266nm紫外固體激光切割碳纖維復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)研究

齊立濤，劉鳳聰，張耀東

(1.黑龍江科技大學(xué) 激光先進(jìn)制造研究所，哈爾濱 150022；2.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022)

引 言

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)由于物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕等一系列優(yōu)異性能，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，是一種戰(zhàn)略性新材料[1]。在CFRP作為零部件應(yīng)用過(guò)程中，由于零部件的精度要求和裝配需求，經(jīng)常需要對(duì)CFRP進(jìn)行后加工處理，例如切割、鉆孔和銑削等[2]。激光加工技術(shù)是一種不同于傳統(tǒng)機(jī)械加工的非接觸式加工方法，無(wú)刀具磨損和接觸應(yīng)力，被廣泛應(yīng)用于材料加工等各個(gè)領(lǐng)域。

激光切割CFRP可以克服傳統(tǒng)機(jī)械加工造成的材料分層和材料破碎等問(wèn)題，但熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)和纖維撥出等缺陷較為嚴(yán)重，如何解決熱影響區(qū)和纖維撥出等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)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(duì)CFRP材料進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比兩種激光在切割過(guò)程中的性能，發(fā)現(xiàn)CFRP熱影響區(qū)隨著功率的增大逐漸減小，CFRP厚度在2mm左右及以下時(shí)，采用1064nm的Nd∶YAG激光加工效果較好，而對(duì)于大厚度的CFRP層板，采用10.6μm的CO2激光則更有優(yōu)勢(shì)[4]。NAN等人利用1064nm的Nd∶YAG激光和10.6μm的CO2激光分別對(duì)CFRP進(jìn)行熱損傷實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在相同的功率密度下，10.6μm激光對(duì)CFRP的熱損傷主要表現(xiàn)為樹脂基體的熱解，1064nm激光對(duì)CFRP的熱損傷除表現(xiàn)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(zhǎng)的皮秒激光對(duì)CFRP進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)1064nm波長(zhǎng)激光切割時(shí)產(chǎn)生的熱影響區(qū)比532nm波長(zhǎng)切割時(shí)產(chǎn)生的熱影響區(qū)增大了1倍[6]。OHKUBO等人對(duì)激光切割CFRP的材料去除機(jī)理進(jìn)行研究，建立碳纖維和樹脂基體分層的CFRP模型，將加工過(guò)程中CFRP的氧化作用考慮在內(nèi)，計(jì)算了CFRP內(nèi)部的溫度變化情況，發(fā)現(xiàn)CFRP的氧化作用會(huì)導(dǎo)致熱量產(chǎn)生并對(duì)樹脂基體的去除有促進(jìn)作用，但對(duì)碳纖維的影響較小，表明在進(jìn)行激光切割CFRP材料去除機(jī)理的研究中，CFRP的氧化作用也應(yīng)該考慮在內(nèi)[7-8]。YU等人對(duì)激光能量在材料內(nèi)部的傳遞機(jī)理進(jìn)行研究，建立激光切割單層CFRP的3維模型，對(duì)激光切割CFRP時(shí)材料內(nèi)部的能量傳遞過(guò)程進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光束直徑與碳纖維絲束直徑的比例增大時(shí)，CFRP切縫寬度從229.45μm下降到95.60μm，熱影響區(qū)寬度從172.08μm下降到156.79μm[9]。ZHU等人采用355nm波長(zhǎng)皮秒脈沖激光進(jìn)行CFRP的銑削加工實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)355nm皮秒激光采用更高的脈沖重復(fù)頻率提高了激光光斑的重疊率，同時(shí)355nm紫外波長(zhǎng)與其它更長(zhǎng)波長(zhǎng)激光相比，能夠直接將樹脂基體光解，材料去除過(guò)程時(shí)間更短、區(qū)域更小、變化更快，在優(yōu)化的銑削條件下，355nm皮秒激光加工樣件表面沒(méi)有明顯的熱影響區(qū)[10]。ZHANG等人采用532nm和355nm皮秒激光在CFRP上進(jìn)行制孔研究，在厚度為5mm的CFRP上加工直徑為3mm的圓孔，當(dāng)激光波長(zhǎng)為532nm時(shí)，圓孔周圍的熱影響區(qū)大小為200μm，當(dāng)激光波長(zhǎng)為355nm時(shí)，圓孔周圍的熱影響區(qū)大小為70μm，表明激光波長(zhǎng)越短，加工孔的表面質(zhì)量越好，熱影響區(qū)越小[11]。

