266nm紫外固體激光切割碳纖維復合材料的實驗研究

齊立濤，劉鳳聰，張耀東

(1.黑龍江科技大學 激光先進制造研究所，哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學 機械工程學院，哈爾濱 150022)

引 言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)由于物理化學性質穩定、耐腐蝕等一系列優異性能，被廣泛應用于各個領域，是一種戰略性新材料[1]。在CFRP作為零部件應用過程中，由于零部件的精度要求和裝配需求，經常需要對CFRP進行后加工處理，例如切割、鉆孔和銑削等[2]。激光加工技術是一種不同于傳統機械加工的非接觸式加工方法，無刀具磨損和接觸應力，被廣泛應用于材料加工等各個領域。

激光切割CFRP可以克服傳統機械加工造成的材料分層和材料破碎等問題，但熱影響區(heat affected zone,HAZ)和纖維撥出等缺陷較為嚴重，如何解決熱影響區和纖維撥出等問題，國內外學者進行了大量的研究[3]。GOEKE等人利用1064nm的Nd∶YAG激光和10.6μm的CO2激光對CFRP材料進行了切割實驗研究，對比兩種激光在切割過程中的性能，發現CFRP熱影響區隨著功率的增大逐漸減小，CFRP厚度在2mm左右及以下時，采用1064nm的Nd∶YAG激光加工效果較好，而對于大厚度的CFRP層板，采用10.6μm的CO2激光則更有優勢[4]。NAN等人利用1064nm的Nd∶YAG激光和10.6μm的CO2激光分別對CFRP進行熱損傷實驗研究，發現在相同的功率密度下，10.6μm激光對CFRP的熱損傷主要表現為樹脂基體的熱解，1064nm激光對CFRP的熱損傷除表現為樹脂基體的分解碳化外，還可以直接造成碳纖維的斷裂[5]。WOLYNSKI等人分別采用1064nm,532nm和355nm波長的皮秒激光對CFRP進行切割實驗研究，發現1064nm波長激光切割時產生的熱影響區比532nm波長切割時產生的熱影響區增大了1倍[6]。OHKUBO等人對激光切割CFRP的材料去除機理進行研究，建立碳纖維和樹脂基體分層的CFRP模型，將加工過程中CFRP的氧化作用考慮在內，計算了CFRP內部的溫度變化情況，發現CFRP的氧化作用會導致熱量產生并對樹脂基體的去除有促進作用，但對碳纖維的影響較小，表明在進行激光切割CFRP材料去除機理的研究中，CFRP的氧化作用也應該考慮在內[7-8]。YU等人對激光能量在材料內部的傳遞機理進行研究，建立激光切割單層CFRP的3維模型，對激光切割CFRP時材料內部的能量傳遞過程進行仿真分析，發現當激光束直徑與碳纖維絲束直徑的比例增大時，CFRP切縫寬度從229.45μm下降到95.60μm，熱影響區寬度從172.08μm下降到156.79μm[9]。ZHU等人采用355nm波長皮秒脈沖激光進行CFRP的銑削加工實驗，發現355nm皮秒激光采用更高的脈沖重復頻率提高了激光光斑的重疊率，同時355nm紫外波長與其它更長波長激光相比，能夠直接將樹脂基體光解，材料去除過程時間更短、區域更小、變化更快，在優化的銑削條件下，355nm皮秒激光加工樣件表面沒有明顯的熱影響區[10]。ZHANG等人采用532nm和355nm皮秒激光在CFRP上進行制孔研究，在厚度為5mm的CFRP上加工直徑為3mm的圓孔，當激光波長為532nm時，圓孔周圍的熱影響區大小為200μm，當激光波長為355nm時，圓孔周圍的熱影響區大小為70μm，表明激光波長越短，加工孔的表面質量越好，熱影響區越小[11]。

