張開虎，于 洋，張夏明，楊 波

（1.中國空間技術研究院北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京100094；2.中國人民解放軍空軍95810部隊，北京100076）

0 引言

隨著衛(wèi)星等航天器朝著大尺寸、高精度、高穩(wěn)定、高可靠性的趨勢發(fā)展，高穩(wěn)定、輕量化、高精度需求日益突出。以碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer， CFRP）、 芳綸纖維增強樹脂基復合材料（Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP）為代表的纖維增強樹脂基復合材料（Fiber Reinforced Polymer， FRP）因其低密度、高剛度、高強度、寬溫域、低膨脹、耐腐蝕、抗疲勞特性好、可設計性好等一系列優(yōu)點，已經(jīng)廣泛用于衛(wèi)星和深空探測器的中心承力筒、結(jié)構(gòu)板、連接架、天線結(jié)構(gòu)、相機鏡筒、通道接頭、深空探測飛行器背罩等部位，一般可占到整個衛(wèi)星材料質(zhì)量的80%以上，并不斷替代更多原本為金屬材質(zhì)的結(jié)構(gòu)，成為構(gòu)建現(xiàn)有和未來衛(wèi)星不可或缺的關鍵結(jié)構(gòu)和功能材料之一。

這些構(gòu)件中的FRP制品雖為一次整體成型，但成型后由于切割需求、連接或裝配制孔需求，減材加工幾乎是其構(gòu)件制造流程中必不可少的重要環(huán)節(jié)。然而，作為一種典型的各向異性、非均質(zhì)、層合材料，其樹脂基體與增強纖維具有迥然不同的物理性質(zhì)（強度、韌性、熔沸點、熱容、電導率、熱導率、光吸收性質(zhì)等），這使得這類材料成為一種典型的難加工材料。以其目前應用最多的加工方式——傳統(tǒng)接觸式加工（銑、鉆等）為例，其典型問題表現(xiàn)為：1）質(zhì)量與精度問題：分層或崩邊、毛邊、微裂紋、表面粗糙或燒焦等加工質(zhì)量缺陷突出，影響結(jié)構(gòu)力學性能；2）效率與成本問題：刀具耐用度低從而換刀頻繁，加工成本高昂、加工效率較低；3）可加工結(jié)構(gòu)尺度問題：細小刀具的弱剛性與材料高硬、高強（或高強、高韌）之間的矛盾。

雖然通過刀具和加工方式的改進已緩解了部分加工質(zhì)量與精度問題，但效率與成本、可加工結(jié)構(gòu)尺度問題仍未有效解決。且隨著一些精密結(jié)構(gòu)需求的出現(xiàn)，傳統(tǒng)接觸式加工已經(jīng)無法滿足需求，效率與成本問題日益成為制約航天器高效研制的瓶頸問題。因此，國內(nèi)外研究人員嘗試探索包括FRP在內(nèi)的眾多纖維增強復合材料新型加工工藝， 如激光加工［1-2］、 磨粒水射流加工［3］、 水射流輔助激光切割［4］及超聲振動加工［5］。 在航天領域，由于航天用FRP復合材料的樹脂基體目前多為環(huán)氧樹脂，受限于樹脂的吸濕效應，涉水的加工（例如水射流輔助激光切割）方式為禁用工藝，暫不考慮。因此，激光加工和超聲振動加工是較為理想的備選工藝。對于其中的激光加工技術，到目前為止，在國內(nèi)研究主要處于實驗室研究階段，尚未應用到產(chǎn)品生產(chǎn)中；在國外，樹脂基復材的激光加工技術日漸成熟，已經(jīng)開始出現(xiàn)從實驗室階段走向工業(yè)化應用的趨勢。本文針對碳-環(huán)氧樹脂、芳綸-環(huán)氧樹脂材料等典型FRP類復合材料，通過研究典型激光參數(shù)對于加工質(zhì)量的影響規(guī)律和相關特點，以期為后續(xù)航天器制造中使用超快激光精密加工技術進行纖維增強樹脂基、陶瓷基復合材料的精密、高效制造提供一些借鑒和啟示。

