碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料水導(dǎo)激光切割試驗(yàn)研究

汪建新 吳耀文， 張廣義 潮 陽(yáng) 張文武

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，包頭，0140102.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波，3152013.浙江省航空發(fā)動(dòng)機(jī)極端制造技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波，315201

0 引言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)是一種以樹脂為基體、碳纖維為增強(qiáng)體的新型復(fù)合材料[1-3]，其比強(qiáng)度高、比模量高、比熱容高、密度小、熱膨脹系數(shù)小、熱穩(wěn)定性好，已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工產(chǎn)品以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域[4-5]，可以有效減小質(zhì)量和節(jié)約成本。但纖維材料具有復(fù)雜的各向異性，且層間強(qiáng)度低，容易發(fā)生破壞[6-7]。目前，CFRP的切割方式主要有高速銑削[8]、水射流切割[9]、超聲切割[10]、電火花切割[11-12]等，這些傳統(tǒng)加工方法易出現(xiàn)毛刺、分層、基體碎裂、纖維斷裂等問題。

激光加工[13-14]相比傳統(tǒng)機(jī)械加工具有無磨損、無接觸等特點(diǎn)，是一種潛在的CFRP加工替代方法[15-16]。STAEHR等[17]研究了在相同平均功率下分別采用連續(xù)激光與脈沖激光對(duì)熱固性CFRP進(jìn)行切割的熱影響區(qū)，結(jié)果表明，在掃描速度和斷裂時(shí)間相同的情況下，使用高功率納秒脈沖激光獲得的熱影響區(qū)比連續(xù)激光獲得的熱影響區(qū)更小。SALAMA等[18]利用高功率紅外皮秒激光對(duì)CFRP進(jìn)行打孔和切割試驗(yàn)，探究激光加工參數(shù)對(duì)熱影響區(qū)大小和燒蝕深度的影響，結(jié)果表明，通過減小激光功率和提高掃描速度可以減小熱影響區(qū)和燒蝕深度。RIVEIRO等[19]研究了CO2激光分別在連續(xù)模式和脈沖模式下的加工參數(shù)對(duì)CFRP切割效率和切割質(zhì)量的影響規(guī)律，結(jié)果表明，脈沖模式下切割CFRP的切口熱影響區(qū)更小，熱影響區(qū)的產(chǎn)生是不可避免的，但可以通過選擇合適的工藝參數(shù)使其最小化。

采用激光切割CFRP，有效地避免了采用傳統(tǒng)加工方法會(huì)產(chǎn)生的刀具磨損、纖維斷裂、基體破壞等問題，但由于CFRP材料具有復(fù)雜的各向異性，因此采用干式激光加工會(huì)產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)和較嚴(yán)重的熱損傷，也會(huì)導(dǎo)致樹脂基體破壞，使碳纖維拔出、纖維末端膨脹。水導(dǎo)激光加工技術(shù)是激光和水射流結(jié)合的新型復(fù)合加工技術(shù)[20-22]，在減小熱影響區(qū)和增大切削深度方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。WAGNER等[23]分別采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)和傳統(tǒng)干式激光加工技術(shù)高速切割金屬薄板，結(jié)果表明，在相同的切割速度和加工效率下，由于脈沖間隙水射流的沖刷和冷卻作用，采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)獲得的切割表面無毛刺，幾乎無熱影響區(qū)。RASHED等[24]分別采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)和微細(xì)電火花加工技術(shù)進(jìn)行噴油器噴嘴內(nèi)表面鉆孔，結(jié)果表明，采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)獲得了比微細(xì)電火花加工更加光滑的表面，獲得的孔型更有利于燃料射流的霧化，由研究結(jié)果的可重復(fù)性和鉆孔質(zhì)量對(duì)比可知，噴油器噴嘴內(nèi)表面水導(dǎo)激光鉆孔在一定程度上是一種可靠的能替代微細(xì)電火花鉆孔的方法。

