CFRP激光切割過程中HAZ擴展研究*

趙相彬， 孫祎婧， 葉 茜

(天津工業(yè)大學 經(jīng)濟與管理學院，天津 300387)

0 引 言

CFRP由于具有非常高的強度重量比、剛度重量比，以及優(yōu)異的抗疲勞性和耐腐蝕性，而在航空航天、汽車、體育器材[1]等領域的應用越來越廣泛。盡管CFRP的近凈制造是可能的，但仍不可避免地需要切割和鉆孔。激光切割由于無磨損、無接觸、靈活而被認為是一種很有前途的CFRP加工方法。然而，由于CFRP中碳纖維在熱膨脹系數(shù)、氣化溫度等熱力學性能方面與基體存在相當大差異，激光加工會產(chǎn)生熱影響區(qū)(heat-affected zone，HAZ)，包括基體熱降解、基體回縮、基體和纖維碳化等[2]，如圖1[3]。HAZ不僅會降低復合層壓板的拉伸強度，還會影響表面質量，降低切口處疲勞性能等，因此對于HAZ的研究顯得尤為重要。本文主要根據(jù)激光和CFRP相互作用的機理，概述了激光加工CFRP時影響HAZ產(chǎn)生的因素及尋求改善HAZ擴展的方法。

1 HAZ產(chǎn)生的機理

CFRP中基體和碳纖維兩種成分在高溫下的材料特性存在很大差異，每種成分都保留了其自身的化學、物理和機械特性，因此在激光加工中面臨挑戰(zhàn)。由于沿碳纖維軸的導熱系數(shù)比基體材料高兩個數(shù)量級，因此熱量主要沿碳纖維軸流動[4]。此外，蒸發(fā)或升華碳纖維所需的能量比基體高一個數(shù)量級以上。在激光束與材料的相互作用過程中，碳纖維汽化需要的時間比樹脂氣化需要的長。在此期間，由于纖維具有良好的導熱性，大量的熱量通過碳纖維傳導并釋放到基體上，產(chǎn)生熱累積，導致基體過熱直至熱解，纖維則從基體中脫粘，形成熱影響區(qū)。

圖1 (a) 激光加工CFRP的熱影響區(qū)顯微圖像[3]

2 影響HAZ產(chǎn)生的因素

由于HAZ是在碳纖維蒸發(fā)之前的一段時間內生成的，因此減少HAZ的策略就是縮短激光與材料相互作用的時間或者通過降低能量密度，減少材料單位時間內吸收的能量來減少熱累積。影響激光加工質量的因素較多(參見圖2[5-6])，下面介紹影響激光加工質量的幾個主要因素。

2.1 激光源類型

目前常見的激光器有：氣體激光器、固體激光器、半導體二極管激光器、光纖激光器等。在不同類型的激光器中，Nd：YAG激光器和CO2激光器應用最為廣泛。CO2激光器在紅外區(qū)域的波長為10μm。它具有較高的平均光束功率，更好的效率和良好的光束質量。Nd：YAG激光器的光束功率低，但是在脈沖模式下工作時，高峰值功率使其可以加工更厚的材料。Leone等[7]研究了脈沖Nd：YAG激光在CFRP切割過程中的使用。結果表明，與CO2激光源相比，脈沖Nd:YAG激光器的光束強度高，聚焦性能好，熱負荷小，切口窄，HAZ體積小。

圖2 CFRP激光加工質量的因素圖[5-6]

2.2 激光波長

CFRP的基體和碳纖維具有不同的光學特性，因此根據(jù)復合材料中纖維和基體組分的特定光吸收特性來調整激光波長得到較小的HAZ是優(yōu)化激光光源的一個重要方向。Wolynski等[8]的研究表明，1064nm波長激光切割的最大HAZ幾乎是532nm波長的兩倍，在一定范圍內波長越長，HAZ越大。這可以用波長對環(huán)氧樹脂吸收系數(shù)的影響來解釋。

2.3 脈沖方式

短脈沖或超短脈沖激光源在短時間內釋放的高峰值功率會迅速加熱材料，并直接導致蒸發(fā)或產(chǎn)生等離子體，減少了基質吸收的熱量，進而減少了HAZ的擴展。憑借“冷加工”帶來的優(yōu)勢，短與超短脈沖激光器逐步進入到工業(yè)生產(chǎn)應用當中。Shanmugam等[9]利用納秒激光、皮秒激光和連續(xù)波激光切割1.2 mm厚的CFRP復合板發(fā)現(xiàn)，連續(xù)波激光產(chǎn)生的最小HAZ為3.57mm，納秒激光和皮秒激光產(chǎn)生的HAZ分別減少了12%和16%。

2.4 加工方式

葉逸云[10]等采用波長532nm的皮秒激光對碳纖維復合板進行激光切割制孔，對比了不同功率下激光旋轉切割、平行填充切割以及十字填充切割3種不同的掃描方式對加工質量的影響。試驗結果表明，相同參數(shù)下，激光旋轉切割的加工方式對CFRP的材料去除效率最高，錐度最小，熱影響區(qū)較小，但是孔側面平整度略微差于平行填充方式 與十字填充方式。3種激光加工方式均有一定錐度且較為接近。宋抒航[11]利用Nd:YAG固態(tài)激光器對碳纖維復合材料進行切割實驗。結果表明：多道次加工時，熱影響區(qū)寬度隨著時間間隔的增加逐漸減小，因此多到道次加工時應注意控制間隔時間。

