CO2連續(xù)激光燒蝕CFRP樹脂層工藝優(yōu)化

蔡頌，徐聞聲，余凡，宋金潮，鄧凱，陳達(dá)

(1.武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢 430048； 2.武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院，武漢 430065；3.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南株洲 412007)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有高模量、高強(qiáng)度、低密度的優(yōu)異力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、新能源汽車領(lǐng)域。CFRP 由樹脂和碳纖維兩種材料復(fù)合而成，其中熱固性復(fù)合材料的樹脂層起著保護(hù)碳纖維的作用，防止碳纖維受損改變內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)。現(xiàn)實(shí)中，有兩種情況必須對(duì)樹脂層進(jìn)行消除處理:一是生產(chǎn)過程中需要CFRP 與其他金屬零件連接時(shí)，合理去除CFRP 表面樹脂可以有效地提高黏接強(qiáng)度[1-2]。二是CFRP長(zhǎng)時(shí)間負(fù)載工作后樹脂層過度磨損時(shí)，需對(duì)CFRP表面進(jìn)行修復(fù)處理[3-5]。無論是CFRP修復(fù)還是CFRP與其他金屬件連接，連接機(jī)制都是微觀層面的范德華力導(dǎo)致分子吸引，同時(shí)兩種材料接觸存在的摩擦力產(chǎn)生機(jī)械嵌鎖，因此提高CFRP材料表面粗糙度可以有效地提高連接性能[6]。

以往大多采用機(jī)械方式處理CFRP 表面，但采用機(jī)械方式處理容易使樹脂層下面的碳纖維發(fā)生斷裂，從而致使黏接強(qiáng)度降低。如今，采用激光處理CFRP 表面，不但可以有效去除樹脂層且不傷碳纖維，還可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)致使材料表面活性官能團(tuán)增加?；钚怨倌軋F(tuán)數(shù)量增加可以提高材料表面的親潤(rùn)性，這樣有利于材料膠接，提高膠接后材料的剪切強(qiáng)度[7]。但CFRP受材料特性和工藝限制，在制備時(shí)樹脂層和碳纖維接觸面很難保持水平，導(dǎo)致樹脂層厚薄不一[8]，這給表面處理帶來不小挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)處理方式難免損壞碳纖維，由于碳纖維和樹脂熔點(diǎn)相差巨大，激光表面處理存在很大優(yōu)勢(shì)。

近些年，國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)激光表面處理CFRP做了大量研究。Zhan Xiaohong 等[9]采用紅外脈沖激光表面處理CFRP，研究發(fā)現(xiàn)激光處理CFRP可以有效提高膠接強(qiáng)度，同時(shí)處理后微觀形貌與能量密度有密切關(guān)聯(lián)。吳瑤等[10]通過改變脈沖激光脈寬對(duì)CFRP 進(jìn)行表面處理并與鋁膠接，隨脈沖激光脈寬提高，膠接強(qiáng)度和表面自由能顯著提高，選擇合適脈沖可以最大程度提高膠接性能。劉暢[11]針對(duì)紅外激光表面處理CFRP 進(jìn)行了多參數(shù)的試驗(yàn)并耦合，激光能量密度和掃描速度對(duì)激光表面處理工藝有著非常重要的影響，同時(shí)激光能量密度是影響表面處理效果的最直接因素，基于機(jī)械嵌鎖理論，激光處理后提高的表面粗糙度將得到更大黏接強(qiáng)度。通常處理CFRP 表面只清除樹脂即可，Xie Yingxi等[12]采用兩步法進(jìn)行激光處理CFRP 表面，第一步選擇合適參數(shù)去除樹脂層，第二步選擇合適參數(shù)刻蝕碳纖維，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩步法處理的剪切強(qiáng)度優(yōu)于只處理樹脂層。盡管采用脈沖激光可以有效去除樹脂并不傷碳纖維，但是由于高斯脈沖的激光特性導(dǎo)致加工區(qū)域內(nèi)能量分布不均且產(chǎn)生能量累積。

