CFRP復材飛秒激光小孔加工工藝研究

2022-03-18 09:35:26李元成張曉兵

激光與紅外 2022年2期

邱一,劉壯,李元成,張曉兵

(1.南京航空航天大學機電學院,江蘇南京 210016；2.中國航空制造技術研究院,北京 100024)

1 引言

碳纖維增強樹脂基復合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics)是以碳纖維為增強體、樹脂為基體的復合材料,具有低密度、高強度、耐高溫、耐輻射、抗化學腐蝕等優良性能,是目前最受青睞的高性能材料之一,被廣泛應用于航空航天等領域[1-2]。CFRP成型后,多數情況下需要進行大量的小孔結構加工,以滿足裝配、連接、冷卻等功能需求。目前CFRP復材制孔工藝主要有兩大類,一類是傳統加工工藝,如銑削、鉆削等[3]；另一類是特種加工工藝,如電火花加工[4]、激光加工[5]、超聲打孔[6]、水射流加工[7]以及它們的復合加工技術等。由于該類復材基體與增強相的物理特性差異大,導致制孔技術難度較大,易出現纖維拔出、分層、基體損傷、纖維末端膨脹等[8]。

CFRP復材激光加工技術是目前的研究熱點。Sehyeok等人[9]使用光纖連續激光對CFRP材料進行了切割實驗,研究了激光功率及掃描速度等參數對加工結果的影響,結果顯示掃描速度是減小熱損傷的主要因素。路明雨等人[10]對高模量CFRP復材的皮秒激光加工閾值特性進行了研究,通過面積外延法測定了兩種CFRP復材的皮秒激光加工閾值,并分析了入射能量通量和掃描速度對切口質量的影響規律。Oliveira等人[11]利用飛秒激光對CFRP復材進行表面處理,實驗結果表明,使用合適的加工參數可以選擇性地去除復材的樹脂基體,將碳纖維裸露出來。

飛秒激光因具有脈沖持續時間極短、峰值功率極高的優點,使其在微小孔加工方面受到越來越廣泛地關注。在使用飛秒激光對CFRP材料進行制孔時,對于較大尺寸孔徑(如φ6 mm以上),可以采用光斑局部填充方式進行加工,這樣有利于提高加工效率。但是,對于較小尺寸孔徑(如φ3 mm),光斑填充方式的選擇值得考量:如采用局部填充方式,則存在材料去除不充分的風險；如采用全填充方式,則增加了加工時間,降低了加工效率。針對這方面的研究尚未見報道。因此,本文采用飛秒激光對φ3 mm小孔進行不同填充方式的加工研究,主要探討光斑半填充和全填充兩種方式對小孔入口直徑、錐度以及加工效率的影響,為今后CFRP復合材料飛秒激光小孔加工的應用提供參考。

2 試驗與方法

試驗所使用的試件為CFRP復材板,二維多向編織,鋪層方向分別為-45°、0°、45°、90°,如圖1所示。將CFRP復合材料切割成尺寸為30 mm×15 mm×2.8 mm試件,厚度為2.8 mm。該復材中的碳纖維為日本東麗公司 T300 型碳纖維,碳纖維直徑為 10 μm,樹脂基體為聚酰亞胺,兩者的體積分數分別為60 %和40 %。碳纖維層合板由預浸料鋪層后,在熱壓罐中固化成型。試件材料的性能參數如表1所示。

圖1 CFRP復合材料試件

表1 CFRP復合材料的物理性能參數

所采用飛秒激光加工系統由飛秒激光器、光路系統、監視系統、運動平臺和計算機控制器等部分組成。表2為飛秒激光加工試驗參數。加工后的試樣經酒精棉擦拭后烘干,在顯微鏡下觀測小孔入口以及出口形貌,并使用工業CT對小孔剖面進行掃描檢測,得到小孔剖面圖。小孔加工試驗采用光斑同心圓軌跡掃描方式進行,選擇了20 μm、30 μm、40 μm三種填充間距(即兩同心圓掃描軌跡間的距離)來研究半填充方式和全填充方式對小孔加工結果的影響規律。光斑半填充是指激光掃描區域覆蓋小孔外圓邊界到D/2處(D為小孔直徑),全填充是指激光掃描區域覆蓋整個小孔面積,如圖2所示(陰影區域為光斑填充區域)。光斑沿光束軸線方向采用勻速進給方式,進給速度為2 μm/s。

