碳纖維增強樹脂基復合材料飛秒激光精密切割工藝研究

薛 博，徐潔潔，張寰臻，崔夢雅，黃 婷，肖榮詩

（1.北京工業(yè)大學材料與制造學部，北京 100124；2.河北工程大學數(shù)理科學與工程學院，河北邯鄲056038 ）

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）具有質輕、強度高、導熱好、耐腐蝕等特性，廣泛應用于航空航天、汽車、風能、醫(yī)療器械等工業(yè)領域，尤其在航天領域是制造現(xiàn)有和未來空間飛行器不可或缺的關鍵材料[1]。傳統(tǒng)刀具加工會產生纖維拔出、材料分層、刀具磨損等缺陷，激光加工具有與材料非接觸的特點，是高性能復合材料加工的有效手段之一[2]，然而復合材料中纖維與基體較大的熱物理性能差異導致的熱影響區(qū)成為了影響加工質量的主要因素[3-4]。納秒激光通過優(yōu)化參數(shù)、采用水射流加工方式可以不同程度地降低熱影響區(qū)尺度，寬度范圍在30～1000 μm[5-9]；皮秒或飛秒超短脈沖激光與材料極短的作用時間可有效抑制熱影響，產生的熱影響區(qū)寬度可小于25 μm[10]，這為CFRP 的高質量加工帶來可能。目前，皮秒激光切割CFRP 的方式主要有單道、多道直線切割及旋轉切割，各種加工方式均由于熱累積效應對加工質量產生影響[11]。

采用皮秒激光單道切割時，脈沖累積和掃描累積產生的熱效應是導致熱影響區(qū)的兩個重要因素，其中單脈沖能量、掃描速度、重復頻率及光斑直徑是影響脈沖累積的主要因素[12]。Freitag 等[13]采用皮秒激光對CFRP 進行刻蝕試驗，可獲得20 μm 以下的熱影響區(qū)寬度，掃描次數(shù)、掃描速度、激光功率均會影響熱影響區(qū)范圍且掃描累積效應存在臨界值，大于臨界值時熱影響區(qū)寬度迅速增加。Kononenko等[14]采用皮秒激光切割CFRP 時發(fā)現(xiàn)，不同氣體環(huán)境、氣體流速下掃描次數(shù)與切縫深度、材料去除率存在影響規(guī)律，氧氣輔助切割可增加切縫深度，但也加劇了熱損傷。Finger 等[15]在皮秒激光多道切割CFRP 工藝試驗中發(fā)現(xiàn)，增加激光功率、降低掃描速度以及增加脈沖頻率會導致刻蝕速率增加，降低掃描速度、增加脈沖頻率會導致熱影響區(qū)寬度變大；在低頻脈沖下，激光能量更有效用于對材料去除，熱影響區(qū)寬度較小。Salama 等[16]通過研究皮秒激光加工CFRP 時等離子體對光束的屏蔽效應時發(fā)現(xiàn)，相對單道直線切割而言，多道直線切割的切槽更深且隨著激光功率增加切槽傾角減小。朱德志等[17]利用皮秒激光對CFRP 進行銑削試驗，可得到最小切縫傾角2.6°、最小熱影響區(qū)寬度13 μm，但這兩種最優(yōu)的結果無法在同一參數(shù)下同時實現(xiàn)。蔣翼等[18]利用多道切割的方式，在優(yōu)化工藝下可實現(xiàn)約5 μm寬度的熱影響區(qū)。葉逸云等[19]利用皮秒激光對比研究不同功率下激光旋轉切割、平行填充切割及十字填充切割3 種不同掃描方式對加工質量的影響，發(fā)現(xiàn)旋轉切割掃描軌跡最密集，對CFRP 的材料去除效率最高，且錐度最小、熱影響區(qū)較小。

超短脈沖激光在CFRP 加工方面的報道多集中于皮秒激光，采用飛秒激光加工少有報道且主要使用近紅外波長飛秒激光器。已有研究表明，較短的波長和脈寬加工CFRP 可實現(xiàn)更小的熱損傷和更高的切割效率[20]。Fujita 等[21]采用1030 nm 波長飛秒激光切割高模量CFRP，熱影響區(qū)寬度為11.95 μm。本文采用515 nm 波長飛秒激光對CFRP 進行切割工藝研究，利用短波長脈沖產生高能量光子誘導材料多光子吸收，使用飛秒脈寬壓縮脈沖與材料作用時間盡可能消除熱影響，借助高速旋轉振鏡與高重頻、高瞬時功率脈沖結合實現(xiàn)加工效率、加工效果的寬范圍可調；此外，研究切割方向與纖維方向的夾角大小對產生熱影響區(qū)寬度的影響規(guī)律[22-24]。

1 試驗及方法

1.1 試驗材料

試驗所用CFRP 是一種由碳纖維和環(huán)氧648 樹脂組成的衛(wèi)星用典型熱固性材料。材料性能見表1。材料厚度為0.4 mm，最外兩層為極薄編織層，內四層為碳纖維單向排列，排列方向見圖1。