經(jīng)激光處理后表面粗糙度提高是激光表面處理CFRP 的核心，也因此提高了膠接強(qiáng)度。以往CFRP 的激光表面處理相關(guān)研究大多是優(yōu)化參數(shù)，建立的能量密度模型均是靜態(tài)的，不考慮光斑移動(dòng)。筆者采用CO2連續(xù)激光燒蝕CFRP 樹脂層，選用合適激光功率和掃描速度進(jìn)行加工，建立動(dòng)態(tài)的能量密度單元，檢測(cè)加工區(qū)域粗糙度和觀測(cè)微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化，并闡述能量密度與激光表面處理后粗糙度的聯(lián)系，試驗(yàn)結(jié)果為激光處理CFRP 表面提供一定參考。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 主要原材料

CFRP層壓板:市售；

碳纖維:T300，絲束級(jí)別為3K，日本東麗公司；

碳纖維鋪層采用0°/90°編織而成，層數(shù)為15~20層，碳纖維體積分?jǐn)?shù)為60%；

環(huán)氧樹脂:WP-R5600 W3K，上?；莅匦虏牧峡萍加邢薰?；

層板:尺寸為200 mm×300 mm×3 mm，具體材料熱性能及物理性能列于表1。

表1 CFRP具體參數(shù)

1.2 儀器及設(shè)備

CO2連續(xù)激光雕刻與切割系統(tǒng):HJDQ-10060型，由主體、水箱、氣泵、計(jì)算機(jī)組成，通過計(jì)算機(jī)操作可以實(shí)現(xiàn)二維平面雕刻或切割，通過調(diào)節(jié)激光頭(Z軸)位置可以改變焦點(diǎn)位置，具體激光器參數(shù)列于表2，武漢和駿激光技術(shù)有限公司；

表2 CO2激光系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)

超聲波清洗機(jī):WHPS型，深圳市歌能清洗設(shè)備有限公司；

三維超景深系統(tǒng):RX-100 型，日本HⅠROX 公司；

表面粗糙度測(cè)量?jī)x:Surtronic Duo 型，英國(guó)Taylor Hobson有限公司。

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)先通過CO2連續(xù)激光點(diǎn)射CFRP 層壓板來確定激光焦點(diǎn)位置，點(diǎn)射出光時(shí)間為0.5 s，激光功率為100 W，刻度值范圍選為20~35 mm，間隔1 mm點(diǎn)射一次，總共進(jìn)行16次點(diǎn)射。對(duì)點(diǎn)射結(jié)果進(jìn)行三維超景深檢測(cè)獲得光斑半徑。光斑輻照到CFRP材料上，由于材料的各向異性導(dǎo)致周圍樹脂熔融程度不一，點(diǎn)射直徑示意圖如圖1所示，點(diǎn)射圖案呈現(xiàn)近似橢圓形，對(duì)其取橫豎兩次直徑測(cè)量，取平均直徑為光斑直徑。激光能量密度與掃描速度對(duì)激光表面處理工藝有著非常重要的影響，因此運(yùn)用“每面積能量”方式構(gòu)建一個(gè)理想加工區(qū)域[13-14]。將激光束攜帶能量投影在二維表面上，能量密度面積示意圖如圖2所示，一定的掃描速度在1 s內(nèi)掃描出形狀面積可以計(jì)算得到，將輸出功率和掃描速度帶入式(1)中，可以得出能量密度公式。

圖1 點(diǎn)射直徑示意圖

圖2 能量密度面積示意圖

式(1)中:E為掃描面積內(nèi)總能量；P為輸出功率；T為輸出時(shí)間；為了方便計(jì)算同時(shí)控制誤差將T固定為1 s；d為光斑直徑；x為掃描速度v下1 s內(nèi)的移動(dòng)距離。由于T固定為1 s，方便計(jì)算可以將T省略掉。