1 試驗準備

選取衛(wèi)星用典型熱固性CFRP和AFRP復合材料，其牌號分別為 M55J（成份：M55J／環(huán)氧樹脂，樹脂體積分數(shù)約為40%）和Kevlar-49（成份：Kevlar-49／環(huán)氧樹脂， 樹脂體積分數(shù)約為（32±3）%）。 考慮到星用CFRP與AFRP復合材料典型厚度集中在0.4mm～2mm的范圍內(nèi)，故選取該厚度范圍內(nèi)的復合材料蒙皮或薄板作為加工對象。

加工系統(tǒng)涉及的激光源均為工業(yè)級激光源，其基本特征與相關參數(shù)如表1所示。如圖1（a）所示，對于納秒激光、皮秒激光、飛秒激光等脈沖激光，加工系統(tǒng)由激光光源與光束變換系統(tǒng)、掃描頭、F-θ物鏡和運動控制平臺組成。掃描頭具有平面掃描功能，F(xiàn)-θ物鏡可以在加工過程中保持聚焦光斑不變。結(jié)合航天器CFRP、AFRP孔洞結(jié)構(gòu)的典型尺度，本文選取Φ10及Φ5通孔作為研究對象，采用光學顯微鏡觀測加工結(jié)果的邊緣熱影響區(qū)尺寸。

表1 激光源特征參數(shù)Table 1 Basic parameter for the laser sources

圖1 脈沖激光切割系統(tǒng)原理示意圖與連續(xù)激光切割系統(tǒng)實物圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed laser cutting system and photographs of continuous laser cutting system

2 切割熱影響區(qū)分析與討論

熱影響區(qū)的存在是激光加工的焦點問題之一，作為加工質(zhì)量缺陷，該問題成為激光加工工藝能否應用于航天薄板與蒙皮類復合材料產(chǎn)品的核心與關鍵問題之一。薄板與蒙皮類復合材料結(jié)構(gòu)減材加工涉及最多的加工方式是切割與開孔，如果考慮采用激光切割與開孔，期望加工的熱影響區(qū)應盡可能小。因此，若所采用的激光源加工出的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出肉眼可見的熱變質(zhì)層，那么該種激光將無法作為可考慮的光源。為了確認采用何種激光源有望滿足航天產(chǎn)品質(zhì)量的基本要求，比較了超短脈沖激光（皮秒激光和飛秒激光）、納秒脈沖激光和連續(xù)模式的CO2激光的加工質(zhì)量。

值得一提的是，激光功率（激光能量通量）、脈沖重復頻率（對于脈沖激光而言）、掃描速度、焦點位置等參數(shù)對加工質(zhì)量同樣有較大影響。其中，掃描速度v、脈沖重復頻率f和光斑直徑d可共同決定每沖擊落下的有效脈沖數(shù)Neff， 即Neff＝d×f／v。 相關研究表明［6-7］： 當Neff在2個左右時， 加工的熱影響區(qū)可最小化，故本文的Neff在2個左右。對于焦點位置的影響，由于本文針對的材料厚度為0.4mm～2mm，這小于聚焦光束的Rayleigh長度（對于0.4mm的厚度）或略大于Rayleigh長度（對于2mm的厚度），因此，焦點位置的影響可忽略不計或影響有限。對于激光功率（能量通量）的影響，后文將進行介紹。

為了具有可比性，選擇的飛秒激光、皮秒激光和納秒激光滿足以下要求：1）波長均為1064nm的近紅外激光；2）結(jié)合所產(chǎn)生的聚焦光斑的尺寸d、脈沖重復頻率f，通過調(diào)整各自的振鏡掃描速度v，使得每沖擊落下的有效脈沖數(shù)Neff＝d×f／v相等。對于連續(xù)模式運行的CO2激光，采用了多道次快速切割的方式能盡可能減小加工的熱影響區(qū)，但由于其波長與上述脈沖激光的天然不同、激光能量呈現(xiàn)連續(xù)的特性，其結(jié)果作為脈沖激光加工結(jié)果的參照。

