激光加工碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究進(jìn)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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，桂林 541004；2.桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院， 桂林 541006)

引 言

近年來，隨著產(chǎn)品朝著輕量化方向不斷發(fā)展，常用的合金材料在性能提升方面處于技術(shù)瓶頸階段，短時(shí)間內(nèi)難以滿足人們對(duì)輕量化產(chǎn)品的需求[1]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)作為新型高性能復(fù)合材料，具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕、抗疲勞性好、比剛度大、減震性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、體育用品、國防等領(lǐng)域[2-4]。CFRP具有優(yōu)異的性能，集軍事和經(jīng)濟(jì)價(jià)值于一身，是各個(gè)國家軍事發(fā)展與經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。CFRP主要由碳纖維和樹脂通過模壓、熱罐、拉擠等先進(jìn)制造技術(shù)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(fù)載[5]。但一次成型的制品常常因?yàn)椴荒軡M足產(chǎn)品的工藝要求而需要進(jìn)行二次加工，由于CFRP中碳纖維和樹脂熱力學(xué)性能的巨大差異，使得CFRP二次加工變得十分困難。傳統(tǒng)加工技術(shù)會(huì)造成CFRP分層、纖維破碎、加工效率低等缺陷，同時(shí)接觸式加工會(huì)使刀具發(fā)生過度磨損，大大增加加工成本[6-10]。

激光加工技術(shù)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(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工領(lǐng)域。國內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)激光加工CFRP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。AKSHAY等人[11]對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和CFRP進(jìn)行了常規(guī)鉆孔和激光加工實(shí)驗(yàn)，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(fā)生熱分解；此外，碳纖維的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于樹脂的熱導(dǎo)率，而碳纖維軸向熱導(dǎo)率約為徑向熱導(dǎo)率的數(shù)十倍以上，所以激光加工CFRP時(shí)，會(huì)產(chǎn)生切縫邊緣熱影響區(qū)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(jī)械加工兩種方式對(duì)CFRP進(jìn)行制孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明激光加工后CFRP表面質(zhì)量更好。STOCK等人[13]用激光加工、機(jī)械加工和水射流加工切割CFRP研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)睦鋮s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(zhì)量的主要因素展開了綜述，通過分析激光加工CFRP的研究現(xiàn)狀，闡述了激光與CFRP相互作用機(jī)理，旨在為低損傷激光加工CFRP提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 CFRP與激光相互作用機(jī)理

CFRP主要由碳纖維和樹脂組成，其中碳纖維的排列方向?qū)FRP熱力學(xué)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(xiàn)角度為45°的狀態(tài)，在樹脂的作用下交聯(lián)在一起。由于CFRP具有各向異性的特性，導(dǎo)致激光與CFRP相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理或者化學(xué)變化。為了進(jìn)一步了解激光加工CFRP去除機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)探索。

PANG等人[14]用脈沖Nd∶YAG激光加工碳纖維復(fù)合材料，結(jié)果表明,該材料的去除主要是熱蒸發(fā)和熱熔化，當(dāng)有氧氣存在時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化放熱促進(jìn)光熱效應(yīng)，加快去除效率。TAO等人[15]通過雙光束對(duì)位錯(cuò)激光鉆孔工藝(dual-beam opposite dislocation,DBOD)對(duì)較厚的CFRP進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)為1064nm的超短脈沖激光加工CFRP時(shí)，此波長(zhǎng)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(fā)去除是其主要的去除機(jī)理。TAKAHASHI等人[16]分別用紅外激光和紫外激光對(duì)CFRP進(jìn)行熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)分析，如圖1所示。研究表明，與紫外激光相比，樹脂對(duì)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(dǎo)熱和氣體壓力共同作用下去除；而在紫外激光作用時(shí)，樹脂吸收的激光能量遠(yuǎn)大于紅外激光，同時(shí)由于紫外激光光子能量大，直接打斷材料分子間化學(xué)鍵，使材料中原子、原子團(tuán)簇與材料分離，所以紫外激光加工屬于光化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)材料的“冷加工”。ZHU等人[17]用355nm的皮秒脈沖激光對(duì)CFRP進(jìn)行了銑削實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)紫外激光除了發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)外，在激光與材料相互作用過程中還存在熱解和力學(xué)剝蝕，有助于材料的去除[18]。

