激光加工碳纖維增強復合材料研究進展

周 遼，龍芋宏，焦 輝，覃 婷，黃宇星，張光輝，黃 平，鐘志賢*

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院 廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室，桂林 541004；2.桂林理工大學 機械與控制工程學院， 桂林 541006)

引 言

近年來，隨著產品朝著輕量化方向不斷發展，常用的合金材料在性能提升方面處于技術瓶頸階段，短時間內難以滿足人們對輕量化產品的需求[1]。碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)作為新型高性能復合材料，具有質輕、比強度高、比模量高、耐腐蝕、抗疲勞性好、比剛度大、減震性好等優點，被廣泛應用在航空航天、汽車工業、醫療器械、體育用品、國防等領域[2-4]。CFRP具有優異的性能，集軍事和經濟價值于一身，是各個國家軍事發展與經濟競爭的焦點之一。CFRP主要由碳纖維和樹脂通過模壓、熱罐、拉擠等先進制造技術成型[4]，其中碳纖維主要用于承受載荷,而樹脂的作用是將碳纖維包裹并傳遞負載[5]。但一次成型的制品常常因為不能滿足產品的工藝要求而需要進行二次加工，由于CFRP中碳纖維和樹脂熱力學性能的巨大差異，使得CFRP二次加工變得十分困難。傳統加工技術會造成CFRP分層、纖維破碎、加工效率低等缺陷，同時接觸式加工會使刀具發生過度磨損，大大增加加工成本[6-10]。

激光加工技術作為一種新型的非接觸式加工，具有加工效率高、加工精度高、無切削力、易于控制等優點，被廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工領域。國內外有不少學者對激光加工CFRP進行了實驗研究。AKSHAY等人[11]對玻璃纖維增強復合材料和CFRP進行了常規鉆孔和激光加工實驗，研究表明，激光加工效率更高，但由于組成CFRP的碳纖維氣化溫度在3000℃以上，而樹脂在300℃開始發生熱分解；此外，碳纖維的熱導率遠高于樹脂的熱導率，而碳纖維軸向熱導率約為徑向熱導率的數十倍以上，所以激光加工CFRP時，會產生切縫邊緣熱影響區大、錐角大、纖維拔出等一系列熱損傷問題。為了降低熱損傷，YE等人[12]用532nm的皮秒激光和機械加工兩種方式對CFRP進行制孔實驗，實驗證明激光加工后CFRP表面質量更好。STOCK等人[13]用激光加工、機械加工和水射流加工切割CFRP研究，發現適當的冷卻方式有降低熱損傷的可能性。

基于此，本文中圍繞影響激光切割CFRP加工質量的主要因素展開了綜述，通過分析激光加工CFRP的研究現狀，闡述了激光與CFRP相互作用機理，旨在為低損傷激光加工CFRP提供理論依據與技術參考。

1 CFRP與激光相互作用機理

CFRP主要由碳纖維和樹脂組成，其中碳纖維的排列方向對CFRP熱力學性能影響極大。常見排列方式是相鄰層碳纖維處于異面正交或者呈現角度為45°的狀態，在樹脂的作用下交聯在一起。由于CFRP具有各向異性的特性，導致激光與CFRP相互作用時會發生復雜的物理或者化學變化。為了進一步了解激光加工CFRP去除機理，國內外學者進行了大量實驗探索。

PANG等人[14]用脈沖Nd∶YAG激光加工碳纖維復合材料，結果表明,該材料的去除主要是熱蒸發和熱熔化，當有氧氣存在時，會發生氧化放熱促進光熱效應，加快去除效率。TAO等人[15]通過雙光束對位錯激光鉆孔工藝(dual-beam opposite dislocation,DBOD)對較厚的CFRP進行實驗，發現波長為1064nm的超短脈沖激光加工CFRP時，此波長激光的單光子能量(1.17eV)不足以直接打斷材料分子間鍵(3.44eV)，所以熱蒸發去除是其主要的去除機理。TAKAHASHI等人[16]分別用紅外激光和紫外激光對CFRP進行熱傳導實驗分析，如圖1所示。研究表明，與紫外激光相比，樹脂對紅外激光的透光率更大，激光能量主要用于氣化去除碳纖維，樹脂主要在碳纖維導熱和氣體壓力共同作用下去除；而在紫外激光作用時，樹脂吸收的激光能量遠大于紅外激光，同時由于紫外激光光子能量大，直接打斷材料分子間化學鍵，使材料中原子、原子團簇與材料分離，所以紫外激光加工屬于光化學反應，實現材料的“冷加工”。ZHU等人[17]用355nm的皮秒脈沖激光對CFRP進行了銑削實驗，發現紫外激光除了發生光化學反應外，在激光與材料相互作用過程中還存在熱解和力學剝蝕，有助于材料的去除[18]。