綜上可知，由于CFRP材料的異質性和各向異性，利用紅外激光及可見光加工CFRP時，加工區域周圍殘留的大量能量會沿著碳纖維軸向進行擴散，造成基體的熱損傷，形成明顯的熱影響區，從而產生纖維裸露等缺陷，降低CFRP的力學性能[12]。而紫外激光波長較短，單光子能量較高[13]，在加工CFRP的過程中，可以直接打斷基體材料的化學鍵，產生“光化學”蝕除[14]，減少熱量積累。266nm紫外固體激光相比于研究較多的355nm和532nm等波長激光波長更短，單光子能量更高，因此，本文中進行了266nm短脈沖紫外固體激光切割CFRP的實驗研究，分析266nm紫外固體激光切割CFRP的工藝規律，并通過對正交實驗結果進行回歸分析，得出了加工規律的經驗公式，為紫外激光切割CFRP在工業中的應用提供參考。

1 實 驗

266nm固體激光切割實驗系統如圖1所示。系統所采用的激光器為北京中科紫玉光電技術有限公司生產的固態Nd∶YAG激光器，激光器技術參數如表1所示。本實驗中選用266nm紫外激光，能量分布呈高斯分布。光束經反射鏡反射，通過1mm的光闌進行光束整形后，通過焦距為100mm的平凸透鏡進行聚焦到工件表面。工件放在自動控制的X-Y-Z工作臺上，通過控制系統調整掃描速率、掃描次數和掃描間距等，通過調節激光器電流改變激光脈沖能量的大小。實驗在空氣和常溫下進行。利用以色列OPHIR公司生產的能量計測量激光脈沖能量，利用數字顯微鏡(Olympus DSX1000)和光學顯微鏡檢測CFRP的切縫寬度和熱影響區寬度。

Fig.1 Image of 266nm UV solid-state laser cutting system

Table 1 Main parameters of Nd∶YAG laser

實驗樣品為商業化的CFRP層板，其中基體為AG80環氧樹脂，增強相為T300碳纖維，碳纖維體積分數為0.335，樹脂基體體積分數為0.665。樣品厚度為1mm，由8層單層結構CFRP按不同方向堆疊層壓后形成。CFRP樣品主要性能參數如表2所示。

Table 2 Main parameters of CFRP

利用266nm紫外固體激光對CFRP材料進行工藝實驗，首先，通過單因素實驗法探究激光脈沖能量、掃描速率等激光切割參數對切縫寬度和熱影響區的影響規律。其次，通過正交實驗法確定影響切縫寬度和熱影響區寬度的顯著性因素。最后，利用正交實驗得出的數據，采用多元線性回歸分析的方法建立切縫寬度和熱影響區寬度的經驗公式，得到激光主要切割參數與切縫寬度和HAZ寬度的定量關系。

2 結果與討論

2.1 激光切割CFRP的單因素實驗

2.1.1 激光脈沖能量對縫寬的影響 不同激光脈沖能量時CFRP的切縫形貌(掃描速率為50μm/s)如圖2所示。激光脈沖能量由上到下依次遞增。從圖2可以看出，266nm紫外激光切割CFRP時切縫較為整齊，由上到下隨著激光脈沖能量不斷增加，切縫寬度變化并不明顯，切縫內測無明顯纖維撥出現象，切縫質量明顯優于長波長激光切割結果。

圖3為激光脈沖能量與切縫寬度的關系。從圖3中可見，當激光脈沖能量增加時,CFRP的切縫寬度逐漸增大。這一方面是由于激光高斯光束的性質造成的，隨著激光脈沖能量的增加，高斯光束中心和外圍的能量不斷增大，光斑外圍去除材料的能力不斷增強，因而光斑照射區域有更多的材料被去除，進而表現為切縫寬度的不斷增大；另一方面是由于紫外激光與CFRP材料的去除機理造成的，在進行光化學蝕除和光熱蝕除的同時，隨著激光脈沖能量的增加，光熱蝕除所占的比例逐漸增大，CFRP上的熱量累積不斷增多，就會造成掃描路徑周圍更多的碳纖維和樹脂基體被氣化分解和熔融去除，表現為激光脈沖能量不斷增加的同時，切縫寬度也不斷增大的現象。