綜上可知，由于CFRP材料的異質(zhì)性和各向異性，利用紅外激光及可見光加工CFRP時(shí)，加工區(qū)域周圍殘留的大量能量會(huì)沿著碳纖維軸向進(jìn)行擴(kuò)散，造成基體的熱損傷，形成明顯的熱影響區(qū)，從而產(chǎn)生纖維裸露等缺陷，降低CFRP的力學(xué)性能[12]。而紫外激光波長(zhǎng)較短，單光子能量較高[13]，在加工CFRP的過(guò)程中，可以直接打斷基體材料的化學(xué)鍵，產(chǎn)生“光化學(xué)”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(zhǎng)激光波長(zhǎng)更短，單光子能量更高，因此，本文中進(jìn)行了266nm短脈沖紫外固體激光切割CFRP的實(shí)驗(yàn)研究，分析266nm紫外固體激光切割CFRP的工藝規(guī)律，并通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得出了加工規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)公式，為紫外激光切割CFRP在工業(yè)中的應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

266nm固體激光切割實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)所采用的激光器為北京中科紫玉光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的固態(tài)Nd∶YAG激光器，激光器技術(shù)參數(shù)如表1所示。本實(shí)驗(yàn)中選用266nm紫外激光，能量分布呈高斯分布。光束經(jīng)反射鏡反射，通過(guò)1mm的光闌進(jìn)行光束整形后，通過(guò)焦距為100mm的平凸透鏡進(jìn)行聚焦到工件表面。工件放在自動(dòng)控制的X-Y-Z工作臺(tái)上，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整掃描速率、掃描次數(shù)和掃描間距等，通過(guò)調(diào)節(jié)激光器電流改變激光脈沖能量的大小。實(shí)驗(yàn)在空氣和常溫下進(jìn)行。利用以色列OPHIR公司生產(chǎn)的能量計(jì)測(cè)量激光脈沖能量，利用數(shù)字顯微鏡(Olympus DSX1000)和光學(xué)顯微鏡檢測(cè)CFRP的切縫寬度和熱影響區(qū)寬度。

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

Table 1 Main parameters of Nd∶YAG laser

實(shí)驗(yàn)樣品為商業(yè)化的CFRP層板，其中基體為AG80環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)相為T300碳纖維，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0.335，樹脂基體體積分?jǐn)?shù)為0.665。樣品厚度為1mm，由8層單層結(jié)構(gòu)CFRP按不同方向堆疊層壓后形成。CFRP樣品主要性能參數(shù)如表2所示。

Table 2 Main parameters of CFRP

利用266nm紫外固體激光對(duì)CFRP材料進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，首先，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)法探究激光脈沖能量、掃描速率等激光切割參數(shù)對(duì)切縫寬度和熱影響區(qū)的影響規(guī)律。其次，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)法確定影響切縫寬度和熱影響區(qū)寬度的顯著性因素。最后，利用正交實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸分析的方法建立切縫寬度和熱影響區(qū)寬度的經(jīng)驗(yàn)公式，得到激光主要切割參數(shù)與切縫寬度和HAZ寬度的定量關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光切割CFRP的單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 激光脈沖能量對(duì)縫寬的影響 不同激光脈沖能量時(shí)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(shí)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(nèi)測(cè)無(wú)明顯纖維撥出現(xiàn)象，切縫質(zhì)量明顯優(yōu)于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光切割結(jié)果。