表1 碳纖維與樹脂基基本材料性能參數(shù)

圖1 纖維取向排列示意圖

1.2 設備與表征

圖2 是激光加工裝置和激光掃描路徑示意圖，表2 是試驗采用的參數(shù)表。試驗采用飛秒激光器搭配掃描振鏡對材料進行逐層去除，用金相顯微鏡檢測切縫截面的熱影響區(qū)寬度及切縫錐角，用三維表面結構測量儀測量切縫的表面粗糙度，用掃描電鏡觀察切縫截面和切縫面的形貌。

圖2 激光加工裝置和激光掃描路徑示意圖

表2 激光參數(shù)

脈沖光斑重疊率overlap 計算方法如下：

式中：Δx為相鄰光斑的重疊寬度；Dl為焦斑直徑；v為激光掃描速度；f 為脈沖頻率。

由于存在光斑重疊率，材料同一位置連續(xù)接收脈沖數(shù)目記為有效脈沖數(shù)Np：

因材料要進行多遍切割才能切透，因此掃描速度與實際切透所用遍數(shù)N 比值定義為等效切割速度V：

此切割試驗中，每一組參數(shù)重復三次，每條切縫長度為1 cm，每間隔2 mm 抽樣一次切縫截面和切縫面。圖3 是熱影響區(qū)和切縫錐角的示意圖，在激光照射下，由于碳纖維的導熱性良好，大量熱量沿著碳纖維軸向切縫周圍擴散，并傳遞至碳纖維周圍的樹脂中，使樹脂受到一定的熱損傷，工藝研究中的熱影響區(qū)寬度設定為切縫中最大值，所得的切縫呈倒錐角形，錐角為切縫壁夾角的一半。

圖3 熱影響區(qū)和切縫錐角測量示意圖

2 結果與討論

2.1 掃描次數(shù)對切縫截面形貌的影響

設定激光功率50 W、掃描速度3000 mm/s、脈沖頻率600 kHz，將激光聚焦于材料中間部位、切割方向與表層碳纖維方向垂直，對CFRP 進行直線軌跡單向多次掃描，改變掃描次數(shù)得到不同深度切縫橫截面，每個橫截面每層選取3 個測量點，測量熱影響區(qū)的寬度，所得結果見圖4?？煽闯?，隨著掃描次數(shù)增加，切縫深度逐漸增大，上表面切縫寬度變化不明顯，每一層中切縫寬度、熱影響區(qū)寬度隨深度增加而減小；此外，不同分層由于層間纖維走向變化會造成熱堆積，出現(xiàn)層-層交界處熱影響區(qū)增大，當CFRP 完全切透后該現(xiàn)象消失。

圖4 不同掃描次數(shù)下的切縫橫截面形貌

圖5 是圖4 所示部分截面的掃描電鏡放大圖。由于碳纖維熱導率遠高于樹脂，激光能量在纖維中沿軸向快速傳播[17]，周圍樹脂受到熱損傷發(fā)生氣化，出現(xiàn)碳纖維裸露的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)寬度和切縫寬度在同一層中均表現(xiàn)為上寬下窄。當激光束切割深度達到層間交界時，如從第1 層進入第2 層、第3層進入第4 層時，光束切割方向與纖維軸向夾角分別由90°變?yōu)?5°、由-45°變?yōu)?°。由于碳纖維軸向熱導率遠高于徑向熱導率，激光能量向切縫兩側傳播速度減小，能量在切縫邊緣積累、去除材料增多，于是出現(xiàn)切縫底部變寬、熱影響區(qū)寬度增大的現(xiàn)象。當切割深度由第2 層進入第3 層時，光束切割方向與纖維軸向夾角由45°變?yōu)?45°，未發(fā)現(xiàn)切縫底部寬度及熱影響區(qū)寬度增加。

圖5 不同掃描次數(shù)的切縫橫截面微觀形貌

2.2 激光功率和掃描速度對切割效果的影響

設定脈沖頻率600 kHz，將激光聚焦于材料中間部位，切割方向與表層碳纖維方向垂直。選取激光功率分別為20、30、40、50、60 W，掃描速度分別為500、1500、2500 mm/s，對材料進行多遍掃描切割直至將材料切開。取樣分別測出不同參數(shù)下的熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度進行切割質量評估，結果見圖6。

圖6 不同激光功率、掃描速度下的切割表面質量

通過圖6 可看出，隨著激光功率增加，熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度值均不斷增加；隨著掃描速度越快，熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度值均越小，從而提高加工質量。此外，熱影響區(qū)寬度受掃描速度的影響顯著，在掃描速度為500 mm/s 時切割呈現(xiàn)的熱影響區(qū)寬度明顯增大；僅增加激光功率時，熱影響區(qū)寬度隨功率增加趨緩，呈飽和趨勢。通過對比加工質量變化規(guī)律，采用小功率、高速掃描可獲得更優(yōu)的加工效果，在激光功率20 W、掃描速度2500 mm/s、脈沖頻率600 kHz時，可得到熱影響區(qū)寬度10 μm 下、切縫錐角2°下、切割表面粗糙度值小于Ra2.5 μm 的切割效果。