綜上所述，采用傳統(tǒng)加工方法和傳統(tǒng)干式激光加工在切割CFRP時(shí)，存在不可避免的分層、毛刺、熱損傷、錐度過大等問題，而采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)有望解決這些問題[25-26]，但迄今為止，有關(guān)使用水導(dǎo)激光加工技術(shù)處理CFRP方面的研究報(bào)道較少。本文針對(duì)CFRP材料水導(dǎo)激光切割技術(shù)[27-28]，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化方法，得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合，探究了該技術(shù)在減小材料熱影響區(qū)、防止纖維分層與拔出方面的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，并最終實(shí)現(xiàn)了4 mm厚CFRP材料的無錐度切割。

1 原理與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 水導(dǎo)激光加工CFRP原理

水導(dǎo)激光加工技術(shù)是一種水射流與激光耦合的復(fù)合加工技術(shù)[29]。CFRP的水導(dǎo)激光加工示意圖見圖1，激光束經(jīng)過透鏡聚焦，再通過玻璃窗口進(jìn)入水腔，通過調(diào)節(jié)聚焦透鏡和水腔的相對(duì)位置，使光束與噴嘴同軸。同時(shí)，經(jīng)過增壓的超純水進(jìn)入水腔，從直徑為50～300 μm的噴嘴射出，形成足夠長(zhǎng)的高速穩(wěn)定水射流。穩(wěn)定水射流的作用類似于光纖，當(dāng)激光的入射角等于或大于全反射臨界角時(shí)，激光從超純水(光密介質(zhì))到空氣(光疏介質(zhì))會(huì)發(fā)生全反射，激光通過水-氣界面的全反射將能量傳導(dǎo)到CFRP表面。與傳統(tǒng)干式激光加工不同，水導(dǎo)激光加工技術(shù)的工作距離更長(zhǎng)，也無需考慮焦點(diǎn)的位移補(bǔ)償。CFRP在激光的照射下熔融或氣化，高速水射流將熔融物從切口中排出，并對(duì)切口表面進(jìn)行冷卻，有效避免了材料的熱變形和熱損傷。由于材料熱性能的顯著差異，故碳纖維和環(huán)氧樹脂在水導(dǎo)激光加工過程中會(huì)有不同的反應(yīng)，環(huán)氧樹脂在達(dá)到熔點(diǎn)后可以被去除，而碳纖維在達(dá)到升華閾值后才會(huì)被去除。

圖1 CFRP的水導(dǎo)激光加工Fig.1 Water jet guided laser processing of CFRP

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文使用自行研制的水導(dǎo)激光加工試驗(yàn)裝置，其示意圖見圖2。主要包括：高功率納秒脈沖激光器、激光光束傳輸系統(tǒng)、水增壓系統(tǒng)、水射流與激光耦合裝置、同軸送氣裝置、CCD監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等。為了減小水中雜質(zhì)對(duì)激光傳輸效率的影響，同時(shí)為了提高水的擊穿閾值，本試驗(yàn)采用高壓純水與激光光束耦合；采用波長(zhǎng)為532 nm的固體納秒激光器作為激光加工光源；采用氦氣作為輔助氣體保護(hù)水-氣界面；采用直徑為150 μm的噴嘴和尺寸為50 mm×30 mm×1 mm的熱固性CFRP板進(jìn)行切割試驗(yàn)。

圖2 加工系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of processing system

為探究進(jìn)給速度、水射流速度、脈沖頻率和激光功率對(duì)CFRP切割深度的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)四因素四水平共16組正交試驗(yàn)對(duì)CFRP進(jìn)行單次劃槽，每組試驗(yàn)重復(fù)三次，試驗(yàn)參數(shù)配置表和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表分別見表1和表2。采用正交試驗(yàn)分析所得最優(yōu)參數(shù)試切1 mm厚度的CFRP板，并與相同參數(shù)下的傳統(tǒng)干式激光切割進(jìn)行對(duì)比，采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量切縫的三維形貌，通過掃描電子顯微鏡觀察切縫的熱影響層、纖維拔出和基體殘留物黏附等。

表1 試驗(yàn)參數(shù)配置表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)的極差分析

水導(dǎo)激光加工過程是一個(gè)多參數(shù)耦合的非線性過程，探究耦合作用下各參數(shù)對(duì)切割深度的影響規(guī)律是水導(dǎo)激光切割CFRP的關(guān)鍵。本文采用極差分析法來處理正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出正交試驗(yàn)中各因素對(duì)CFRP切割深度影響的主次順序以及各因素的最優(yōu)水平組合。