圖1 紅外和紫外激光加工CFRP機(jī)理[16]

ZHANG等人[19]發(fā)現(xiàn)超快激光加工過程存在光熱效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等復(fù)雜的去除機(jī)理。 在激光加工材料時(shí),不同激光參量導(dǎo)致以上各效應(yīng)去除權(quán)重將會(huì)發(fā)生變化。

綜上所述，CFRP與激光相互作用的去除機(jī)理主要分為熱熔化、熱蒸發(fā)、光化學(xué)反應(yīng)、機(jī)械剝蝕等[14-20]。機(jī)械剝蝕表現(xiàn)為在材料蒸汽、熱應(yīng)力、輔助加工等多能場(chǎng)共同作用下，對(duì)軟化的材料進(jìn)行機(jī)械去除。根據(jù)以上分析可以知道CFRP的去除機(jī)理主要取決于波長(zhǎng)和脈寬。關(guān)于波長(zhǎng)、脈寬對(duì)激光加工CFRP的作用實(shí)質(zhì)將會(huì)在下面做具體闡述。

2 激光特性

2.1 激光波長(zhǎng)

ROMOLI等人[21]通過分光光度計(jì)Halo DB-20測(cè)量了樹脂等聚合物作為基質(zhì)時(shí)對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收率，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)越短，樹脂對(duì)其吸收率越高。當(dāng)波長(zhǎng)超過650nm后，樹脂幾乎不吸收激光，所以當(dāng)波長(zhǎng)大于650nm時(shí)樹脂的去除主要是依靠碳纖維導(dǎo)熱去除，熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)較大。但波長(zhǎng)也不是越短越好，DELL’ERBA等人[22]發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)分子激光在加工時(shí)，幾乎沒有熱傳遞和擴(kuò)散現(xiàn)象，雖然可以獲得好的加工質(zhì)量，但是準(zhǔn)分子激光加工成本高，同時(shí)準(zhǔn)分子激光重復(fù)頻率低，加工效率低，不適宜用于工業(yè)生產(chǎn)[23]。

圖2 尼龍PA6、聚醚醚酮、聚苯硫酸和環(huán)氧樹脂的吸收光譜[21]

GOEKE等人[24]研究發(fā)現(xiàn)，相比于波長(zhǎng)為1.07μm的光纖激光，CFRP更容易吸收波長(zhǎng)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(shí)，CO2激光更具有優(yōu)勢(shì)。

為了探究不同波長(zhǎng)的激光與材料相互作用時(shí)對(duì)加工質(zhì)量的影響，TAKAHASHI等人[16]分別用波長(zhǎng)為266nm的紫外激光和1064nm的紅外激光對(duì)CFRP進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)，如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)為266nm的紫外激光能直接被樹脂吸收，相比波長(zhǎng)為1064nm的紅外激光，HAZ減小了約3.5倍，有效地提高了加工質(zhì)量，并指出切割質(zhì)量取決于激光波長(zhǎng)。FUJITA等人[25]研究發(fā)現(xiàn),波長(zhǎng)越短，產(chǎn)生的熱損傷更小。

圖3 紅外激光和紫外激光加工熱影響區(qū)對(duì)比[16]

WOLYNSKI等人[26]用波長(zhǎng)分別為355nm,532nm和1064nm的高功率皮秒激光對(duì)CFRP進(jìn)行了鉆孔實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，激光加工的質(zhì)量和波長(zhǎng)有直接的關(guān)系，與波長(zhǎng)532nm的激光相比，波長(zhǎng)1064nm激光加工的最大HAZ增加了1倍；同時(shí)發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，相同情況下加工的深度越深。LI等人[27]也發(fā)現(xiàn),紫外激光加工能獲得更小的HAZ。