圖3為激光脈沖能量與切縫寬度的關(guān)系。從圖3中可見，當(dāng)激光脈沖能量增加時(shí),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(zhì)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(qiáng)，因而光斑照射區(qū)域有更多的材料被去除，進(jìn)而表現(xiàn)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(jī)理造成的，在進(jìn)行光化學(xué)蝕除和光熱蝕除的同時(shí)，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(huì)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(xiàn)為激光脈沖能量不斷增加的同時(shí)，切縫寬度也不斷增大的現(xiàn)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(duì)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(chǎn)生的熱影響區(qū)，隨著激光脈沖能量的增加，HAZ范圍有逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)。不同激光脈沖能量與HAZ寬度的關(guān)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?yàn)楫?dāng)激光脈沖能量增加時(shí)，材料的光化學(xué)蝕除和光熱蝕除能力增強(qiáng)，單位時(shí)間內(nèi)材料內(nèi)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(shí)另一部分向切縫周圍擴(kuò)散的能量也增加，導(dǎo)致切縫周圍樹脂基體的熱損傷加重，HAZ寬度增大。實(shí)驗(yàn)中熱影響區(qū)寬度最小為82μm，小于1064nm和532nm等波長(zhǎng)激光切割時(shí)產(chǎn)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(duì)切縫寬度的影響 圖5為激光掃描速率與切縫寬度的關(guān)系(激光脈沖能量為0.165mJ)。從圖5中可以看出，當(dāng)激光掃描速率增大時(shí)，切縫寬度逐漸減小。這是因?yàn)镃FRP材料的蝕除機(jī)理是由光化學(xué)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?yàn)楣饣瘜W(xué)蝕除被瞬間氣化去除，而光束外圍的材料則因?yàn)槟芰棵芏炔蛔愣ㄟ^(guò)光熱蝕除被去除，隨著激光掃描速率的增大，單位時(shí)間CFRP吸收的能量減少，光束外圍進(jìn)行光熱蝕除的效果減弱，導(dǎo)致相應(yīng)切縫處材料的去除量減少，使切縫寬度減小。實(shí)驗(yàn)中切縫寬度最小為50μm，小于1064nm激光切割時(shí)產(chǎn)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(duì)HAZ的影響 激光掃描速率與HAZ的關(guān)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?yàn)殡S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(shí)間內(nèi)材料表面吸收的能量減少，光化學(xué)蝕除和光熱蝕除效果減弱，同時(shí)向切縫周圍擴(kuò)散的熱量減少，導(dǎo)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(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)加工圖片,激光切割CFRP的正交實(shí)驗(yàn)表如表3所示。在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，利用極差分析法對(duì)CFRP的切縫寬度和HAZ寬度進(jìn)行分析得到結(jié)果如表4和表5所示。表中,b1～b3表示正交實(shí)驗(yàn)中各因素水平指標(biāo)求和的平均值,N表示正交實(shí)驗(yàn)中各因素水平指標(biāo)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(duì)CFRP切縫寬度的分析中，激光掃描速率產(chǎn)生的極值較大，激光脈沖能量產(chǎn)生的極值較小，因此可以得出激光掃描速度對(duì)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(guò)調(diào)節(jié)激光掃描速率來(lái)實(shí)現(xiàn)。從表5中可以看出，在對(duì)CFRP HAZ寬度的分析中，激光脈沖能量產(chǎn)生的極值較大，激光掃描速率產(chǎn)生的極值較小，因此可以得出激光脈沖能量對(duì)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(dāng)?shù)膾呙杷俾省?/p>

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(guò)正交實(shí)驗(yàn)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(shù)之間的關(guān)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(jīng)驗(yàn)公式，將表3中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)關(guān)系數(shù)據(jù),如表6所示。假設(shè)CFRP切縫寬度和HAZ寬度的經(jīng)驗(yàn)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(shù)系數(shù)。