表2 飛秒激光參數

圖2 兩種不同的填充方式

3 結果與討論

3.1 光斑半填充的加工結果

3.1.1 不同光斑填充間距的加工結果

圖3所示為半填充方式,脈沖能量200 μJ,掃描速度300 mm/s,填充間距分別為20 μm(線重合度33.3 %)和30 μm(線重合度0 %),經1500層掃描加工后的加工結果。兩種填充間距均未加工出通孔,填充間距為20 μm時,小孔入口直徑為3228 μm,材料被切透,但中心凸臺仍有材料與孔壁相連,如圖3(a)所示。填充間距為30 μm時材料未被切透,小孔入口直徑為3220 μm,如圖3(b)所示。

圖3 光斑半填充及掃描速度300 mm/s下的加工結果

從材料去除機理方面分析,填充間距大小決定了光斑線重疊率的高低,進而影響到激光輸入能量密度,輸入能量密度越大則材料去除越多,反之亦然。此外,剝蝕效應[12]在CFRP激光加工中的作用也不能忽視。剝蝕效應是指在按照同心圓掃描軌跡進行加工時,由于樹脂基體的熱解溫度較低,因此加工區域的樹脂基體先于碳纖維被去除,造成碳纖維失去支撐；在高溫高壓的樹脂熱解氣體的作用下,部分纖維被力學作用剝蝕去除。當線重疊率較大時,力學剝蝕現象較強,提高了材料的去除率。因此,填充間距越小,越容易加工出通孔。同時發現,填充間距對小孔的入口直徑以及孔的錐度的影響較小。

3.1.2 不同掃描速度的加工結果

圖4為脈沖能量200 μJ,采用半填充加工方式,填充間距20 μm,1500次掃描條件下,掃描速度分別為200 mm/s和300 mm/s下的加工結果。結果顯示,掃描速度為200 mm/s時獲得通孔(入口直徑3298 μm、錐度為1∶9.04)。掃描速度為300 mm/s時,未獲得完整的通孔,中間凸臺部分未被切離材料,入口直徑為3228 μm,孔壁錐度為1∶6.73。從圖4中可以看出,掃描速度200 mm/s時不但能得到通孔,而且孔壁的錐度較小。分析認為,其原因跟與3.1.1中的分析大致相同。掃描速度較小時,光斑重疊率較高,輸入能量密度較大,材料的去除更多。因此,適當降低掃描速度,提高光斑重疊率有利于小孔的加工,同時降低掃描速度還能改善小孔的錐度。

圖4 采用半填充及填充間距20 μm下的加工結果

3.2 全填充方式下的加工結果

3.2.1 不同填充間距下的加工結果

圖5展示了在脈沖能量200 μJ,掃描速度200 mm/s,掃描1500次,光斑全填充條件下,填充間距分別為20 μm、30 μm、40 μm(線重疊率分別為33 %、0 %、-33 %)的加工結果。從圖5(a)中可以看出,光斑填充間距為20 μm時獲得通孔(入口直徑3270 μm、錐度1∶4.35)。填充間距為30 μm時也獲得通孔(入口直徑3270 μm、錐度1∶4.82)。填充間距為40 μm時獲得盲孔,其入口直徑為3254 μm,錐度為1∶5.17。從加工結果可以看出,線重疊率為33 %和0 %時可以得到通孔,而當線重疊率為-33 %時,只能得到盲孔。其原因在于,填充間距增大,線重疊率降低,激光的輸入能量密度變小,單層掃描的材料去除深度降低,因而40 μm的填充間距僅能加工出盲孔。其外,光斑全填充下加工出的小孔錐度明顯高于光斑半填充的加工結果。產生錐度的原因是側壁對激光的反射作用,激光按照同心圓軌跡掃描到最外圈時,由于側壁對激光的反射,導致側壁材料對激光能量的吸收大幅降低,而中心區域的材料對能量的吸收反而增多,因此邊緣的材料去除較少,中心區域材料去除較多。同時采用全填充方式進行加工時,易于散熱和加工產物的排除,加劇了錐形孔的產生。同時發現,填充間距對孔壁錐度的影響較小。