圖1 紅外和紫外激光加工CFRP機理[16]

ZHANG等人[19]發現超快激光加工過程存在光熱效應、光化學效應、機械效應等復雜的去除機理。 在激光加工材料時,不同激光參量導致以上各效應去除權重將會發生變化。

綜上所述，CFRP與激光相互作用的去除機理主要分為熱熔化、熱蒸發、光化學反應、機械剝蝕等[14-20]。機械剝蝕表現為在材料蒸汽、熱應力、輔助加工等多能場共同作用下，對軟化的材料進行機械去除。根據以上分析可以知道CFRP的去除機理主要取決于波長和脈寬。關于波長、脈寬對激光加工CFRP的作用實質將會在下面做具體闡述。

2 激光特性

2.1 激光波長

ROMOLI等人[21]通過分光光度計Halo DB-20測量了樹脂等聚合物作為基質時對不同波長的吸收率，如圖2所示，發現波長越短，樹脂對其吸收率越高。當波長超過650nm后，樹脂幾乎不吸收激光，所以當波長大于650nm時樹脂的去除主要是依靠碳纖維導熱去除，熱影響區(heat affected zone，HAZ)較大。但波長也不是越短越好，DELL’ERBA等人[22]發現準分子激光在加工時，幾乎沒有熱傳遞和擴散現象，雖然可以獲得好的加工質量，但是準分子激光加工成本高，同時準分子激光重復頻率低，加工效率低，不適宜用于工業生產[23]。

圖2 尼龍PA6、聚醚醚酮、聚苯硫酸和環氧樹脂的吸收光譜[21]

GOEKE等人[24]研究發現，相比于波長為1.07μm的光纖激光，CFRP更容易吸收波長為10.6μm的CO2激光，主要原因是光纖激光屬于面吸收，而CO2激光屬于體吸收，并指出在加工厚CFRP時，CO2激光更具有優勢。

為了探究不同波長的激光與材料相互作用時對加工質量的影響，TAKAHASHI等人[16]分別用波長為266nm的紫外激光和1064nm的紅外激光對CFRP進行了切割實驗，如圖3所示。研究發現，波長為266nm的紫外激光能直接被樹脂吸收，相比波長為1064nm的紅外激光，HAZ減小了約3.5倍，有效地提高了加工質量，并指出切割質量取決于激光波長。FUJITA等人[25]研究發現,波長越短，產生的熱損傷更小。

圖3 紅外激光和紫外激光加工熱影響區對比[16]

WOLYNSKI等人[26]用波長分別為355nm,532nm和1064nm的高功率皮秒激光對CFRP進行了鉆孔實驗。研究發現，激光加工的質量和波長有直接的關系，與波長532nm的激光相比，波長1064nm激光加工的最大HAZ增加了1倍；同時發現波長越長，相同情況下加工的深度越深。LI等人[27]也發現,紫外激光加工能獲得更小的HAZ。

綜上所述，激光波長越短，單光子能量越高，同時由于波長越短，樹脂對激光的吸收越高，在單位時間內，單位面積中材料獲得的能量更多，可以更快實現材料的去除，在很大程度上抑制了熱傳遞和擴散的過程。當波長足夠短，即光子能量足夠大時，則可以直接將材料的化學鍵打斷去除，實現“冷加工”。而波長越長，單光子能量越低，樹脂對激光的吸收越低，此時CFRP主要是通過熱效應去除，熱積累嚴重，HAZ大。所以為了獲得較好的加工質量，可以選擇較短波長的激光進行加工[28-30]。

2.2 激光脈寬

激光與材料相互作用過程中，根據脈沖持續時間，可以將其分為兩類：第1類是連續或長脈沖激光；第2類是短脈沖或超短脈沖激光。連續或長脈沖激光作用時間大于材料弛豫時間，材料通過熱效應達到去除效果，產生較大的HAZ；而短脈沖或超短脈沖激光作用時利用產生的等離子體等方式去除材料，有利于提高加工精度[28-29]。