由主效應(yīng)圖(圖3)可以看出，進(jìn)給速度、脈沖頻率和激光功率三者的回歸線較陡，故主效應(yīng)影響較為顯著，而水射流速度的回歸線較平緩，故主效應(yīng)影響不顯著。從圖3中還可以得出：隨著進(jìn)給速度的增大，切割深度減??；隨著水射流速度和水射流功率的增加，切割深度增大；隨著脈沖頻率的提高，切割深度先增大再減小，在脈沖頻率為40 kHz時(shí)切割深度最大。脈沖頻率與切割深度非正相關(guān)的原因可能是：脈沖頻率過高時(shí)，上一個(gè)脈沖與CFRP作用產(chǎn)生的熔融物和等離子等物質(zhì)還未被高速水射流帶走，下一個(gè)脈沖能量就被等離子體吸收，只有極少部分能量作用在材料上，單個(gè)脈沖的利用率偏低，導(dǎo)致切割效率降低。此外，脈沖頻率過高時(shí)類似于連續(xù)激光加工，水射流的冷卻效應(yīng)會(huì)減弱。由交互作用圖(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，圖中沒有明顯平行的效應(yīng)線，說明四個(gè)因素之間均有交互作用。由切割深度的均值響應(yīng)表(表3)可知，各因素對(duì)CFRP切割深度影響的排序從高至低依次為：激光功率、進(jìn)給速度、脈沖頻率、水射流速度。

圖3 主效應(yīng)圖Fig.3 Main effect diagram

(a) 水射流速度與進(jìn)給速度 (b) 脈沖頻率與進(jìn)給速度 (c) 激光功率與進(jìn)給速度

表3 切割深度的均值響應(yīng)表

綜合以上分析，可得出各因素下采用正交試驗(yàn)極差分析所得的最優(yōu)水平組合為：進(jìn)給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率40 kHz、激光功率30 W。

2.2 劃槽形貌分析

將16組正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直接對(duì)比，得到的最優(yōu)結(jié)果是第4組，該組合中各因素對(duì)應(yīng)的水平分別為：進(jìn)給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率50 kHz、激光功率30 W，上述采用直接對(duì)比所得最優(yōu)組合(下稱“試驗(yàn)組”)與2.1節(jié)中采用正交試驗(yàn)極差分析所得最優(yōu)組合(下稱“理論組”)只在脈沖頻率上有差別。對(duì)上述試驗(yàn)組與理論組分別進(jìn)行單次劃槽切割1 mm厚CFRP，獲得的切縫三維形貌分別如圖5a和圖5b所示，試驗(yàn)組與理論組的數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。與試驗(yàn)組相比，理論組的切縫深度增大3.2%、切縫寬度減小9.2%、切縫錐度減小11.8%、切縫左側(cè)壁線粗糙度減小40.2%，故本文采用正交試驗(yàn)極差分析所得最優(yōu)組合(進(jìn)給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率40 kHz、激光功率30 W)進(jìn)行CFRP切割試驗(yàn)。

(a) 試驗(yàn)組

表4 試驗(yàn)組與理論組數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖5可見，切縫兩側(cè)有樹脂層剝落現(xiàn)象，分析原因可能是在水導(dǎo)激光加工過程中，激光能量經(jīng)水射流傳導(dǎo)到CFRP表面，CFRP上表面的樹脂吸收激光能量被熔融或氣化，高速水射流強(qiáng)力沖刷切縫兩邊，當(dāng)切縫邊緣的樹脂層有微小裂紋時(shí)，水射流的沖擊會(huì)使裂紋擴(kuò)展，繼而引起剝落。由圖5還可以看出，單次劃槽切縫截面呈“V”形。造成截面呈V形的原因主要有兩種，一是由于激光焦點(diǎn)是在水射流近中心處耦合的，雖然在近中心處耦合的可靠性較高，但是會(huì)導(dǎo)致水射流近中心處功率密度高于邊緣的功率密度[30]，于是與水射流近中心處接觸的CFRP會(huì)最先達(dá)到消除閾值，材料吸收激光能量被熔融或氣化，熔融物被高速水射流沖走，逐漸形成V形截面；二是根據(jù)流體力學(xué)可知水射流中心處?kù)o壓力大[31-32]，由中心向外靜壓力逐漸減小，當(dāng)材料吸收激光能量被熔融或氣化后，靠近水射流中心處的熔融物會(huì)先排出，由中心向外排出的速度逐漸變慢，繼而形成V形截面[33-34]。