Fig.2 Cutting morphology under different laser energy

Fig.3 Relationship between laser energy and slit width

2.1.2 激光脈沖能量對HAZ的影響 從圖2中可以看出，切縫周圍伴有黑色因熱損傷而產生的熱影響區，隨著激光脈沖能量的增加，HAZ范圍有逐漸擴大的趨勢。不同激光脈沖能量與HAZ寬度的關系如圖4所示。從圖4中可以看出,隨著激光脈沖能量的增加，HAZ寬度在逐漸的增大。這是因為當激光脈沖能量增加時，材料的光化學蝕除和光熱蝕除能力增強，單位時間內材料內部吸收的激光能量增多，較大的激光能量一部分使切縫處的材料氣化去除，同時另一部分向切縫周圍擴散的能量也增加，導致切縫周圍樹脂基體的熱損傷加重，HAZ寬度增大。實驗中熱影響區寬度最小為82μm，小于1064nm和532nm等波長激光切割時產生的700μm[15]與200μm[11]的HAZ寬度。

Fig.4 Relationship between laser energy and HAZ

2.1.3 掃描速率對切縫寬度的影響 圖5為激光掃描速率與切縫寬度的關系(激光脈沖能量為0.165mJ)。從圖5中可以看出，當激光掃描速率增大時，切縫寬度逐漸減小。這是因為CFRP材料的蝕除機理是由光化學蝕除與光熱蝕除共同組成的，激光照射到CFRP表面，由于高斯光束的特性，光束中心的材料因為光化學蝕除被瞬間氣化去除，而光束外圍的材料則因為能量密度不足而通過光熱蝕除被去除，隨著激光掃描速率的增大，單位時間CFRP吸收的能量減少，光束外圍進行光熱蝕除的效果減弱，導致相應切縫處材料的去除量減少，使切縫寬度減小。實驗中切縫寬度最小為50μm，小于1064nm激光切割時產生的360μm[16]的切縫寬度。

Fig.5 Relationship between laser scanning speed and slit width

2.1.4 掃描速率對HAZ的影響 激光掃描速率與HAZ的關系如圖6所示。從圖中可看出，CFRP切縫周圍HAZ寬度隨掃描速率的增大而不斷減小。這是因為隨著掃描速率的增大，脈沖激光相鄰光斑的間距變大，光斑分布更加離散，使能量集中度變小，單位時間內材料表面吸收的能量減少，光化學蝕除和光熱蝕除效果減弱，同時向切縫周圍擴散的熱量減少，導致HAZ寬度減小。

Fig.6 Relationship between laser scanning speed and HAZ

2.2 激光切割CFRP的正交實驗

為了獲得影響CFRP切縫寬度和HAZ寬度的顯著性因素，選取兩因素、三水平正交實驗表進行實驗，實驗中不考慮激光脈沖能量和掃描速率之間的交互作用。激光脈沖能量分別取0.121mJ,0.167mJ,0.183mJ，激光掃描速率分別取20μm/s,40μm/s,60μm/s。圖7為激光切割CFRP的正交實驗加工圖片,激光切割CFRP的正交實驗表如表3所示。在獲取實驗數據后，利用極差分析法對CFRP的切縫寬度和HAZ寬度進行分析得到結果如表4和表5所示。表中,b1～b3表示正交實驗中各因素水平指標求和的平均值,N表示正交實驗中各因素水平指標求和平均值的極差。

Fig.7 Orthogonal experimental processing pictures of laser cutting CFRP

從表4中可看出，在對CFRP切縫寬度的分析中，激光掃描速率產生的極值較大，激光脈沖能量產生的極值較小，因此可以得出激光掃描速度對切縫寬度影響的顯著性水平更高，改變CFRP切縫寬度的大小可以更多地通過調節激光掃描速率來實現。從表5中可以看出，在對CFRP HAZ寬度的分析中，激光脈沖能量產生的極值較大，激光掃描速率產生的極值較小，因此可以得出激光脈沖能量對HAZ寬度影響的顯著性水平更高。在保證CFRP蝕除效率的前提下，為了有效地控制HAZ，可以選擇盡量小的激光脈沖能量和適當的掃描速率。

Table 3 Orthogonal experimental data sheet of laser cutting CFRP

Table 4 Mean and range of CFRP slit width of various factors

Table 5 Mean and range of each factor on the width of the CFRP HAZ

2.3 激光切割CFRP多元線性回歸分析

通過正交實驗和極差分析得到影響CFRP切縫寬度和HAZ寬度的各因素的顯著性水平，為了能夠定量分析切縫寬度、HAZ寬度與激光主要切割參數之間的關系，采用多元線性回歸分析的方法建立CFRP切縫寬度和HAZ寬度的經驗公式，將表3中數據轉化為對數關系數據,如表6所示。假設CFRP切縫寬度和HAZ寬度的經驗公式[17]分別為：