點(diǎn)射試驗(yàn)后選取合適離焦量進(jìn)行表面處理試驗(yàn)，激光雕刻掃描通常有S型和Z型兩種路線[12]，采用激光器為Z 型掃描路線。試驗(yàn)流程圖如圖3 所示，對(duì)表面處理后樣本進(jìn)行三維超景深檢測(cè)和粗糙度測(cè)量，對(duì)測(cè)量后樣本進(jìn)行超聲波清洗30 min，清洗后再進(jìn)行一次粗糙度測(cè)量。對(duì)于三維超景深顯微檢測(cè)，加工區(qū)域?yàn)?0 mm×10 mm矩形，取區(qū)域內(nèi)“五區(qū)四點(diǎn)”進(jìn)行點(diǎn)高度差檢測(cè)，所選五區(qū)間隔距離相等，最終計(jì)算數(shù)值在矩形區(qū)域內(nèi)更具有代表性。測(cè)量示意圖如圖4 所示，A，B，C，D 4 個(gè)點(diǎn)所測(cè)取數(shù)值都是與中心基準(zhǔn)點(diǎn)的高度差值，對(duì)每個(gè)區(qū)的高度差值都取絕對(duì)值后計(jì)算均值，然后計(jì)算矩形區(qū)域的算術(shù)平均偏差值來描述整個(gè)加工后表面起伏程度，用U表示，表面起伏程度與粗糙度大小有密切聯(lián)系[15]。粗糙度測(cè)量同樣在五區(qū)內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)區(qū)域測(cè)量一次，取五區(qū)均值作為該加工表面粗糙度數(shù)值。

圖3 試驗(yàn)流程圖

圖4 測(cè)量示意圖

式(2)中，Rai為i區(qū)所測(cè)表面粗糙度。

式(3)中，U為加工區(qū)域特征量即起伏值，數(shù)值越小代表越平坦；Hdif，av表示矩形區(qū)域的高度差值平均值，Hdif，av(i)表示i區(qū)的高度差值平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 點(diǎn)射試驗(yàn)結(jié)果

連續(xù)激光輻照CFRP層合板的能量分布在近中心區(qū)域可以看作平頂分布[16]，因此連續(xù)激光點(diǎn)射碳纖維樹脂層不會(huì)對(duì)光斑投影周圍樹脂造成較大熱影響區(qū)。功率低于100 W 時(shí)輻照1 s 也尚未達(dá)到碳纖維氣化溫度，同時(shí)CO2激光能量主要被薄表面層吸收[17]，所以激光光斑可看作面熱源。根據(jù)上述理論依據(jù)，點(diǎn)射試驗(yàn)凹坑的平均直徑近似等于實(shí)際光斑半徑，并且由環(huán)境、材料、測(cè)量產(chǎn)生的總誤差大約為10 %。點(diǎn)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5 所示，隨著Z軸刻度值增加平均直徑先減少后增加，在位于30 mm刻度值時(shí)達(dá)到最小值1 477.47 μm，同時(shí)通過觀察圖中擬合曲線，發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)位置位于刻度值30 mm 附近。