HERZOG等人[31]分析了脈沖Nd∶YAG激光、連續模式的碟片激光對CFRP加工質量的影響。研究表明,脈沖Nd∶YAG激光能獲得更好的加工質量和強度，連續模式的碟片激光加工質量略低。

FENOUGHTY等人[32]用連續CO2激光和脈沖Nd∶YAG激光切割CFRP，對比CFRP的切割質量，發現脈沖激光切割的熱損傷比連續激光產生的熱損傷更小。這是因為脈沖激光切割時在相鄰脈沖之間有冷卻間隙，而連續激光切割不存在冷卻間隙，故熱積累嚴重，產生的HAZ更大。SCHNEIDER等人[33]使用連續激光和脈沖激光加工CFRP，加工表面如圖4所示。在使用相同加工參量下，可以明顯看到脈沖激光加工后表面質量更好。

圖4 a—脈沖激光加工圖 b—連續激光加工圖

ZHU[17]、ZHAO[29]等人用短脈沖激光對CFRP進行實驗研究，均發現由于短脈沖激光具有很高的峰值功率密度，可達到材料的擊穿閾值，產生等離子體并去除材料，在加工時由于脈沖持續時間短，所以相鄰脈沖之間有較長的冷卻時間，熱積累少，所以HAZ更小。

綜上所述，由于連續激光或長脈沖加工屬于持續熱作用，熱積累嚴重，故加工質量較差；而脈沖激光加工時，相鄰脈沖之間有冷卻時間，可以減少熱積累，在一定程度上抑制了HAZ的增加，所以更適合用來加工CFRP。脈沖持續時間越短，加工質量越高，當脈沖寬度為皮秒和飛秒量級時，幾乎不存在熱積累，故HAZ很??；同時材料在加工過程中產生的等離子體加快材料去除，且有利于提高加工精度[33-35]。雖然超短脈沖加工質量好，但其加工效率較低。目前對超短脈沖提升加工效率雖然有較多的研究，但仍未從根本上解決該問題，仍然需要進一步研究如何提升加工效率。

3 工藝參量

為了獲得更高的加工質量，國內外學者針對激光與材料的相互作用過程開展了多種工藝參量優化實驗。OHIN等人[36]重點研究了評價切割質量的因素：切口寬度、切口深度、基質蒸發寬度、基質后退寬度、切口錐角、基質損壞區和切割的表面形態，并給出了相應定義的示意圖，如圖5所示。

圖5 各切割質量因素定義[36]

通過研究不同工藝參量對激光加工CFRP質量的影響，LEONE等人[37]發現合理的工藝參量能夠獲得更小的熱影響區。RIVEIRO等人[38]研究發現,由于碳纖維和基體之間物理特性存在巨大差異，指出激光加工CFRP時，HAZ是不可避免的，但可以通過工藝參量優化獲得最小的HAZ[24]。

為了減少激光與材料相互作用的時間，使加工區域有較多的冷卻時間，LI等人[39]通過研究單次和多道次切割CFRP實驗，發現在高速多道次切割時，每次掃描時升華材料的量少，有較多的散熱時間，可以顯著減少熱影響區；同時切縫中殘渣也較少。如果采用多道次切割，但每道切割之間沒有間隔時間，熱影響區的減小比較有限。在加工過程中，CFRP出現了纖維末端膨脹，這可能是碳纖維徑向導熱率低于軸向導熱率，在極短時間內，沿徑向方向的纖維末端迅速堆積的熱量破壞了碳纖維的層狀石墨結構，推動碳纖維中細小的氣穴增壓和膨脹，宏觀表現為纖維末端膨脹。為了進一步了解具體哪些工藝參量對激光加工CFRP存在較大影響，LEONE等人[40]利用Yb∶YAG光纖激光器對4mm厚的CFRP進行了實驗探究，發現影響加工質量的主要工藝參量為：激光束掃描速率、脈沖頻率、切割重復次數、相鄰掃描線之間的距離和掃描策略，并指出HAZ增加的一個原因是燃燒材料在工作表面的熱積累，使用交叉線式掃描策略可以提高材料表面清潔度和去除效率，同時減小HAZ。