D=C1Eαvβ

(1)

H=C2Eμvσ

(2)

Table 6 Orthogonal experiment data processing table

式中,D為切縫寬度(μm)；H為HAZ寬度(μm)；E為激光脈沖能量(mJ)；v為掃描速率(μm/s)；C1,C2,α,β,μ,σ為待求解常數系數。

將(1)式、(2)式兩邊同時取對數得：

lgD=lgC1+αlgE+βlgv

(3)

lgH=lgC2+μlgE+σlgv

(4)

令Y1=lgD,k1=lgC1,X1=lgE,X2=lgv,Y2=lgH,k2=lgC2,得到：

Y1=k1+αX1+βX2

(5)

Y2=k2+μX1+σX2

(6)

通過將表6中的數據代入(5)式和(6)式，求解線性方程組，得出復相關系數R2如下：

(7)

(8)

由(7)式和(8)式得經驗公式分別為：

(9)

(10)

相關性檢驗：

F0.01(2,6)=10.925>FD=

8.083>F0.05(2,6)=5.140

(11)

式中,F0.01(2,6)和F0.05(2,6)表示F檢驗法中，顯著性水平分別為0.01和0.05，分子自由度為2、分母自由度為6時，查《F分布表》得到的統計量F臨界值;FD是切縫寬度的F值。故經驗公式(9)式相關性是顯著的。

FH=76.816>F0.01(2,6)=10.925

(12)

式中,FH是熱影響區寬度的F值。故經驗公式(10)式相關性高度顯著。

(9)式與(10)式為通過多元線性回歸分析得到的CFRP切縫寬度和HAZ寬度的經驗公式，由相關性檢驗可以看出，HAZ寬度經驗公式相關性為高度顯著，切縫寬度經驗公式相關性為顯著，低于HAZ的相關性。由方程擬合的復相關系數R2的大小也可看出，切縫寬度經驗公式的擬合精度較低，所以切縫寬度經驗公式變量指數絕對值大小所代表的影響因素顯著順序，與極差分析得到的結果略有不同。但HAZ經驗公式擬合精度較高，變量指數絕對值大小所代表的影響因素顯著順序，與極差分析得到的結果相一致。采用上述經驗公式，能夠在給出相應的激光脈沖能量和掃描速率參數后，推算出激光切割CFRP的切縫寬度和HAZ寬度，對切割效果具有預測作用，對加工參數的設置具有一定的指導意義。

3 結 論

(1)通過266nm紫外固體激光切割CFRP的單因素實驗，得出了激光切割主要參數對切縫寬度和熱影響區的影響規律。隨著激光脈沖能量的增加，切縫寬度和熱影響區寬度不斷增大；隨著激光掃描速率的增大，切縫寬度和HAZ區寬度不斷減小。

(2)266nm紫外固體激光切割CFRP時可以通過光化學蝕除與光熱蝕除共同作用對材料進行去除，切縫較為整齊，切縫內測無明顯纖維撥出現象，HAZ寬度和切縫寬度較小，實驗中最小HAZ寬度為82μm，最小切縫寬度為50μm，切縫質量較好。

(3)通過266nm紫外固體激光切割CFRP的正交實驗，得出了激光切割主要參數對切縫寬度和HAZ寬度影響的顯著性程度。激光掃描速率對切縫寬度影響的顯著性水平更高，激光脈沖能量對熱影響區寬度影響的顯著性水平更高。在保證CFRP蝕除效率的前提下，可通過選擇盡量小的激光脈沖能量，和適當的掃描速率來減小HAZ寬度。

(4)通過對正交實驗得出的數據進行多元線性回歸分析，得出CFRP切縫寬度和HAZ寬度的經驗公式，通過給定的激光切割參數，推算出激光切割CFRP的切縫寬度和HAZ寬度，對激光切割效果具有預測作用，為激光切割CFRP時激光切割參數的選擇提供參考。

上述研究對紫外納秒激光切割CFRP在工業中的應用有一定的指導意義。