×5 mm×0.15 mm。假設纖維束直徑為0.14 mm、兩纖維束間距為0.01 mm并由樹脂填充粘結,根據纖維體積含量68 %,經計算得到纖維束的數目約為33根,采用GLUE命實現樹脂與纖維時間的能量傳遞作用,以此建立碳纖維復合材料有限元模型,并對激光直接作用區域進行網格密化,得到CFRP有限元模型如圖1,單元總個數為404561,其中圖(b)為CFRP有限元模型局部放大圖,編號為1和2的區域分別代表的是纖維束和樹脂基體。

圖1 CFRP有限元模型Fig.1 Finite element model of CFRP

3 熱源加載及邊界條件

激光加工是經聚焦的高功率密度激光束照射在工件表面使材料熱降解、熔化或氣化,借助光束同軸輔助氣體,吹除熔融物,最終實現材料的去除[17]。高斯熱源能夠表征激光切割材料的熱流分布特征,能量以熱傳導形式在材料內部傳遞,三維直角坐標系下材料內部任一點的熱傳導方程為[18]:

(1)

式中,T是材料內某一點(x,y,z)處在某一時刻t的溫度,求解該方程,可以得知溫度場的分布情況。

第一類邊界條件定義了材料的初始溫度值,本文研究擬在室溫下進行,假設室溫為定值,設置材料初始溫度為20 ℃；第二類邊界條件定義了材料上加載的熱流密度值,本文通過加載高斯熱源實現激光對材料產生熱影響作用,高斯熱源模型如式(2)所示；第三類邊界條件定義了材料與周圍介質的對流換熱系數及周圍介質溫度,本研究在高斯熱源直接作用區域采用表面效應單元SURF152加載隨溫度變化的對流換熱,設置周圍介質溫度為20 ℃。

(2)

式中,q(r)為距光斑中心r處的熱流密度；qmax為光斑中心最大熱流密度；r0為激光光斑半徑。

4 模擬仿真及分析

為研究激光掃描角度對CFRP的熱影響作用和激光能量傳播規律,在激光功率為300 W,掃描速度為15 mm/s,光斑半徑為0.3 mm的條件下,分別以常用的纖維鋪設角度即0°、45°和90°作為激光掃描角度。模擬過程中,激光切割對材料的作用結果直接表現形式為溫度場,因此可通過觀測表層基體溫度場和內部纖維溫度場的分布情況,表征激光掃描角度對材料的熱影響作用,并對激光能量的傳遞規律進行研究分析。如圖2不同掃描角度表層基體和內部纖維同一時刻溫度場。

圖2 不同掃描角度表層基體和內部纖維同一時刻溫度場Fig.2 Temperature field of surface matrix and inner fiber at the same time with different scanning angles

由圖2可以看出,三種掃描角度下,內部纖維溫度場范圍都要比表層樹脂基體的廣,這一點驗證了纖維熱導率大于樹脂基體熱導率的實際情況。隨掃描角度的增大,溫度場范圍逐漸變廣,以最外圍等溫線為界,測量得到掃描角度為0°時表層基體和內部纖維溫度場寬度分別是1661.95 μm、1864 μm；將45°掃描時的溫度場寬度,定義為左上角和右下角對角線的平行線,與最外圍等溫線的兩個交點之間的最大距離,以此測得表層基體和內部纖維溫度場寬度分別3051.26 μm和3206.7 μm；掃描角度為90°時,測得表層基體溫度場寬度為3651.74 μm。上述各工況下,內部纖維溫度場始終大于表層樹脂基體,說明在實際的激光切割加工過程中,切縫兩側基體存在被燒蝕氣化回縮的可能性。溫度場擴散方向即材料吸收激光能量的傳遞方向,其主要沿著纖維軸向進行,說明碳纖維復合材料吸收的激光能傳遞方向由纖維軸向主導。

由于基體的熱導率比碳纖維低很多,會阻礙激光能量的傳遞,直接表現形式為材料的溫度升高,因此為了解掃描角度對激光能量傳遞的影響作用,取同一時刻不同掃描角度的表層基體和內部纖維最高溫度進行觀測,如圖3為同一時刻表層基體和內部纖維最高溫度隨掃描角度的變化。

圖3 不同掃描角度時基體和纖維最高溫度變化Fig.3 Maximum temperature changes of matrix and fiber at different scanning angles

由圖3可知,隨激光掃描角度的增大,表層樹脂基體最高溫依次為5922.73 ℃、4888.83 ℃、4405.56 ℃,內部纖維最高溫度依次為4128.36 ℃、3674.66 ℃、3453.47 ℃,兩者最高溫度隨激光掃描角度的增大逐漸降低,這主要是因為纖維軸向熱導率較大,當激光作用于CFRP時,激光能量傳遞方向易受由纖維軸向主導,樹脂的熱導率較小,會阻礙相鄰纖維之間的能量傳遞,在樹脂和纖維綜合作用下,纖維軸向上能量累積較高,由于熱積累效應的存在,當沿纖維方向掃描時有溫度最高。