2.3 與干式激光對(duì)比分析

選用同一激光參數(shù)進(jìn)行干式激光劃槽和切割CFRP，并與水導(dǎo)激光劃槽和切割CFRP進(jìn)行對(duì)比。圖6a所示為干式激光加工，由圖可見干式激光劃槽兩側(cè)影響域最大寬度D≈860 μm，最小寬度d≈587 μm。由于激光的熱效應(yīng)，劃槽兩側(cè)的樹脂層已經(jīng)熔融或氣化，可以看到碳纖維露出，熔融后再次冷卻凝固的樹脂黏附在切縫表面。由圖6a的局部放大圖(圖6b)可見，碳纖維末端受熱發(fā)生膨脹，碳纖維之間的樹脂受熱分解，形成微小的空洞；樹脂基體被破壞，碳纖維出現(xiàn)分層；熔融物和熱膨脹導(dǎo)致槽側(cè)壁較為粗糙，切割質(zhì)量較差。與干式激光劃槽相比，由圖6c所示的水導(dǎo)激光劃槽可以看到槽兩側(cè)較干凈，兩側(cè)影響域最大寬度D≈399 μm，最小寬度d≈220 μm，槽兩側(cè)有輕微樹脂層剝落，幾乎看不到熱影響區(qū)與熔融物附著，由圖6c的局部放大圖(圖6d)可見，碳纖維斷面整齊，無受熱膨脹現(xiàn)象，也看不到熔融物附著，由于水射流的沖刷，槽道較為干凈，切割質(zhì)量較好。

(a) 干式激光 劃槽表面 (b) 干式激光劃槽表面局部放大圖

圖7a所示為干式激光切割截面，由圖可見CFRP的熱影響區(qū)域輪廓呈弧形，熱影響區(qū)最大處出現(xiàn)在切縫中部，而不是切縫的上下表面附近，分析原因可能是上下表面附近的熱量很容易擴(kuò)散到空氣中，而材料內(nèi)部的熱量比較容易累積。另外，本次試驗(yàn)是沿垂直于碳纖維排列方向進(jìn)行切割，由于碳纖維軸向的熱導(dǎo)率較大，故熱量更容易沿碳纖維軸向傳播，而在碳纖維徑向由于纖維之間被樹脂填充，熱量會(huì)在纖維和樹脂之間交替，因此熱量不易沿此方向傳播。由圖7a可知，由于熱量的累積，使得靠近切縫的樹脂基體和切縫截面表層的碳纖維已經(jīng)氣化消失，且有熔融物附著在切縫截面和上下表面。此外，由圖7a還可以看出，靠近切縫的樹脂基體已經(jīng)氣化消失，碳纖維失去樹脂基體的束縛導(dǎo)致纖維拔出，如圖7a的局部放大圖(圖7b)所示，從而導(dǎo)致整體的切割質(zhì)量較差。圖7c所示為水導(dǎo)激光切割CFRP截面，由于水射流的強(qiáng)力沖刷和冷卻作用，切縫截面幾乎看不到熱影響區(qū)，切縫內(nèi)壁也沒有熔融物附著，樹脂基體也沒有被破壞。由圖7c的局部放大圖(圖7d)可見，切縫表面光滑，無熔渣。分析原因主要是在水導(dǎo)激光加工過程中，CFRP吸收激光能量會(huì)熔融或氣化，而在脈沖間隙，高速水射流強(qiáng)力的沖刷和冷卻效應(yīng)及時(shí)帶走了熔融物和熱量，最大限度地減少了熱影響區(qū)和熔融物堆積，避免了熔融物附著在切縫側(cè)壁和上下表面，因此槽道干凈，無熔渣，切割質(zhì)量較好。