2.1 脈沖寬度的影響

圖2展示了使用飛秒激光、皮秒激光、納秒激光和連續(xù)激光在 2mm厚的 AFRP、1mm和0.4mm厚的CFRP復合材料片上切割出Φ10孔的宏觀形貌。飛秒、皮秒、納秒三種脈沖激光的脈寬分別為tp＝0.4ps、tp＝6ps和tp＝10ns， 掃描速度均為v≈15m／s，這保證了當脈沖重復頻率f＝1.0MHz時，每沖擊落下的有效脈沖數(shù)均是Neff＝d×f／v≈2.0個的情形，使用的單脈沖通量F在2.0J／cm2～20J／cm2之間。 對于連續(xù)激光， 使用100W～1000W之間的若干個能量，切割速度在2m／s～6m／s之間， 圖 2（a）是其部分典型結(jié)果。

圖2 不同激光切割AFRP和CFRP材質(zhì)Φ10孔的入口形貌典型照片F(xiàn)ig.2 Typical photographs ofΦ10 holes in AFRP and CFRP plates cut by different lasers

從宏觀結(jié)果看，在圖2（a）中，無論是使用納秒激光還是CO2激光，無論在2mm厚AFRP片還是1mm厚CFRP片上，其上的Φ10孔切割邊緣均已肉眼可見明顯的熱缺陷，且CO2激光加工熱效應比納秒激光的更明顯：孔邊緣向外擴展區(qū)域和切割斷面出現(xiàn)明顯燒焦的黑糊痕跡，孔口呈現(xiàn)不同程度的毛刺和翻邊。這些缺陷只是隨著激光能量的不同而有程度上的差異，但均肉眼可見。例如，對于CFRP片的CO2激光切割，即使使用了未能將材料切穿的小能量，在切割結(jié)構(gòu)邊緣也依然存在明顯的熱效應。與之形成鮮明對比的是圖2（b）和圖2（c）中飛秒激光和皮秒激光的切割結(jié)果：在CFRP片上加工的Φ10通孔邊緣整齊，無表層劈裂，無肉眼可見的邊緣焦糊區(qū)域——這種加工質(zhì)量已經(jīng)完全超過了現(xiàn)有航天器結(jié)構(gòu)板CFRP蒙皮機械沖孔式開孔的加工質(zhì)量。對于超快激光加工AFRP片的結(jié)果將稍后討論分析。需要指出的是，此處所使用的納秒激光、皮秒激光、飛秒激光波長均為1064nm的近紅外波長。

為了進一步量化各種激光加工的熱變質(zhì)層區(qū)域，顯微觀測并測量了加工的熱影響區(qū)尺度。由于采用不同的加工能量和掃描速度會產(chǎn)生具體尺度不同的熱變質(zhì)層，且加工結(jié)構(gòu)入口與出口變質(zhì)層厚度具體值會有一定差異，故僅給出熱變質(zhì)層典型尺度的數(shù)量級，具體如表2所示，針對的材料為2mm厚AFRP和1mm厚CFRP材料。

表2 各種激光源切割AFRP與CFRP片的典型熱影響區(qū)尺度Table 2 Typical heat-affected zone scales for laser cutting AFRP and CFRP sheets

可見，采用處于紅外波段的CO2激光和納秒激光，產(chǎn)生的熱變質(zhì)層在1.0mm量級；采用皮秒激光、飛秒激光等超短脈沖激光，加工的變質(zhì)層可以僅為0.01mm量級，但若使用不當，也會高至0.1mm量級。因此，超快激光有望滿足航天產(chǎn)品對于加工品質(zhì)的需求。