MATHEW等人[41]利用脈沖Nd∶YAG激光切割2mm厚的CFRP，分析了切割速率、脈沖能量、脈沖寬度、重復頻率等對熱影響區影響,研究表明,重復頻率和切割速度對HAZ影響最大，較長的脈沖寬度、較低的重復頻率產生的HAZ越??；切割速率越高，HAZ越??；當脈沖能量/切割速率之比在2J/(mm·s-1)～4J/(mm·s-1)之間時，HAZ最小。FREITAG等人[42]研究發現,使用高脈沖能量和低重復頻率時，可以有效地降低基質蒸發區。TAKAHASHI等人[43]利用波長1064nm的脈沖光纖激光開展實驗，取平均功率125W、重復頻率為167kHz、脈寬為10ns，研究了每次切割間距和掃描速度對CFRP加工質量的影響，研究發現，切割間距和掃描速度對加工質量有很大影響，并指出了當掃描間距為±150μm、掃描速率為11.0m/s或者2.75m/s時可以獲得較好的加工質量。

PAGANO等人[44]通過研究平均輸出功率、激光束光斑直徑和通過次數，發現切縫的寬度取決于光束直徑，切縫深度隨著功率密度的增加而增加，并且可以增加總能量密度獲得高的材料去除率。相同激光功率下，光束直徑越小，功率密度越高，則單位時間內材料獲得熱量更多，材料去除更快。為了獲得激光功率、切割速度和脈寬對切割質量的影響，HE等人[45]利用激光對1.4mm厚鋼板開展實驗研究，發現影響切縫質量主要是激光功率和切割速率。ZHAO[29]開展了不同脈寬燒蝕材料的實驗，結果表明,使用短脈寬激光脈沖燒蝕材料時，燒蝕閾值小，能量利用率較高。

所以，激光與材料相互作用時，產生的熱損傷是不可避免的，但是可以選擇合理的工藝參量，實現激光低損傷加工CFRP，即控制激光與材料相互作用時間和輻照到材料中的能量。

當激光能量密度大于材料燒蝕閾值時，碳纖維氣化，光斑照射區域中碳纖維傳遞到樹脂的能量將樹脂通過熱效應、機械剝蝕等方式去除，由于激光與材料相互作用時間極短，熱傳遞和擴散極少，熱損傷低。當激光能量密度小于材料燒蝕閾值時，需要延長激光與材料相互作用時間來實現材料的去除，在此過程中熱傳遞和擴散嚴重，增加材料熱損傷。

綜上所述，為實現低損傷加工，應增加單位時間內材料吸收激光的能量，在最短時間內去除材料，抑制加工過程中的熱積累現象。所以，使用高功率、高切割速率、高脈沖能量、低重復頻率、小光斑直徑、短脈沖寬度、多道切割等工藝可以獲得CFRP更小的熱損傷，但是以上工藝參量不是簡單的組合，需要考慮各工藝參量間的交互作用，以獲得最優的加工工藝參量。工藝參量的優化雖然可以提高加工質量，但在使用不同激光器加工時材料去除機理和最優的工藝參量存在差異，建議研究者在優化工藝參量的基礎上從平衡碳纖維和樹脂熱力學性能差異的角度深入研究，如何獲得高質量加工。

4 氣液輔助

在激光與材料相互作用時，由于材料的去除會產生較大的反向蒸汽流，使得后續激光發生散射和損失，降低加工效率和質量。實踐中發現,在加工過程中增加輔助氣體不僅可以清理加工區域殘渣、抑制熱傳遞和擴散現象，還可以克服上述反向蒸汽流問題，提高加工效率；且可獲得更高的加工質量。

4.1 氣體輔助加工

RIVEIRO等人[38]使用3.5kW的CO2激光切割3mm厚的CFRP，研究了Ar氣體在不同氣壓下，通過同軸和旁軸超音速噴嘴噴射氣體輔助激光切割實驗，討論了輔助氣體對不同工藝參量切削質量的影響，發現在氣體輔助下有助于減小HAZ；但旁軸氣體輔助激光切割CFRP時易出現纖維拔出現象。

為使激光加工達到最大加工速率，FUCHS等人[46]使用氮氣輔助激光切割，為了防止高氣破壞組織物，將氣壓設置為0.04MPa，研究表明，在12m/min的切割速率下，仍能獲得較好的切割質量。HUA等人[47]的研究發現，隨著氣體壓力的增大，可以在相同時間內帶走更多的熱量，減少HAZ，但是氣體壓力對纖維拔出現象影響不大；如果當氣體壓力過大時，加工區域會形成渦流，削弱氣流的冷卻作用。