綜上所述，激光波長(zhǎng)越短，單光子能量越高，同時(shí)由于波長(zhǎng)越短，樹脂對(duì)激光的吸收越高，在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積中材料獲得的能量更多，可以更快實(shí)現(xiàn)材料的去除，在很大程度上抑制了熱傳遞和擴(kuò)散的過程。當(dāng)波長(zhǎng)足夠短，即光子能量足夠大時(shí)，則可以直接將材料的化學(xué)鍵打斷去除，實(shí)現(xiàn)“冷加工”。而波長(zhǎng)越長(zhǎng)，單光子能量越低，樹脂對(duì)激光的吸收越低，此時(shí)CFRP主要是通過熱效應(yīng)去除，熱積累嚴(yán)重，HAZ大。所以為了獲得較好的加工質(zhì)量，可以選擇較短波長(zhǎng)的激光進(jìn)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(jù)脈沖持續(xù)時(shí)間，可以將其分為兩類：第1類是連續(xù)或長(zhǎng)脈沖激光；第2類是短脈沖或超短脈沖激光。連續(xù)或長(zhǎng)脈沖激光作用時(shí)間大于材料弛豫時(shí)間，材料通過熱效應(yīng)達(dá)到去除效果，產(chǎn)生較大的HAZ；而短脈沖或超短脈沖激光作用時(shí)利用產(chǎn)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(xù)模式的碟片激光對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響。研究表明,脈沖Nd∶YAG激光能獲得更好的加工質(zhì)量和強(qiáng)度，連續(xù)模式的碟片激光加工質(zhì)量略低。

FENOUGHTY等人[32]用連續(xù)CO2激光和脈沖Nd∶YAG激光切割CFRP，對(duì)比CFRP的切割質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)脈沖激光切割的熱損傷比連續(xù)激光產(chǎn)生的熱損傷更小。這是因?yàn)槊}沖激光切割時(shí)在相鄰脈沖之間有冷卻間隙，而連續(xù)激光切割不存在冷卻間隙，故熱積累嚴(yán)重，產(chǎn)生的HAZ更大。SCHNEIDER等人[33]使用連續(xù)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(zhì)量更好。

圖4 a—脈沖激光加工圖 b—連續(xù)激光加工圖

ZHU[17]、ZHAO[29]等人用短脈沖激光對(duì)CFRP進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，均發(fā)現(xiàn)由于短脈沖激光具有很高的峰值功率密度，可達(dá)到材料的擊穿閾值，產(chǎn)生等離子體并去除材料，在加工時(shí)由于脈沖持續(xù)時(shí)間短，所以相鄰脈沖之間有較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，熱積累少，所以HAZ更小。

綜上所述，由于連續(xù)激光或長(zhǎng)脈沖加工屬于持續(xù)熱作用，熱積累嚴(yán)重，故加工質(zhì)量較差；而脈沖激光加工時(shí)，相鄰脈沖之間有冷卻時(shí)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(xù)時(shí)間越短，加工質(zhì)量越高，當(dāng)脈沖寬度為皮秒和飛秒量級(jí)時(shí)，幾乎不存在熱積累，故HAZ很?。煌瑫r(shí)材料在加工過程中產(chǎn)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(zhì)量好，但其加工效率較低。目前對(duì)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(jìn)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(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)激光與材料的相互作用過程開展了多種工藝參量?jī)?yōu)化實(shí)驗(yàn)。OHIN等人[36]重點(diǎn)研究了評(píng)價(jià)切割質(zhì)量的因素：切口寬度、切口深度、基質(zhì)蒸發(fā)寬度、基質(zhì)后退寬度、切口錐角、基質(zhì)損壞區(qū)和切割的表面形態(tài)，并給出了相應(yīng)定義的示意圖，如圖5所示。

圖5 各切割質(zhì)量因素定義[36]

通過研究不同工藝參量對(duì)激光加工CFRP質(zhì)量的影響，LEONE等人[37]發(fā)現(xiàn)合理的工藝參量能夠獲得更小的熱影響區(qū)。RIVEIRO等人[38]研究發(fā)現(xiàn),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(shí)，HAZ是不可避免的，但可以通過工藝參量?jī)?yōu)化獲得最小的HAZ[24]。