圖5 光斑全填充及掃描速度200 mm/s下的加工結果

3.2.2 不同掃描速度下的加工結果

圖6展示了在脈沖能量為200 μJ,采用全填充加工方式,填充間距20 μm、1500次掃描,掃描速度分別為200 mm/s和300 mm/s下的加工結果。從圖6中可以看出,兩種掃描速度均能得到通孔。當掃描速度為200 mm/s時,通孔入口直徑為3273 μm,孔壁錐度為1∶4.35。當掃描速度為300 mm/s時,通孔的入口直徑為3252 μm,孔壁錐度為1∶3.65。掃描速度為200 mm/s時獲得的通孔錐度小于掃描速度為300 mm/s的加工錐度。分析其原因,掃描速度越大光斑重疊率越小,因此輸入能量密度越低,材料去除率越低,小孔的孔壁錐度越大。采用較小的掃描速度有利于得到錐度較小的通孔,同時發現掃描速度對小孔入口直徑的影響較小。

圖6 光斑全填充及填充間距20 μm下的加工結果

3.3 光斑半填充與全填充方式的對比

通過上述試驗可以得出,不同的光斑填充方式對加工結果有較為顯著影響,圖7展示了脈沖能量200 μJ、掃描速度200 mm/s、填充間距20 μm及30 μm、兩種不同的填充方式加工1500次后的結果。填充間距為20 μm時,兩種填充方式均能加工出通孔。當采用半填充時,通孔入口的直徑為3298 μm,錐度為1∶8。采用全填充時,通孔的入口直徑為3273 μm,錐度為1∶4.35,如圖7(a)與(b)所示。當填充間距為30 μm時,采用半填充的加工方式未能成功加工出通孔,其入口直徑為3276 μm,錐度為1∶7.1。采用全填充方式能成功加工出通孔,其入口直徑為3270 μm,錐度為1∶4.82,如圖7(c)與(d)。從圖中可以看出,采用半填充時,填充間距為20 μm能加工出通孔,而填充間距為30 μm時不能加工出通孔,其原因如前文所述,是因為填充間距越小,線重疊率越大,輸入能量密度越高,因此越容易加工出通孔。從圖7(c)與(d)中可以看出,當填充間距為30 μm時,采用全填充方式能獲得通孔,而采用半填充方式不能獲得通孔。經分析可認為在采用半填充方式加工時,隨著加工深度的增大,排屑更加困難,氣化或熔化的材料不能及時排出孔外,同時加工產物會對激光能量進行吸收,大幅降低了材料對飛秒激光能量的吸收率。

圖7 填充間距30 μm及不同填充方式下的加工結果

對比半填充和全填充下的加工結果可以看出,采用半填充加工出的通孔錐度比采用全填充的小。經分析可認為主要有兩個原因,一是在脈沖能量較大,掃描速度較小,填充間距較小,采用半填充方式進行加工時,雖然小孔內壁會對激光產反射,但由于凸臺的存在,激光將在凸臺外壁與小孔內壁之間來回反射,反而會增加材料對激光能量的吸收,同時由于輸入能量密度足夠大,能夠有效的去除小孔內壁的材料,改善小孔的錐度,如圖8所示。二是由于采用半填充時熱解氣等氣態物質無法及時的排除,吸收激光能量導致熱量在凹槽內聚積,反而有利于改善小孔的錐度。從試驗結果可以看出,在輸入能量密度足夠大時,采用半填充方式進行加工不僅可以提高加工效率,還能得到錐度更小的通孔。填充間距和填充方式對小孔入口直徑的影響不大,這是因為飛秒激光按照同心圓軌跡從外圈掃至最內圈,最外圈的加工凹槽阻止了溫度向圓外傳遞。而掃描速度和填充方式對小孔孔壁錐度有較大影響。采用較小的掃描速度和較小的填充間距可以獲得錐度較小的通孔。