圖5 點(diǎn)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

2.2 功率和掃描速度對(duì)表面粗糙度的影響

與其他單一材料的激光表面處理不一樣，經(jīng)激光處理的CFRP表面粗糙度與激光功率的關(guān)系會(huì)更加復(fù)雜，主要原因是碳纖維編織鋪層存在起伏，導(dǎo)致樹脂包裹厚度不一[18]。表面處理試驗(yàn)結(jié)果誤差約為10 %，不同激光功率對(duì)CFRP 表面粗糙度的影響如圖6所示。當(dāng)掃描速度為30，50 mm/s和70 mm/s時(shí)，隨功率變化趨勢(shì)近乎一致，功率在40 W和50 W時(shí)粗糙度處在較低值，功率提高到60 W時(shí)粗糙度有上升趨勢(shì)。當(dāng)掃描速度為90 mm/s，功率在40 W時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)峰值表面粗糙度，且粗糙度變化趨勢(shì)與其它掃描速度結(jié)果不一致。掃描速度為70 mm/s和功率為60 W 時(shí)，表面粗糙度達(dá)到最大值為7.816 μm。不考慮掃描速度且使用較小激光功率，連續(xù)激光主要燒蝕CFRP 樹脂層并未能完全消除樹脂層；當(dāng)激光功率增加時(shí)，連續(xù)激光可以完全消除CFRP樹脂層并燒蝕CFRP 纖維層，此時(shí)經(jīng)激光處理的區(qū)域存在碳纖維斷裂和自身纖維編織的起伏，因此導(dǎo)致表面粗糙度較高。由(1)式可知，掃描速度提高且激光功率不改變，區(qū)域內(nèi)能量密度降低，較低能量密度無法完全燒蝕樹脂層且存在樹脂殘留，因此粗糙度較高。

圖6 不同激光功率對(duì)CFRP表面粗糙度的影響

經(jīng)連續(xù)激光處理區(qū)域會(huì)存在碳纖維斷裂產(chǎn)生的碎屑和樹脂熔化重新生成的冷凝物[9]，所以對(duì)加工后樣品進(jìn)行超聲波清洗。以掃描速度70 mm/s為例，超聲波清洗對(duì)CFRP表面粗糙度的影響如圖7所示。對(duì)比了清洗前后的粗糙度，清洗后CFRP 表面粗糙度整體下降。功率在30，40，50 W時(shí)，粗糙度有小幅度下降，粗糙度下降幅度范圍為0.434~0.876 μm，因?yàn)闃渲淠锱c基體連接不牢固，部分凸起點(diǎn)被超聲振動(dòng)洗去；功率在60 W時(shí)，粗糙度大幅度下降，下降了1.712 μm，這是因?yàn)槌曊駝?dòng)洗去了表面大量碳纖維碎屑和粘連的樹脂冷凝物。

圖7 超聲波清洗對(duì)CFRP表面粗糙度的影響

掃描速度對(duì)CFRP 表面粗糙度的影響如圖8 所示，將掃描速度視為單一變量時(shí)從中可以看出某種規(guī)律，過高或過低的掃描速度都導(dǎo)致粗糙度較低，尤其是在超聲波清洗后這種規(guī)律更為明顯。圖8a是超聲波清洗前掃描速度對(duì)表面粗糙度的影響變化，CFRP 表面粗糙度隨掃描速度增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)掃描速度在70 mm/s 時(shí)粗糙度達(dá)到最大值。從圖8b可以看出，雖然經(jīng)過清洗過后的粗糙度數(shù)值整體有所下降，但是粗糙度變化規(guī)律沒有改變。這種規(guī)律是因?yàn)檩^低掃描速度需要較多加工時(shí)間，因此存在較大能量累積，可以燒蝕到纖維層但無法達(dá)到碳纖維燒蝕閾值，因此將樹脂層清理干凈導(dǎo)致粗糙度較低；較大掃描速度因加工時(shí)間較短導(dǎo)致能量輸入較少，僅燒蝕表面樹脂層的較薄厚度，因此不存在較大粗糙度波動(dòng)。