為了減少激光與材料相互作用的時(shí)間，使加工區(qū)域有較多的冷卻時(shí)間，LI等人[39]通過研究單次和多道次切割CFRP實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在高速多道次切割時(shí)，每次掃描時(shí)升華材料的量少，有較多的散熱時(shí)間，可以顯著減少熱影響區(qū)；同時(shí)切縫中殘?jiān)草^少。如果采用多道次切割，但每道切割之間沒有間隔時(shí)間，熱影響區(qū)的減小比較有限。在加工過程中，CFRP出現(xiàn)了纖維末端膨脹，這可能是碳纖維徑向?qū)崧实陀谳S向?qū)崧?，在極短時(shí)間內(nèi)，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(jié)構(gòu)，推動(dòng)碳纖維中細(xì)小的氣穴增壓和膨脹，宏觀表現(xiàn)為纖維末端膨脹。為了進(jìn)一步了解具體哪些工藝參量對(duì)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(duì)4mm厚的CFRP進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)影響加工質(zhì)量的主要工藝參量為：激光束掃描速率、脈沖頻率、切割重復(fù)次數(shù)、相鄰掃描線之間的距離和掃描策略，并指出HAZ增加的一個(gè)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(shí)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(fù)頻率等對(duì)熱影響區(qū)影響,研究表明,重復(fù)頻率和切割速度對(duì)HAZ影響最大，較長(zhǎng)的脈沖寬度、較低的重復(fù)頻率產(chǎn)生的HAZ越小；切割速率越高，HAZ越??；當(dāng)脈沖能量/切割速率之比在2J/(mm·s-1)～4J/(mm·s-1)之間時(shí)，HAZ最小。FREITAG等人[42]研究發(fā)現(xiàn),使用高脈沖能量和低重復(fù)頻率時(shí)，可以有效地降低基質(zhì)蒸發(fā)區(qū)。TAKAHASHI等人[43]利用波長(zhǎng)1064nm的脈沖光纖激光開展實(shí)驗(yàn)，取平均功率125W、重復(fù)頻率為167kHz、脈寬為10ns，研究了每次切割間距和掃描速度對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，切割間距和掃描速度對(duì)加工質(zhì)量有很大影響，并指出了當(dāng)掃描間距為±150μm、掃描速率為11.0m/s或者2.75m/s時(shí)可以獲得較好的加工質(zhì)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(shù)，發(fā)現(xiàn)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(shí)間內(nèi)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(duì)切割質(zhì)量的影響，HE等人[45]利用激光對(duì)1.4mm厚鋼板開展實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)影響切縫質(zhì)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(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明,使用短脈寬激光脈沖燒蝕材料時(shí)，燒蝕閾值小，能量利用率較高。

所以，激光與材料相互作用時(shí)，產(chǎn)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(shí)現(xiàn)激光低損傷加工CFRP，即控制激光與材料相互作用時(shí)間和輻照到材料中的能量。

當(dāng)激光能量密度大于材料燒蝕閾值時(shí)，碳纖維氣化，光斑照射區(qū)域中碳纖維傳遞到樹脂的能量將樹脂通過熱效應(yīng)、機(jī)械剝蝕等方式去除，由于激光與材料相互作用時(shí)間極短，熱傳遞和擴(kuò)散極少，熱損傷低。當(dāng)激光能量密度小于材料燒蝕閾值時(shí)，需要延長(zhǎng)激光與材料相互作用時(shí)間來實(shí)現(xiàn)材料的去除，在此過程中熱傳遞和擴(kuò)散嚴(yán)重，增加材料熱損傷。

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)低損傷加工，應(yīng)增加單位時(shí)間內(nèi)材料吸收激光的能量，在最短時(shí)間內(nèi)去除材料，抑制加工過程中的熱積累現(xiàn)象。所以，使用高功率、高切割速率、高脈沖能量、低重復(fù)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(jiǎn)單的組合，需要考慮各工藝參量間的交互作用，以獲得最優(yōu)的加工工藝參量。工藝參量的優(yōu)化雖然可以提高加工質(zhì)量，但在使用不同激光器加工時(shí)材料去除機(jī)理和最優(yōu)的工藝參量存在差異，建議研究者在優(yōu)化工藝參量的基礎(chǔ)上從平衡碳纖維和樹脂熱力學(xué)性能差異的角度深入研究，如何獲得高質(zhì)量加工。

4 氣液輔助

在激光與材料相互作用時(shí)，由于材料的去除會(huì)產(chǎn)生較大的反向蒸汽流，使得后續(xù)激光發(fā)生散射和損失，降低加工效率和質(zhì)量。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),在加工過程中增加輔助氣體不僅可以清理加工區(qū)域殘?jiān)?、抑制熱傳遞和擴(kuò)散現(xiàn)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(zhì)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(shí)驗(yàn)，討論了輔助氣體對(duì)不同工藝參量切削質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)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(shí)易出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象。