為了研究激光加工時材料的熱降解特性，NEGARESTANI等人[48]使用納秒脈沖Nd∶YAG激光器進行了切割實驗，發現在氮氣中混合少量氧氣后，由于氧氣氧化放熱作用可以促進材料的去除，同時利用氮氣的冷卻作用有效地抑制了HAZ的增長，提高了加工質量，其加工形貌如圖6所示。采用實驗設計(design of experiments，DOE)分析表明,纖維拔出主要受脈沖能量和脈沖頻率的影響，即脈沖能量越大纖維拔出越嚴重，并隨著頻率的增加纖維拔出程度先減小后增加。而KONONENKO等人[49]研究表明,氧氣只有在較深的切縫中才能體現其燒蝕作用，有利于提高加工效率和加工質量。此外，在材料加工區域表面，基質因氧氣的氧化放熱作用而造成額外的熱損傷，故加工時必須控制氧氣用量。

圖6 不同混合氣體比例下加工形貌圖[48]

綜上所述，氣體輔助激光加工CFRP過程中，高速氣流帶走加工區域的殘余熱量，有效降低了HAZ；同時高速氣流有利于清理加工產生的殘渣，減少對激光散射和吸收，促進激光和材料的作用，提高激光加工質量和效率。在氮氧混合氣體輔助激光加工CFRP過程中，氧氣與碳纖維和樹脂會發生氧化放熱反應促進材料的去除，同時氮氣的冷卻作用可以降低加工區域中的殘余熱量，使HAZ更小，因此氮氣中混合少量氧氣可以加快材料的去除并提高加工質量。此外，采用較低能量中等頻率加工時可以有效地控制纖維拔出現象；增加氣體壓力有利于去除加熱軟化后的材料，提高加工質量；但過大的氣體壓力，會在加工區域表面形成渦流，降低氣流冷卻效果。

4.2 液體輔助加工

雖然氣體輔助激光加工能改善加工質量，降低HAZ，但其效果有限，并且隨著對產品加工質量要求的不斷提升，需要探尋新的輔助加工方式以獲得更好的加工質量。HUA等人[47]通過開展氣體和水下兩種輔助激光切割實驗，分析了脈沖能量、頻率、切割速率和氣體壓力對加工質量的影響，對比實驗結果發現，水下切割能有效的減小HAZ；在氣體輔助時材料HAZ表現為上窄下寬，水下切割HAZ表現為上寬下窄,主要因為水具有比氣體更高的比熱容，冷卻效果更強，對基體的熱損傷更小，且切槽底部的HAZ比頂部?。欢鴼饬鲙ё吡瞬糠譄崃?，但是傳遞到底部的熱量不能去除較多的材料，但是足以損壞樹脂，造成比頂部更大的HAZ。

通過在加工區域表面上施加薄水層的方法，KAAKKUNEN等人[50]發現,有薄水層能獲得比空氣更高的加工效率，得到深寬比更大的孔，分析認為是由于流動的薄水層能及時帶走加工產生的殘渣、碎屑等，減少其對激光束的散射和吸收損耗。

WEE等人[51]用甲醇輔助激光加工碳化硅，由于甲醇具有較好的溶劑潤濕性、較低的沸騰溫度、較高的流動性等特點，實驗獲得的加工區域較為整潔，通過與空氣、靜態水、流動水中加工的孔相比，甲醇中加工的孔具有更好的加工形貌，并且氧化率較低。ZHANG[52]利用水射流輔助激光開展對CFRP的打孔實驗，研究了不同流速、不同孔徑下的熱損傷狀況，實驗結果表明，利用水射流輔助激光加工得到的熱損傷情況有了較大的改善；同時發現孔徑越小，則熱損傷更為嚴重，其加工HAZ如圖7所示。圖中Wh為熱影響區寬度。VIBOON等人[53]分析了激光在低壓水射流撞擊引起的薄流動水層下加工CFRP的情況，對比空氣、靜水和流動水中的加工結果，發現在空氣中切縫和HAZ最大，靜水中切縫和HAZ最小，流動水中加工效率最高。

圖7 不同水射流流速時的熱影響區[52]