將(1)式、(2)式兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)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(guò)將表6中的數(shù)據(jù)代入(5)式和(6)式，求解線性方程組，得出復(fù)相關(guān)系數(shù)R2如下：

(7)

(8)

由(7)式和(8)式得經(jīng)驗(yàn)公式分別為：

(9)

(10)

相關(guān)性檢驗(yàn)：

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(yàn)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(shí)，查《F分布表》得到的統(tǒng)計(jì)量F臨界值;FD是切縫寬度的F值。故經(jīng)驗(yàn)公式(9)式相關(guān)性是顯著的。

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

(12)

式中,FH是熱影響區(qū)寬度的F值。故經(jīng)驗(yàn)公式(10)式相關(guān)性高度顯著。

(9)式與(10)式為通過(guò)多元線性回歸分析得到的CFRP切縫寬度和HAZ寬度的經(jīng)驗(yàn)公式，由相關(guān)性檢驗(yàn)可以看出，HAZ寬度經(jīng)驗(yàn)公式相關(guān)性為高度顯著，切縫寬度經(jīng)驗(yàn)公式相關(guān)性為顯著，低于HAZ的相關(guān)性。由方程擬合的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2的大小也可看出，切縫寬度經(jīng)驗(yàn)公式的擬合精度較低，所以切縫寬度經(jīng)驗(yàn)公式變量指數(shù)絕對(duì)值大小所代表的影響因素顯著順序，與極差分析得到的結(jié)果略有不同。但HAZ經(jīng)驗(yàn)公式擬合精度較高，變量指數(shù)絕對(duì)值大小所代表的影響因素顯著順序，與極差分析得到的結(jié)果相一致。采用上述經(jīng)驗(yàn)公式，能夠在給出相應(yīng)的激光脈沖能量和掃描速率參數(shù)后，推算出激光切割CFRP的切縫寬度和HAZ寬度，對(duì)切割效果具有預(yù)測(cè)作用，對(duì)加工參數(shù)的設(shè)置具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)266nm紫外固體激光切割CFRP的單因素實(shí)驗(yàn)，得出了激光切割主要參數(shù)對(duì)切縫寬度和熱影響區(qū)的影響規(guī)律。隨著激光脈沖能量的增加，切縫寬度和熱影響區(qū)寬度不斷增大；隨著激光掃描速率的增大，切縫寬度和HAZ區(qū)寬度不斷減小。

(2)266nm紫外固體激光切割CFRP時(shí)可以通過(guò)光化學(xué)蝕除與光熱蝕除共同作用對(duì)材料進(jìn)行去除，切縫較為整齊，切縫內(nèi)測(cè)無(wú)明顯纖維撥出現(xiàn)象，HAZ寬度和切縫寬度較小，實(shí)驗(yàn)中最小HAZ寬度為82μm，最小切縫寬度為50μm，切縫質(zhì)量較好。

(3)通過(guò)266nm紫外固體激光切割CFRP的正交實(shí)驗(yàn)，得出了激光切割主要參數(shù)對(duì)切縫寬度和HAZ寬度影響的顯著性程度。激光掃描速率對(duì)切縫寬度影響的顯著性水平更高，激光脈沖能量對(duì)熱影響區(qū)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(guò)選擇盡量小的激光脈沖能量，和適當(dāng)?shù)膾呙杷俾蕘?lái)減小HAZ寬度。

(4)通過(guò)對(duì)正交實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，得出CFRP切縫寬度和HAZ寬度的經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)給定的激光切割參數(shù)，推算出激光切割CFRP的切縫寬度和HAZ寬度，對(duì)激光切割效果具有預(yù)測(cè)作用，為激光切割CFRP時(shí)激光切割參數(shù)的選擇提供參考。

上述研究對(duì)紫外納秒激光切割CFRP在工業(yè)中的應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。