圖8 掃描速度對(duì)CFRP表面粗糙度的影響

粗糙度測(cè)量通常是對(duì)微觀不平度進(jìn)行觀測(cè)，附著顆粒容易改變測(cè)量數(shù)據(jù)。表面起伏值是通過對(duì)整個(gè)表面高度差值進(jìn)行計(jì)算得出結(jié)論，從宏觀上觀測(cè)，且激光加工存在熱影響容易導(dǎo)致纖維受熱膨脹或斷裂從而改變編織鋪層的起伏程度[15]。為了繼續(xù)探索CO2連續(xù)激光參數(shù)變化影響CFRP表面起伏的規(guī)律，根據(jù)式(3)計(jì)算了各參數(shù)下的起伏值(未超聲波清洗)，功率和掃描速度變化對(duì)CFRP表面影響如圖9所示，當(dāng)掃描速度為30 mm/s時(shí)，隨著激光功率的增大起伏增大；當(dāng)掃描速度為50，70，90 mm/s時(shí)，隨著激光功率的增大起伏值表現(xiàn)出近似的規(guī)律，在50 W時(shí)降到最低然后再升高。同時(shí)，與粗糙度測(cè)量結(jié)果近乎一致，選擇較高或較低掃描速度得到的起伏值都不會(huì)太大。較低激光功率時(shí)，掃描速度大起伏值小，因?yàn)檩^快掃描速度導(dǎo)致能量無法深入，可將加工熱源近似看為面熱源，此時(shí)由于樹脂層厚度不一表面呈現(xiàn)出較大起伏。較低的掃描速度且較低激光功率時(shí)(30 W，30 mm/s)，激光能量可以燒蝕樹脂層但無法提供更多能量用來燒蝕碳纖維，隨激光功率的提高，能量輸入到碳纖維內(nèi)部并傳導(dǎo)，逐步出現(xiàn)碳纖維受熱膨脹甚至斷裂的現(xiàn)象，因此導(dǎo)致加工區(qū)域表面起伏越來越大。

圖9 功率和掃描速度變化對(duì)CFRP表面影響

圖10 是CO2連續(xù)激光燒蝕CFRP 表面形貌圖?？梢钥闯黾庸み^后的矩形區(qū)域周圍存在汽化區(qū)域(白色虛線標(biāo)出)，這種汽化區(qū)域?qū)儆跓嵊绊憛^(qū)，是由于碳纖維吸收熱量傳遞給周圍未加工區(qū)域累積后導(dǎo)致樹脂汽化。同時(shí)，不同參數(shù)加工后的汽化區(qū)域形狀、大小不一。在功率30 W、掃描速度30 mm/s時(shí)，虛線標(biāo)出為加工導(dǎo)致碳纖維斷裂產(chǎn)生碎屑附著在表面上；隨功率增大，表面附著黑色碎屑減少，汽化區(qū)域減小。當(dāng)功率為50 W、掃描速度為90 mm/s時(shí)，可以明顯看出樹脂重鑄后產(chǎn)生的冷凝物(白色實(shí)線標(biāo)出)，當(dāng)掃描速度越大，這種冷凝物越多。綜合圖9和圖10，可以說明較低掃描速度下，功率越大導(dǎo)致更多能量輸入至樹脂層下并向下傳遞，同時(shí)，由于能量累積也會(huì)燒蝕材料的纖維層，甚至?xí)?dǎo)致斷裂的發(fā)生。較高的掃描速度且功率不高時(shí)，能量輸入過低無法有效燒蝕樹脂層，導(dǎo)致能量向周圍轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)；此時(shí)，樹脂會(huì)重新冷凝并附著在纖維表面導(dǎo)致CFRP 表面起伏和粗糙度升高，待能量突破樹脂燒蝕閾值后開始向下燒蝕材料。

圖10 CO2連續(xù)激光燒蝕CFRP表面形貌圖

2.3 能量密度對(duì)表面粗糙度的影響

通過設(shè)置不同激光功率和掃描速度的參數(shù)組合得到理想加工效果，歸根結(jié)底是因?yàn)榧す獗砻嫣幚淼哪芰棵芏扰cCFRP 表面粗糙度變化、樹脂層燒蝕效果[19]；為了探尋其中的規(guī)律，根據(jù)式(1)進(jìn)行計(jì)算，把試驗(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)化成能量密度列于表3。能量密度對(duì)CFRP 表面粗糙度的影響如圖11 所示，能量密度在0.285~0.571 J/mm2時(shí)，清洗前的粗糙度可以控制在較大范圍，且能量密度為0.571 J/mm2時(shí)達(dá)到最大值7.816 μm；能量密度在大于0.571 J/mm2的范圍，粗糙度呈現(xiàn)出先下降后上升趨勢(shì)。清洗后的均值粗糙度整體下降一定幅度，這是將表面殘留碳纖維碎屑和冷凝重鑄物洗去的結(jié)果。然而，粗糙度隨能量密度增大的變化規(guī)律幾乎沒有改變，清洗后的粗糙度較大范圍仍控制在0.285~0.571 J/mm2之間，粗糙度最高可以達(dá)到6.904 μm；能量密度大于0.571 J/mm2的區(qū)域，粗糙度不再呈現(xiàn)出先減小后增大趨勢(shì)，而是呈現(xiàn)出隨能量密度增大而減小的趨勢(shì)。