在水射流輔助激光加工的基礎之上，不少學者試著利用全反射原理將激光限制在一較小直徑的水束中，通過水束引導至工件表面，再對工件進行加工，其原理如圖8所示。SUN等人[54-55]利用水射流引導激光技術切割CFRP，針對切割形狀、熱影響區、表面質量、加工效率等進行了研究，通過與常規激光加工相比較，研究表明，水導激光加工技術能有效地提高加工質量，降低熱影響區，具有高清潔度，如圖9所示。這是因為在激光加工的同時，水束就對加工區域進行了有效冷卻和沖蝕，大大減少了熱積累現象，同時了帶走了加工殘渣，具有高的清潔性。但是由于水束的實時冷卻，導致熱量損失嚴重，降低了激光加工效率。

圖8 水射流引導激光加工原理[54]

圖9 橫截面顯微圖 [55]

ZHANG等人[56]針對水射流引導激光加工CFRP的瞬態熱效應及去除機理進行了數值模擬，其中頻率為30kHz、脈沖寬度為0.3μs、平均功率為20W、光斑直徑為70μm，模擬加工過程如圖10所示。顯然加工的孔為圓形，這是因為激光在水束中不斷發生全反射，最終使得原本為高斯分布的激光束在水束的作用下變成了均勻分布，由于水束為圓形，所以在加工時呈現圓形，水導激光加工技術能有效提高加工質量。但隨著加工孔深度的增加，加工區域存在的積水，改變切割形狀。

圖10 加工過程[56]

綜上所述，使用液體輔助激光加工，可以有效地改善加工質量，其HAZ相比氣體輔助加工更小，這是因為液體具有較強的冷卻效果，可以帶走多余的熱量，同時液體的流動性也會帶走加工時產生的殘渣，避免了激光的進一步散射，尤其是水導激光加工，表現出優異的加工質量，使冷卻介質能更好地進入切縫，增強冷卻效果，減小HAZ。但水的冷卻效果強，使得熱損失大，降低了加工效率，其中水射流引導激光加工熱損失最大。雖然氣、液輔助激光加工CFRP能提高加工質量，但目前無法做到精準控制冷熱平衡，常存在熱量損失過大，降低加工效率的現象，建議研究者從多能場輔助加工的角度研究如何實現加工區域的冷熱平衡。

5 材料屬性

通常CFRP板每一層的碳纖維鋪設方向存在一定角度，常用的是0°、45°、90°交叉排列組成。由于碳纖維和樹脂熱力學性能存在巨大差異，激光加工CFRP十分困難。為了克服這一難題，不少學者對材料屬性進行了探索。

當CFRP材料較厚時，激光能量密度在聚焦光斑位置平面最大，沿厚度方向逐漸減小，因此沿厚度方向材料去除效率變低；同時加工過程中的材料蒸汽、加工殘渣以及加工切縫中材料缺陷等使得激光在較深層切縫中散射、損失嚴重，材料吸收的能量降低，熱影響區增大，同時切縫呈現“V”形。

SOBRI等人[57]采用光纖激光對厚度為25.4mm的CFRP鉆孔實驗，設置掃描速率為10mm/s、Ar輔助氣體壓力為0.8MPa、光斑直徑為70μm，采用螺旋運動鉆孔的方式逐漸擴展加工的孔徑，并設置每次螺旋之間的間隙為0.16mm，最后一道鉆孔時與表面距離間隙為0.04mm。結果表明，該加工方式有效地減少了熱量的傳遞，改善了基體回縮情況，減小了HAZ，并且最高可以實現22mm的切割深度。TAO等人[15]用雙光束對位錯的激光鉆孔工藝(DBOD)對較厚的CFRP進行實驗，如圖11所示。研究表明，雙光束位錯工藝可以加工的CFRP厚度達到了10mm，與單光束直接加工相比，該方式降低了HAZ，同時提高了近兩倍的加工效率。

圖11 孔截面尺寸誤差[15]

為了平衡碳纖維和樹脂熱力學性能的差異，SONG[58]在CFRP中增加了炭黑顆粒，利用Nd∶YAG固體毫秒脈沖激光器進行CFRP切割實驗，通過與普通CFRP切割相比，發現添加炭黑之后，炭黑顆?？梢蕴岣邩渲瑢す獾奈?，獲得較好的切割質量，改善切口表面的裂紋，提高材料抗疲勞性。

近年來，由于碳納米管的高導熱性被廣泛應用于各種材料的添加物中，KUMAR等人[59]試圖通過在樹脂中添加碳納米管作為輔助增強材料，用以平衡碳纖維和樹脂之間熱力學性能的差異，增加樹脂對能量的吸收，研究發現，當添加的碳納米管質量分數為0.015時，可以獲得較好的加工質量。FAN[60]將碳納米管做成工作液利用電火花加工進行實驗研究，結果表明,碳納米管有利于提高CFRP的加工質量。