通過式（3）計算材料切透的等效切割速度，獲得其隨激光功率、掃描速度的變化規(guī)律見圖7。結果顯示，掃描速度越快，將材料切透所需的掃描次數(shù)越多，等效切割速度越低，相應的切割時間增加，這種差異在低功率時影響較小，隨著激光功率的增加而增大。對比圖6 切割質量與圖7 加工速率結果可知，采用低功率、高速掃描可獲得更好的切割質量，且低功率下等效切割速度的差異不大，對切割效率的影響不明顯，因此下文將對低功率和高掃描速度參數(shù)進行進一步工藝優(yōu)化。

圖7 激光功率、掃描速度對等效切割速度的影響

2.3 工藝優(yōu)化

熱影響區(qū)的產生除了受激光直接作用材料時間（即脈寬）影響外，還存在熱量累積因素。當脈沖頻率越高，前后兩個脈沖的時間間隔越短，激光輻照材料引起的熱累積效應越顯著；此外由公式可知，脈沖頻率越高或掃描速度越慢，光斑重疊率增加，一方面會造成有效脈沖數(shù)增多、熱累積效果加劇，另一方面會增加光致等離子體與次脈沖作用概率。目前，熱累積已成為影響超短脈沖激光加工精度的直接原因和主要原因。

為此，設定激光功率20 W、脈沖頻率600 kHz、掃描速度2500 mm/s、光斑重疊率91.7%，保持激光功率、掃描速度不變，單一改變脈沖頻率，通過縮短脈沖間隔、減小光斑重疊率進行工藝優(yōu)化，所得結果見圖8。對比圖6 所示飛秒激光切割后CFRP 材料的熱影響區(qū)寬度、切縫錐角和切縫表面粗糙度發(fā)現(xiàn)，三種參量均隨著脈沖頻率減小而減小，加工質量得到優(yōu)化。當脈沖頻率由600 kHz 降至50 kHz時，通過降低光斑重疊率、延長脈沖間隔，切縫的熱影響區(qū)寬度由7 μm 降至2 μm、錐角由2°降至1.5°、表面粗糙度值由Ra2.4 μm 降至Ra1.6 μm，切割精度進一步提高。

圖8 不同脈沖頻率下的切割質量評價

圖9 是優(yōu)化后的切縫切面和截面的SEM 掃描圖像，可看到切縫切面光滑，切縫截面周圍幾乎無熱影響區(qū)，纖維層間過渡區(qū)無熱累積缺陷。目前使用皮秒激光、飛秒激光等超短脈沖激光切割CFRP時，切割邊緣熱影響區(qū)寬度可控制在5～10 μm[18]。本研究獲得了更小的熱影響區(qū)，且切割邊緣光滑，未見表皮撕裂、分層剝離等缺陷。

圖9 參數(shù)優(yōu)化后的切縫切面和截面

2.4 分析與討論

目前超短脈沖激光加工材料仍存在熱影響，主要來源于熱量累積效應，采用高頻、低速加工參量會導致光斑重疊率增加，有效脈沖數(shù)增多，且相鄰脈沖時間間隔縮小，熱累積效應顯著。圖10 是在掃描速度2500 mm/s、功率20 W 的優(yōu)化工藝下得到的相鄰脈沖時間間隔、光斑重疊率、有效脈沖數(shù)隨脈沖頻率變化規(guī)律曲線?？煽闯?，脈沖頻率的減小可使脈沖時間間隔反比率增加，從而增加脈沖作用材料后的冷卻時間；脈沖頻率的減小可使光斑重疊率降低，并且頻率越低下降速度顯著加快；脈沖頻率的減小可使有效脈沖數(shù)線性下降。當脈沖頻率由600 kHz 降至50 kHz 時，光斑重疊率從91.7%降到0，此時同一位置只接收一次脈沖輻照，相鄰脈沖時間間隔20 μs，熱累積效應相對于其他工藝優(yōu)化參量時得到明顯抑制，因此可獲得較高的加工質量。

圖10 不同脈沖頻率下的相鄰脈沖時間間隔、光斑重疊率及有效脈沖數(shù)曲線

3 結論

采用515 nm 波長飛秒激光對碳纖維增強樹脂基復合材料進行切割研究，得到以下結論：

（1）多遍切割過程中，當激光束切割深度恰位于層間交界時，由于層間纖維走向變化會造成熱累積，出現(xiàn)切縫底部材料蝕除量增多、切縫寬度及熱影響區(qū)增大，多遍切割直至材料切透后可消除。

（2）當增加激光功率時，熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度值均不斷增大；提高掃描速度時，相應的加工質量也相應提高。

（3）降低脈沖頻率，可使光斑重疊率降低、相鄰脈沖時間間隔增大、有效脈沖數(shù)減小，飛秒激光加工時熱累積效應減弱。采用優(yōu)化工藝下進行切縫試驗，可得到熱影響區(qū)寬度2 μm、切縫錐角1.5°、切割表面粗糙度Ra1.6 μm 的切縫。