圖11 能量密度對(duì)CFRP表面粗糙度的影響

表3 激光參數(shù)轉(zhuǎn)化為能量密度的參照

結(jié)合清洗前后粗糙度隨能量密度變化而變化的規(guī)律進(jìn)行分析，能量密度在0.285~0.571 J/mm2之間，激光可以有效燒蝕CFRP 樹脂層而幾乎不損傷碳纖維；當(dāng)能量密度大于0.571 J/mm2之后先清理凸起的樹脂冷凝物，能量持續(xù)累積達(dá)到碳纖維燒蝕閾值，開始燒蝕碳纖維使得碳纖維發(fā)生斷裂。產(chǎn)生的碎屑?xì)埩籼祭w維表面使得CFRP表面粗糙度再度提高，但是由此提高的表面粗糙度是無法有效提高膠接后的剪切強(qiáng)度，原因是殘留表面的碳纖維碎屑與CFRP 表面并不存在黏聚力，會(huì)隨著剪切脫離表面[20]。

圖12 是激光加工后CFRP 表面顯微放大的圖片。最開始當(dāng)能量密度在0.222 J/mm2時(shí)，碳纖維的纖維束之間殘留樹脂，尤其是虛線標(biāo)出殘留較多樹脂熔融后的冷凝物；隨著能量密度增長(zhǎng)到0.285 J/mm2，殘留的樹脂和樹脂重鑄冷凝物減少；當(dāng)能量密度繼續(xù)增大至0.371 J/mm2，CFRP 表面出現(xiàn)碳纖維碎屑，這說明該能量密度增長(zhǎng)到可以燒蝕碳纖維的程度；當(dāng)能量密度為0.571 J/mm2時(shí)，碳纖維出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，將該區(qū)域放大，發(fā)現(xiàn)碳纖維燒蝕出凹槽，凹槽深處纖維束存在斷裂；當(dāng)能量密度增長(zhǎng)至1.304 J/mm2，顯微表面布滿碳纖維碎屑，同時(shí)，碳纖維表面存在凹槽缺陷，碳纖維編織的接縫間出現(xiàn)撕裂缺陷，這是由于碳纖維結(jié)合處存在能量累積導(dǎo)致。該圖現(xiàn)象可以驗(yàn)證圖11 中粗糙度隨能量密度增長(zhǎng)的規(guī)律。