由于樹脂主要是依靠碳纖維傳遞的熱量發生熱效應去除，而碳纖維在軸向和徑向導熱系數的存在較大差異，所以有必要研究碳纖維鋪設方向對加工質量的影響。HAN等人[61]為了探究多層多角度CFRP對激光加工質量的影響，用激光切割了6種碳纖維不同排布的雙層CFRP板，角度分別為0°-90°、0°-45°、45°-0°、45°-90°、90°-0°以及90°-45°，結果表明,激光切割時，由90°或45°與0°方向組成的雙層CFRP進行切割可以得到較好的切縫質量。

CFRP的基體材料一般可分為熱固性樹脂和熱塑性樹脂兩大類[62]。研究發現,當激光照射在材料表面時，在碳纖維導熱下，熱塑性樹脂主要發生軟化[63]并在氣體沖蝕下去除，而熱固性樹脂則在發生氣化的同時部分會熱解形成不飽和的碳氫分子并經過一系列脫氫、聚合后形成炭黑附著在加工表面[28]；當發生不完全燒蝕時也會在表面留下炭黑。此外，有研究發現,隨著樹脂含量的增加，加工區域溫度場變窄但最高溫度會逐漸增加[64]，這是因為樹脂的導熱率比碳纖維低，所以樹脂含量增加容易導致熱量積累。

6 結束語

CFRP一般由多層不同鋪設方向的纖維和樹脂黏合而成，由于碳纖維和樹脂熱力學性能的巨大差異，材料呈現出各向異性的特性，在激光與CFRP相互作用時會產生與一般均質材料不同的加工缺陷：由于樹脂在300°就開始熱解，而碳纖維需要在3000°以上才能去除，所以激光施加的能量使樹脂和碳纖維溫度處于去除溫度之間時，樹脂被大量去除，碳纖維保留了下來，HAZ增大，同時材料的力學性能下降。因此激光施加的能量必須使碳纖維溫度大于去除溫度；過高的溫度則會導致HAZ增大。此外樹脂對激光的吸收率很低，所以樹脂的去除主要是依靠碳纖維導熱，但是碳纖維軸向熱導率遠大于徑向熱導率，產生熱應力差，所以在加工時容易造成樹脂剝落、碳纖維拔出、分層等缺陷，使得加工變得十分困難。目前對于CFRP的激光加工還處于基礎性研究階段，相關研究主要集中在激光工藝參量、多能場復合以及材料特性對CFRP加工質量的影響。不同能場和工藝參量下，激光加工CFRP的去除機理存在著較大差別，需要進一步研究和相關去除機理的完善，以便實現更高質量的加工。

隨著產品朝著輕量化方向發展，各國家對CFRP的需求量將會不斷增加，同時對加工質量的要求將更加嚴苛。目前激光加工CFRP正向低損傷、高精度、高效率、低成本方向不斷發展，所以需要研究者深入研究。

基于此，關于CFRP激光加工還可以從以下幾個方面進行研究：

(1)由于CFRP具有各向異性，特別是其組成部分碳纖維和樹脂的熱力學性能存在較大差異，致使激光加工CFRP變得十分困難，建議研究者從平衡兩者熱力學性能差異的角度深入研究，以實現激光低損傷、高效率加工CFRP的目標。

(2)多能場輔助加工有利于材料的去除，提高加工質量。但目前輔助能場無法做到精準控制加工區域的冷熱平衡，常存在加工區域熱量損失過大，降低加工效率的現象。所以需要進一步探索能場輔助的精準控制方法，實現冷熱平衡優化匹配。

(3)超短脈沖加工CFRP的過程中，由于其脈寬小于材料電子和離子的能量弛豫時間，使得材料在達到熱力學平衡之前就完成了加工，從而獲得高加工質量。但超短脈沖的加工效率相對較低，目前對于提高其加工效率雖然有較多的研究，但仍未從根本上解決，需要進一步研究實現其高效率加工的方法。

(4)水導激光加工技術具有長加工距離、高清潔性、高加工質量等優點，在加工CFRP時可以實現較好質量的加工，但是由于該技術冷卻性高，使得加工效率較低，同時由于加工深孔時存在積水，影響加工的幾何形狀，需要進一步改善該技術，以實現高效率、高質量的加工。