2.5 加工參數(shù)

除了纖維和基體的熱性能存在偏差外，激光加工參數(shù)也會影響CFRP加工的質量。通過選擇適當?shù)募す饧庸?shù)，例如激光束功率、掃描速度、重復頻率、脈沖寬度、輔助氣體等，可以降低HAZ并改善加工表面的質量。蔣翼[12]等采用脈寬10ps的皮秒激光器加工CFRP，研究了重復頻率為0.4MHz、掃描速率為10m /s時，熱影響區(qū)寬度和平均功率的關系。結果表明，在有效切割范圍內，隨著平均功率的增加熱影響區(qū)寬度逐漸減小，當平均功率超過60W后，隨著平均功率的增加，熱影響區(qū)寬度逐漸增大并趨于穩(wěn)定。Mathew等[13]對300W Nd：YAG脈沖激光切割CFRP進行了研究，其中脈沖能量為1.4-2.2J，脈沖頻率為30-50 Hz，脈沖持續(xù)時間為0.2-1 ms，發(fā)現(xiàn)脈沖頻率和切割速度是影響HAZ的兩個最重要的參數(shù)，后者與脈沖頻率成正比。因為在高頻下，激光的行為就像連續(xù)波，切割表面幾乎沒有時間冷卻。激光切割的加工方式可以根據(jù)平均功率和切割速度或脈沖能量和光斑重疊參數(shù)來確定。切割試驗表明，最大切割速度取決于釋放的平均功率，而最小點重疊取決于脈沖能量。為了減少HAZ，建議采用高切割速度、多道切割、低光束強度、增加相鄰激光束掃描軌跡之間的間距等。

2.6 材料特性

材料厚度、纖維粒料長度、纖維取向或編織方式等會影響切割時間或者熱量傳遞，進而影響HAZ區(qū)域的大小。材料厚度增加，為了保證加工質量和效率，需要增加激光功率或者降低切割速度。激光功率增大，則材料單位時間內接受的輻照量增加，由此產(chǎn)生的熱累積使HAZ范圍增大。降低加工速度，意味著光束與材料作用的時間增長，熱累積現(xiàn)象加重，造成HAZ增大。并且隨著材料厚度的增加，對流冷卻導致的表面損失效率降低。Woon等[14]研究了L型和S型(長粒料和短粒料)CFRP的激光切割情況。在無時間間隔的情況下，S型CFRP截面的HAZ比L型的要窄得多。這是由于較短的碳纖維從塑料基體中的去除傾向容易而迅速熔融并蒸發(fā)，產(chǎn)生的HAZ小。另外，由于平行和垂直于碳纖維兩個方向的導熱性不同，因此纖維取向、層合板堆疊方式等均影響HAZ的大小。

2.7 其他因素的影響

通過其他方法，比如使用高壓輔助氣體、基體中添加輔助材料、采用水冷治具、干燥材料等也可以改善HAZ的擴展。Reza等[15]分別以氮氣、氬氣和氧氣為輔助氣體，使用單模摻鐿光纖激光器(1kW)切割2mm厚CFRP。結果表明，采用高壓惰性輔助氣體可以降低HAZ范圍，提高切割質量，并且隨著氣體壓力的增大，HAZ范圍逐漸減小。氧氣作為輔助氣體則增加了氧化對材料的熱損傷。Kumar等[16]發(fā)現(xiàn)，以線能量80J/mm的速度加工厚度為4.0mm，且摻雜了1.5%的多壁碳納米管(MWCNT)CFRP層壓板時，可以得到較低的HAZ值(0.725 mm)。HAZ隨著聚合物基體中MWCNT含量的增加而降低。在聚合物基體中MWCNT作為輔助增強材料，可以增加聚合物基體的熱擴散率，降低碳纖維和環(huán)氧樹脂的分解溫度差異，從而減少基體回縮。Staehr等[17]使用水冷治具在材料和治具之間提供最大的接觸面積，從而導致高散熱，使溫度值水平降低40%以上，同時保持工藝持續(xù)間，并符合材料特定的閾值溫度。

3 結 語

綜上所述，激光切割CFRP過程中，工藝參數(shù)是相互依賴的，即一個參數(shù)的可選水平取決于另一個參數(shù)的可選水平，由于各因素相互影響的復雜性，若要得到好的加工質量，需要進行大量的工藝研究，優(yōu)化加工參數(shù)，以發(fā)揮激光加工的優(yōu)勢。

目前國內外關于HAZ的研究主要集中在加工參數(shù)對材料作用的機理解釋，以及優(yōu)化工藝參數(shù)等，結果比較分散，缺乏一整套普遍適用的理論模型來解釋這些參數(shù)之間的關系。針對各個學者的實驗參數(shù)不同，相對分散，可以考慮根據(jù)已知實驗參數(shù)，提出一個可以和HAZ建立關系的新參數(shù)，這樣便可以直接分析已知數(shù)據(jù)，節(jié)省了重新實驗的時間。另外，可以通過系統(tǒng)的實驗建立工藝數(shù)據(jù)庫，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)、人工蜂群(ABC)多目標優(yōu)化等對工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

未來可以將熱損傷缺陷與物理性能、機械性能等配合研究，通過可靠性試驗來界定缺陷可接受范圍，為制定加工參數(shù)的范圍提供依據(jù)。最后利用多目標優(yōu)化算法尋找最佳工藝參數(shù)。