為了進一步探究在 “超快激光”概念范疇內(nèi)皮秒激光與飛秒激光熱影響區(qū)的差異，研究了0.4mm厚CFRP復合材料片切割邊緣熱影響區(qū)尺度隨脈沖寬度的演化規(guī)律。熱影響區(qū)尺度采取的是切割斷面上的平均熱影響區(qū)厚度，考慮了每沖擊落下的有效脈沖數(shù)均是Neff＝d×f／v≈2.0個脈沖、每脈沖通量F＝8.0 J／cm2以及脈沖分別為0.4ps、2.0ps、4.0ps、6.0ps的情形。如圖3所示，在所研究的脈沖寬度范圍和統(tǒng)計誤差范圍內(nèi)，切割邊緣的熱影響區(qū)尺度幾乎不依賴于脈沖寬度，典型值約為20μm。該規(guī)律與文獻［8］所報道的一致：文獻［8］使用了單脈沖能量更低（0.75J／cm2）但重復頻率是此處6.3倍（達到6.3MHz）的超快激光，其典型熱影響區(qū)尺度為60μm，比本文的20μm的數(shù)值大。分析其原因，可能是由文獻［8］所使用的高重復頻率造成的熱積累效應導致的。一般地，從原理上講，在其他參數(shù)相同的情況下，皮秒激光產(chǎn)生的熱效應比飛秒激光大。此處的切割邊緣的熱影響區(qū)尺度幾乎不依賴于脈沖寬度的現(xiàn)象，可能是由兩方面原因造成：一是切割采用的高通量（遠高于材料的蝕除閾值）造成的飽和效應掩蓋了飛秒激光與皮秒激光熱影響區(qū)的較小差異，二是在測量精度內(nèi)無法分辨出這種微小差異。

圖3 切割邊緣熱影響區(qū)尺度隨超快激光脈沖寬度的演化關系Fig.3 Influence of ultrafast laser pulse width on the heat-affected zone size

2.2 波長的影響

由上述分析可知，采用傳統(tǒng)激光（納秒激光、連續(xù)激光）加工產(chǎn)生的熱變質(zhì)層尺度太大，無法滿足復合材料的精密加工需求，也為航天產(chǎn)品質(zhì)量所不容許，但超快激光的加工質(zhì)量遠高于傳統(tǒng)激光。由于激光波長直接決定著激光的光子能量，對于短波激光由于光子能量更大，其加工呈現(xiàn)的光化學效應的權(quán)重往往比近紅外激光更明顯。因此，本文針對近紅外與紫外超快激光加工產(chǎn)生的熱效應作了分析比較。

理論上，在其他參數(shù)相同的情況下，脈寬越大加工的熱效應越大；在近紅外至近紫外的波段，波長越小則熱效應也越小。選取了2mm厚AFRP片與0.4mm厚的CFRP蒙皮進行對比分析，如圖4所示。圖4直觀地展示了對于AFRP復合材料，即使采用的是飛秒激光，如果是近紅外波段（波長為1064nm），依然易出現(xiàn)變質(zhì)層——其切割邊緣呈現(xiàn)與AFRP本征色不同的焦黃色甚至黑色；但如果采用近紫外（例如波長為355nm的UV光）的超快激光，即使脈寬長至皮秒?yún)^(qū)間，也不會產(chǎn)生明顯的變質(zhì)層——其切割斷面基本上保持了材料的本征色。這可能說明，對于AFRP材料，在超快激光的范圍內(nèi)，短波長比短脈寬對于抑制熱影響區(qū)更有效。但對于CFRP材料，通過微觀觀測與測量證實了在觀測誤差范圍內(nèi)，近紅外飛秒激光與紫外皮秒激光切割產(chǎn)生的熱影響區(qū)尺度無明顯差異。

圖4 紫外皮秒激光與近紅外飛秒激光切割Φ10孔入口對比Fig.4 Comparison ofΦ10 holes cut by UV picosecond laser and IR femtosecond laser

當采用傳統(tǒng)的接觸式加工方式，相比較呈現(xiàn)出高強度、硬、脆特性的CFRP復合材料，呈現(xiàn)高強度、韌性大的AFRP復合材料更難以實現(xiàn)低表面粗糙度的加工，加工邊緣起毛或拉絲、加工壁面粗糙等問題嚴重，如圖5中的箭頭所指（已經(jīng)是經(jīng)過優(yōu)化的切削式加工結(jié)果）。但當采用合適的激光源后，可能會得到極大地改善：圖5（a）中的圓形孔洞是采用不同激光通量的近紅外飛秒激光在1mm厚AFRP材料切割的若干個Φ5通孔，圖5（b）中的孔洞是采用近紫外皮秒激光在2mm厚AFRP材料上切割的Φ10通孔。二者的共同特點是：基本上避免了傳統(tǒng)接觸式加工出現(xiàn)的拉絲、毛邊現(xiàn)象，但前者無法從根本上避免切割邊緣產(chǎn)生的焦糊（盡管不同脈沖能量產(chǎn)生的焦糊程度會有所不同），而后者基本上避免了肉眼可見的熱影響區(qū)，從而使得切割斷面呈現(xiàn)材料本征色。