為使激光加工達(dá)到最大加工速率，F(xiàn)UCHS等人[46]使用氮?dú)廨o助激光切割，為了防止高氣破壞組織物，將氣壓設(shè)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(zhì)量。HUA等人[47]的研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣體壓力的增大，可以在相同時(shí)間內(nèi)帶走更多的熱量，減少HAZ，但是氣體壓力對(duì)纖維拔出現(xiàn)象影響不大；如果當(dāng)氣體壓力過大時(shí)，加工區(qū)域會(huì)形成渦流，削弱氣流的冷卻作用。

為了研究激光加工時(shí)材料的熱降解特性，NEGARESTANI等人[48]使用納秒脈沖Nd∶YAG激光器進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在氮?dú)庵谢旌仙倭垦鯕夂螅捎谘鯕庋趸艧嶙饔每梢源龠M(jìn)材料的去除，同時(shí)利用氮?dú)獾睦鋮s作用有效地抑制了HAZ的增長(zhǎng)，提高了加工質(zhì)量，其加工形貌如圖6所示。采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(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(yán)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(xiàn)其燒蝕作用，有利于提高加工效率和加工質(zhì)量。此外，在材料加工區(qū)域表面，基質(zhì)因氧氣的氧化放熱作用而造成額外的熱損傷，故加工時(shí)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(qū)域的殘余熱量，有效降低了HAZ；同時(shí)高速氣流有利于清理加工產(chǎn)生的殘?jiān)?，減少對(duì)激光散射和吸收，促進(jìn)激光和材料的作用，提高激光加工質(zhì)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(huì)發(fā)生氧化放熱反應(yīng)促進(jìn)材料的去除，同時(shí)氮?dú)獾睦鋮s作用可以降低加工區(qū)域中的殘余熱量，使HAZ更小，因此氮?dú)庵谢旌仙倭垦鯕饪梢约涌觳牧系娜コ⑻岣呒庸べ|(zhì)量。此外，采用較低能量中等頻率加工時(shí)可以有效地控制纖維拔出現(xiàn)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(zhì)量；但過大的氣體壓力，會(huì)在加工區(qū)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(zhì)量，降低HAZ，但其效果有限，并且隨著對(duì)產(chǎn)品加工質(zhì)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(zhì)量。HUA等人[47]通過開展氣體和水下兩種輔助激光切割實(shí)驗(yàn)，分析了脈沖能量、頻率、切割速率和氣體壓力對(duì)加工質(zhì)量的影響，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水下切割能有效的減小HAZ；在氣體輔助時(shí)材料HAZ表現(xiàn)為上窄下寬，水下切割HAZ表現(xiàn)為上寬下窄,主要因?yàn)樗哂斜葰怏w更高的比熱容，冷卻效果更強(qiáng)，對(duì)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(qū)域表面上施加薄水層的方法，KAAKKUNEN等人[50]發(fā)現(xiàn),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(rèn)為是由于流動(dòng)的薄水層能及時(shí)帶走加工產(chǎn)生的殘?jiān)?、碎屑等，減少其對(duì)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(dòng)性等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)獲得的加工區(qū)域較為整潔，通過與空氣、靜態(tài)水、流動(dòng)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(duì)CFRP的打孔實(shí)驗(yàn)，研究了不同流速、不同孔徑下的熱損傷狀況，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)發(fā)現(xiàn)孔徑越小，則熱損傷更為嚴(yán)重，其加工HAZ如圖7所示。圖中Wh為熱影響區(qū)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(dòng)水層下加工CFRP的情況，對(duì)比空氣、靜水和流動(dòng)水中的加工結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在空氣中切縫和HAZ最大，靜水中切縫和HAZ最小，流動(dòng)水中加工效率最高。

圖7 不同水射流流速時(shí)的熱影響區(qū)[52]