圖12 清洗前CFRP表面顯微圖片

2.4 不規(guī)則圖形加工效果

選取矩形表面處理中具有特點(diǎn)的激光參數(shù)進(jìn)行不規(guī)則圖形加工，加工圖案為十二生肖鼠。不規(guī)則圖案的激光表面加工如圖13 所示。能量密度為0.222 J/mm2時(shí)，加工區(qū)域存在殘留樹脂(虛線圈出)，與矩形表面處理結(jié)果一致，能量密度過低無法有效燒蝕樹脂層；圖13b的激光加工能量密度為0.371 J/mm2，加工區(qū)域的樹脂可以被有效燒蝕，但是在不規(guī)則圖形的節(jié)點(diǎn)處(箭頭標(biāo)出)存在樹脂冷凝重鑄物；圖13c 的激光加工能量密度為0.571 J/mm2，之前的矩形表面處理中該參數(shù)加工效果最佳，但是在非規(guī)則圖形中容易出能量累積或樹脂冷凝重鑄，如圖中虛線標(biāo)出為樹脂冷凝重鑄后的殘留物；當(dāng)能量密度增大至0.794 J/mm2，如圖13 d 所示，加工區(qū)域表面質(zhì)量較高，同時(shí)形狀保留較為完好；圖13e的激光加工能量密度為1.086 J/mm2，當(dāng)能量密度增大到如此程度，有充分的熱量可以將樹脂徹底汽化，因此加工區(qū)域不存在樹脂冷凝重鑄物，但是，虛線標(biāo)出為能量向外輻射導(dǎo)致的熱影響區(qū)；圖13f 的能量密度增大至1.304 J/mm2，不規(guī)則加工形狀的輪廓整體向外擴(kuò)散，過高的能量密度導(dǎo)致邊緣出現(xiàn)波浪狀。綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，選擇能量密度為0.794 J/mm2加工不規(guī)則形狀得到最理想加工效果。

圖13 不規(guī)則圖案的激光表面加工

3 結(jié)論

首先尋找到合適離焦量進(jìn)行矩形表面處理試驗(yàn)和不規(guī)則圖形掃描試驗(yàn)，研究了連續(xù)激光參數(shù)(激光功率、掃描速度)對(duì)表面處理質(zhì)量的規(guī)律，同時(shí)從能量密度角度出發(fā)考量對(duì)表面處理的影響。隨后進(jìn)行不規(guī)則圖形掃描試驗(yàn)，研究不同能量密度對(duì)CO2連續(xù)激光燒蝕CFRP 樹脂層的影響規(guī)律。通過使用CO2連續(xù)激光系統(tǒng)對(duì)CFRP 進(jìn)行了點(diǎn)射試驗(yàn)、矩形表面處理試驗(yàn)和不規(guī)則圖形掃描試驗(yàn)，得出以下結(jié)論:

(1)通過點(diǎn)射試驗(yàn)確定CO2連續(xù)激光系統(tǒng)燒蝕3 mm 厚CFRP 層合板的最小離焦量在刻度值30 mm處，投影在CFRP 表面的光斑平均半徑為1 477.47 μm。通過表面處理試驗(yàn)看出，以粗糙度值較大作為表面加工質(zhì)量?jī)?yōu)異的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)變量為功率時(shí)，在30~60 W范圍內(nèi)隨功率增大呈現(xiàn)粗糙度數(shù)值先降低后增大的現(xiàn)象，并在60 W得到最大值，此外，超聲波清洗對(duì)該規(guī)律的影響不大；當(dāng)變量為掃描速度時(shí)，不同功率參數(shù)表現(xiàn)出規(guī)律存在差異，但是觀測(cè)同一掃描速度的均值化粗糙度可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律，較大或較小的掃描速度不適宜，最優(yōu)掃描速度為70 mm/s。通過將加工后表面起伏值進(jìn)行計(jì)算，得到規(guī)律與粗糙度相似，較小掃描速度起伏值較小，隨功率增大起伏值在50 W降到最低，隨后上升。

(2)當(dāng)能量密度在0.285~0.571 J/mm2之間均值粗糙度可以有效控制在較大范圍，較大范圍內(nèi)的參數(shù)可以得到最大粗糙度值，當(dāng)能量密度在0.571 J/mm2均值粗糙度得到最大值7.816 μm，清洗后粗糙度均值為6.904 μm；能量密度在1.304 J/mm2時(shí)雖有提升，但是通過顯微圖片觀測(cè)可以得知是纖維碎屑和撕裂缺陷導(dǎo)致粗糙度提高，清洗后粗糙度驟降，這種較高粗糙度不適宜用于CFRP 膠接。同時(shí)，能量密度在0.794 J/mm2進(jìn)行不規(guī)則形狀掃描試驗(yàn)得到理想效果，無樹脂殘余和向外擴(kuò)散，基本保持理想加工形狀。