(a) 干式激光 切割形貌 (b) 干式激光切割形貌局部放大圖

圖8所示為水導(dǎo)激光切割表面。選擇圖8a中的6個(gè)區(qū)域采用激光共聚焦顯微鏡測(cè)量其面粗糙度，測(cè)量范圍為100 μm×100 μm，測(cè)得面粗糙度均值為3.85 μm；圖8b為圖8a的局部放大圖，測(cè)量圖示6個(gè)位置的線粗糙度，測(cè)量長(zhǎng)度為100 μm，測(cè)得線粗糙度均值為1.81 μm。具體粗糙度值見表5。

表5 面粗糙度與線粗糙度測(cè)量結(jié)果

綜合以上分析，并參考面粗糙度和線粗糙度測(cè)量結(jié)果可知，采用水導(dǎo)激光加工方式切割CFRP的切割表面質(zhì)量較好，由圖8b可以看出，纖維層和樹脂層清晰分明，無熱影響區(qū)。

2.4 大厚度CFRP切割

在最優(yōu)組合參數(shù)下進(jìn)行了大厚度CFRP切割試驗(yàn)。2 mm厚度CFRP切縫寬度約為183.1 μm，錐度約為4.9°，如圖9所示。4 mm厚度CFRP切縫寬度約為544.3 μm，錐度約為8.6°，如圖10a和圖10b所示。在水射流直徑較大、激光功率密度較低時(shí)，由于水射流近中心處功率密度和靜壓力大，且由中心向外逐漸減小，故采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)切割CFRP時(shí)會(huì)存在錐度。在本文中，通過調(diào)整工件的傾斜角度，實(shí)現(xiàn)了4 mm厚度CFRP的無錐度切割，如圖10c和圖10d所示。

圖9 2 mm厚度CFRP水導(dǎo)激光切割Fig.9 Water jet guided laser cutting of 2 mm thick CFRP

(a) 正常切割示意圖 (b) 正常切割結(jié)果

使用光斑分析儀測(cè)量水射流截面光束能量，其分布規(guī)律如圖11所示。激光器發(fā)出的高斯光束經(jīng)過擴(kuò)束系統(tǒng)、光路傳輸系統(tǒng)，最后耦合進(jìn)入水射流，在水-氣界面發(fā)生全反射并沿著水射流方向傳輸，在水射流截面的高斯光束依然呈現(xiàn)高斯分布，即水射流截面近中心處的功率密度高于邊緣的功率密度，這是導(dǎo)致切割錐度產(chǎn)生的主要原因。

圖11 水射流中的能量分布Fig.11 Energy distribution in water jet

3 結(jié)論

(1)各工藝參數(shù)對(duì)水導(dǎo)激光切割CFRP深度的影響排序從高至低依次為：激光功率、進(jìn)給速度、脈沖頻率、水射流速度。正交試驗(yàn)極差分析所得最優(yōu)參數(shù)組合為：進(jìn)給速度5 mm/s、水射流速度160 m/s、脈沖頻率40 kHz、激光功率30 W，相比于采用直接對(duì)比所得最優(yōu)組合，切縫深度增大3.2%、切縫寬度減小9.2%、切縫錐度減小11.8%、切縫左側(cè)壁線粗糙度減小40.2%。

(2)在水導(dǎo)激光切割CFRP時(shí)，脈沖頻率并不是越高越好，脈沖頻率過高時(shí)，脈沖與CFRP作用產(chǎn)生的熔融物和等離子等物質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)還未被高速水射流帶走，后續(xù)脈沖能量會(huì)被等離子體吸收，只有極少部分能量作用在材料上，導(dǎo)致單個(gè)脈沖能量利用率偏低，切割效率降低。

(3)與傳統(tǒng)干式激光切割CFRP對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于激光與水射流同軸，高速水射流的沖刷作用可使熔融物更快排出，冷卻作用使熱影響區(qū)更小，槽道內(nèi)壁干凈，碳纖維斷面整齊，無受熱膨脹現(xiàn)象。由此可知，采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)切割CFRP在減小熱影響區(qū)、防止纖維分層、拔出方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

(4)當(dāng)水射流直徑較大而激光功率密度較低時(shí)，由于水射流近中心處功率密度和靜壓力偏大，因此采用水導(dǎo)激光加工技術(shù)切割CFRP時(shí)會(huì)存在錐度。通過調(diào)整工件的裝夾方式或激光加工頭的角度，可實(shí)現(xiàn)4 mm厚度CFRP的無錐度切割。