在水射流輔助激光加工的基礎(chǔ)之上，不少學(xué)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(dǎo)至工件表面，再對(duì)工件進(jìn)行加工，其原理如圖8所示。SUN等人[54-55]利用水射流引導(dǎo)激光技術(shù)切割CFRP，針對(duì)切割形狀、熱影響區(qū)、表面質(zhì)量、加工效率等進(jìn)行了研究，通過與常規(guī)激光加工相比較，研究表明，水導(dǎo)激光加工技術(shù)能有效地提高加工質(zhì)量，降低熱影響區(qū)，具有高清潔度，如圖9所示。這是因?yàn)樵诩す饧庸さ耐瑫r(shí)，水束就對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行了有效冷卻和沖蝕，大大減少了熱積累現(xiàn)象，同時(shí)了帶走了加工殘?jiān)?，具有高的清潔性。但是由于水束的?shí)時(shí)冷卻，導(dǎo)致熱量損失嚴(yán)重，降低了激光加工效率。

圖8 水射流引導(dǎo)激光加工原理[54]

圖9 橫截面顯微圖 [55]

ZHANG等人[56]針對(duì)水射流引導(dǎo)激光加工CFRP的瞬態(tài)熱效應(yīng)及去除機(jī)理進(jìn)行了數(shù)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?yàn)榧す庠谒胁粩喟l(fā)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(shí)呈現(xiàn)圓形，水導(dǎo)激光加工技術(shù)能有效提高加工質(zhì)量。但隨著加工孔深度的增加，加工區(qū)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(zhì)量，其HAZ相比氣體輔助加工更小，這是因?yàn)橐后w具有較強(qiáng)的冷卻效果，可以帶走多余的熱量，同時(shí)液體的流動(dòng)性也會(huì)帶走加工時(shí)產(chǎn)生的殘?jiān)苊饬思す獾倪M(jìn)一步散射，尤其是水導(dǎo)激光加工，表現(xiàn)出優(yōu)異的加工質(zhì)量，使冷卻介質(zhì)能更好地進(jìn)入切縫，增強(qiáng)冷卻效果，減小HAZ。但水的冷卻效果強(qiáng)，使得熱損失大，降低了加工效率，其中水射流引導(dǎo)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(zhì)量，但目前無法做到精準(zhǔn)控制冷熱平衡，常存在熱量損失過大，降低加工效率的現(xiàn)象，建議研究者從多能場(chǎng)輔助加工的角度研究如何實(shí)現(xiàn)加工區(qū)域的冷熱平衡。

5 材料屬性

通常CFRP板每一層的碳纖維鋪設(shè)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(xué)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(xué)者對(duì)材料屬性進(jìn)行了探索。

當(dāng)CFRP材料較厚時(shí)，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(shí)加工過程中的材料蒸汽、加工殘?jiān)约凹庸で锌p中材料缺陷等使得激光在較深層切縫中散射、損失嚴(yán)重，材料吸收的能量降低，熱影響區(qū)增大，同時(shí)切縫呈現(xiàn)“V”形。

SOBRI等人[57]采用光纖激光對(duì)厚度為25.4mm的CFRP鉆孔實(shí)驗(yàn)，設(shè)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(yùn)動(dòng)鉆孔的方式逐漸擴(kuò)展加工的孔徑，并設(shè)置每次螺旋之間的間隙為0.16mm，最后一道鉆孔時(shí)與表面距離間隙為0.04mm。結(jié)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(shí)現(xiàn)22mm的切割深度。TAO等人[15]用雙光束對(duì)位錯(cuò)的激光鉆孔工藝(DBOD)對(duì)較厚的CFRP進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖11所示。研究表明，雙光束位錯(cuò)工藝可以加工的CFRP厚度達(dá)到了10mm，與單光束直接加工相比，該方式降低了HAZ，同時(shí)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(xué)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(jìn)行CFRP切割實(shí)驗(yàn)，通過與普通CFRP切割相比，發(fā)現(xiàn)添加炭黑之后，炭黑顆?？梢蕴岣邩渲瑢?duì)激光的吸收，獲得較好的切割質(zhì)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(dǎo)熱性被廣泛應(yīng)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(qiáng)材料，用以平衡碳纖維和樹脂之間熱力學(xué)性能的差異，增加樹脂對(duì)能量的吸收，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加的碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.015時(shí)，可以獲得較好的加工質(zhì)量。FAN[60]將碳納米管做成工作液利用電火花加工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明,碳納米管有利于提高CFRP的加工質(zhì)量。