為便于分析和表述激光能量在內部纖維上的傳遞情況,首先對CFRP中纖維束和樹脂的熱導性高低進行簡述。基于假設:

(1)在水平面上的纖維增強體為正交各向異性、樹脂基體為各項同性；

(2)激光對CFRP的起始作用點和終點都在纖維增強體上；

(3)水平面內纖維增強體的熱傳導方向僅有X方向、Y方向；

(4)激光作用起始點為O點,終點為N點。

構建如圖4 CFRP中纖維束和樹脂熱導性高低分布示意圖。

圖4 CFRP中纖維束和樹脂熱導性高低分布示意圖Fig.4 Distribution of thermal conductivity of fiber bundle and resin in CFRP

由圖4可知,三種掃描角度相比之下,0°掃描時,激光能量向兩側傳遞能力較差,耗損量較低,激光能量主要由纖維軸向傳遞,在終點N處熱積累量較高；掃描角度為45°時,由起始點O到終點N經過多根纖維束和樹脂基體層,且每根纖維束和每層樹脂基體都會進行激光能量傳遞,但由于樹脂基體熱導率較低,對激光能量的傳遞有阻礙作用,因此45°掃描時,由始點到終點路徑上熱積累量較高；90°掃描時,由起始點O到終點N,經多根纖維束,但和45°掃描相比,其向周圍傳遞激光能量較少,和0°掃描相比,其向周圍傳遞激光能量較多。因此,當激光沿纖維方向掃描時,在起始點O到終點N的掃描路徑上有較低的熱積累；當與纖維方向呈45°掃描時,在掃描路徑上有較高的熱積累,而垂直于纖維方向掃描時,在掃描路徑上的熱積累量介于0°掃描和45°掃描角度之間。

5 激光切割試驗驗證

5.1 激光切割設備及檢測儀器

激光切割試驗采用YN-CFB1320-2000型光纖激光切割機,通過新天JVC300T型全自動視頻測量儀獲取激光切割試件熱影響區整體區域,并采用VHX-7000型超景深三維顯微鏡觀測切割試件細節形貌。

5.2 試驗結果

為驗證模擬分析結果,采用和模擬一致的激光參量,進行掃描角度分別為0°、45°和90°的激光切割試驗,并采用5.1節所述檢測設備,對切割后得到的試件進行觀測,圖5所示為激光切割試驗結果。

圖5 激光切割試驗結果Fig.5 Experimental results of laser cutting

對比圖5中三種掃描角度,可以發現當掃描角度為45°和90°時,基體熱解氣化導致裸露出的碳纖維呈深黑色,且掃描角度為45°時,深黑色區域更明顯。進一步分析可知,當激光沿纖維方向掃描時,靠近切縫區域的樹脂被熱解氣化,對沿纖維軸向的熱傳導沒有阻礙作用,不會造成熱積累,而掃描角度為45°和90°時,由于基體氣化區域有限,未被熱解氣化的基體對激光能量的傳遞有阻礙作用,造成熱積累,但該熱量達不到纖維的氣化溫度,僅能導致纖維高溫碳化。激光能量的傳遞方向雖然由纖維軸向主導,但同時在纖維徑向上也會緩慢地傳遞到粘結纖維的樹脂基體,且掃描角度為45°比掃描角度為90°向樹脂傳遞的能量多,從而導致掃描角度為45°時熱積累更多,造成纖維碳化更明顯。

本文將切縫兩側熱影響區寬度之和擬定為HAZ整體范圍,通過超景深三維顯微鏡觀測激光切割后的試件,發現當掃描角度為分別為0°、45°和90°時測得HAZ整體范圍分別為1796 μm、3108.2 μm和3705.3 μm。因為HAZ主要是針對樹脂基體而言,因此以模擬所測基體溫度場范圍與激光切割試驗所測HAZ整體范圍擬合,得到圖6所示熱影響范圍隨掃描角度的變化趨勢。

圖6 熱影響范圍隨掃描角度的變化趨勢Fig.6 Variation Trend of heat affected area with scanning angle

由圖6可知,模擬分析和激光切割試驗對材料造成的熱影響范圍,隨掃描角度的增大,逐漸增大,試驗測得HAZ范圍整體上大于模擬測得HAZ范圍,最大差值為134.05 μm,誤差為7.46 %,該誤差可能來源于測量誤差和試驗機床誤差等,但其總體變化趨勢具有一致性,一定程度上可說明模擬分析的正確性。

6 結 論

以纖維典型鋪設角度即0°、45°和90°為基礎,研究分析了激光掃描角度對材料的熱影響及能量傳遞過程中熱積累影響,并進行了激光切割試驗驗證。結果表明,隨激光掃描角度的增大,激光切割對材料造成的HAZ范圍逐漸增大,有限元模擬測得HAZ范圍與激光切割試驗所測HAZ范圍存在一定誤差,最大誤差為7.46 %；激光能量的傳遞方向主要由纖維軸向主導,當掃描角度為45°時,激光掃描路徑上熱積累較多,切縫兩側纖維碳化較嚴重,模擬仿真分析與激光切割試驗觀測結果特征吻合,驗證了模擬分析的有效性。