由于樹脂主要是依靠碳纖維傳遞的熱量發(fā)生熱效應(yīng)去除，而碳纖維在軸向和徑向?qū)嵯禂?shù)的存在較大差異，所以有必要研究碳纖維鋪設(shè)方向?qū)庸べ|(zhì)量的影響。HAN等人[61]為了探究多層多角度CFRP對(duì)激光加工質(zhì)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(jié)果表明,激光切割時(shí)，由90°或45°與0°方向組成的雙層CFRP進(jìn)行切割可以得到較好的切縫質(zhì)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(fā)現(xiàn),當(dāng)激光照射在材料表面時(shí)，在碳纖維導(dǎo)熱下，熱塑性樹脂主要發(fā)生軟化[63]并在氣體沖蝕下去除，而熱固性樹脂則在發(fā)生氣化的同時(shí)部分會(huì)熱解形成不飽和的碳?xì)浞肿硬⒔?jīng)過一系列脫氫、聚合后形成炭黑附著在加工表面[28]；當(dāng)發(fā)生不完全燒蝕時(shí)也會(huì)在表面留下炭黑。此外，有研究發(fā)現(xiàn),隨著樹脂含量的增加，加工區(qū)域溫度場(chǎng)變窄但最高溫度會(huì)逐漸增加[64]，這是因?yàn)闃渲膶?dǎo)熱率比碳纖維低，所以樹脂含量增加容易導(dǎo)致熱量積累。

6 結(jié)束語

CFRP一般由多層不同鋪設(shè)方向的纖維和樹脂黏合而成，由于碳纖維和樹脂熱力學(xué)性能的巨大差異，材料呈現(xiàn)出各向異性的特性，在激光與CFRP相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生與一般均質(zhì)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(shí)，樹脂被大量去除，碳纖維保留了下來，HAZ增大，同時(shí)材料的力學(xué)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(huì)導(dǎo)致HAZ增大。此外樹脂對(duì)激光的吸收率很低，所以樹脂的去除主要是依靠碳纖維導(dǎo)熱，但是碳纖維軸向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于徑向熱導(dǎo)率，產(chǎn)生熱應(yīng)力差，所以在加工時(shí)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(duì)于CFRP的激光加工還處于基礎(chǔ)性研究階段，相關(guān)研究主要集中在激光工藝參量、多能場(chǎng)復(fù)合以及材料特性對(duì)CFRP加工質(zhì)量的影響。不同能場(chǎng)和工藝參量下，激光加工CFRP的去除機(jī)理存在著較大差別，需要進(jìn)一步研究和相關(guān)去除機(jī)理的完善，以便實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的加工。

隨著產(chǎn)品朝著輕量化方向發(fā)展，各國家對(duì)CFRP的需求量將會(huì)不斷增加，同時(shí)對(duì)加工質(zhì)量的要求將更加嚴(yán)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(fā)展，所以需要研究者深入研究。

基于此，關(guān)于CFRP激光加工還可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(xué)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(xué)性能差異的角度深入研究，以實(shí)現(xiàn)激光低損傷、高效率加工CFRP的目標(biāo)。

(2)多能場(chǎng)輔助加工有利于材料的去除，提高加工質(zhì)量。但目前輔助能場(chǎng)無法做到精準(zhǔn)控制加工區(qū)域的冷熱平衡，常存在加工區(qū)域熱量損失過大，降低加工效率的現(xiàn)象。所以需要進(jìn)一步探索能場(chǎng)輔助的精準(zhǔn)控制方法，實(shí)現(xiàn)冷熱平衡優(yōu)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(shí)間，使得材料在達(dá)到熱力學(xué)平衡之前就完成了加工，從而獲得高加工質(zhì)量。但超短脈沖的加工效率相對(duì)較低，目前對(duì)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(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)其高效率加工的方法。

(4)水導(dǎo)激光加工技術(shù)具有長(zhǎng)加工距離、高清潔性、高加工質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在加工CFRP時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較好質(zhì)量的加工，但是由于該技術(shù)冷卻性高，使得加工效率較低，同時(shí)由于加工深孔時(shí)存在積水，影響加工的幾何形狀，需要進(jìn)一步改善該技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的加工。