圖5 近紅外飛秒激光與紫外皮秒激光切割AFRP板結(jié)果對比Fig.5 Comparison of holes in AFRP plates cut by IR femtosecond laser and UV picosecond laser

2.3 機理分析與討論

碳纖維作為CFRP中的增強相，是一種類石墨性質(zhì)的熱和電的良導體。在近紅外及近紫外波段，一般具有較高的光吸收率、較低的反射率和透射率。而其樹脂基體一般屬于類絕緣體性質(zhì)，吸收率、反射率遠低于碳纖維，而透射率高于碳纖維。與之形成鮮明對比的是AFRP復合材料——芳綸纖維作為其增強相，和樹脂基體一樣均屬于類絕緣體性質(zhì)。因此，由碳-環(huán)氧樹脂組成的CFRP復合材料的整體吸收率在可見光及近紅外波段可達70%以上［9］，整體呈現(xiàn)類金屬性質(zhì)，是熱的良導體；而芳綸和環(huán)氧樹脂組成的AFRP復合材料，則整體類似絕緣體材料。激光輻照后會整體提升CFRP或AFRP復合材料的熱導率，但AFRP熱導率通常依然低于CFRP。因此，對于CFRP材料，材料吸收的激光能量會明顯沿著碳纖維的加工方向傳導：由于納秒激光、CO2激光的能量與材料相互作用的時間長，因此沿著碳纖維的傳導十分充分，宏觀表現(xiàn)出熱損傷區(qū)域擴張的各向異性。由于圖2（a）中的CFRP表層的碳纖維鋪層方向沿照片中上下方向，故明顯可見沿著上下方向的表層熱損傷區(qū)域比左右方向的更大。而對于AFRP材料，由于其增強纖維鋪層為方格狀，故上下與左右方向的熱影響區(qū)尺度沒有明顯的區(qū)別，且由于芳綸纖維導熱性能差，AFRP的邊緣熱影響區(qū)尺度要略?。ㄈ绫?第2、第3列所示）。

當使用皮秒、飛秒等超快激光時，CFRP、AFRP的芳綸纖維、碳纖維、樹脂的光學、熱學性質(zhì)會發(fā)生變化。尤其是樹脂基體、芳綸纖維，會因為非線性光電離與碰撞電離等機制產(chǎn)生大量自由電子而從類絕緣體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗矔r的類金屬態(tài)。因此，類似其他傳統(tǒng)材料的傳統(tǒng)激光（納秒激光、連續(xù)激光）和超快激光（皮秒激光、飛秒激光）加工質(zhì)量的巨大差異，F(xiàn)RP復合材料也表現(xiàn)出類似的性質(zhì)，即超快激光能形成加工熱影響區(qū)極小的近似 “冷”加工效果，而傳統(tǒng)激光則很難實現(xiàn)。究其根本原因，是傳統(tǒng)激光與超快激光和物質(zhì)相互作用物理過程的巨大差異造成的，其核心在于超快激光與材料相互作用時間極短而導致熱擴散等效應無法充分發(fā)展。但當采用遠高于加工閾值的能量時，超快激光 “冷”加工優(yōu)勢雖然依然存在，但會減弱。本文中為了實現(xiàn)切割，圖3采用的每脈沖通量F＝8.0J／cm2已經(jīng)遠高于材料的閾值能量。因此，雖然理論上脈寬越大加工熱效應越明顯，但其差異已經(jīng)被高通量所嚴重覆蓋，故圖3呈現(xiàn)出不同脈寬的超快激光產(chǎn)生的熱影響區(qū)在誤差范圍內(nèi)幾乎無區(qū)別的效果。

超快激光加工過程伴隨多種復雜的物理效應，如光熱效應、光化學效應、光機械效應，波長、脈寬的改變都有可能改變各種效應的權(quán)重。對于非金屬材料，當使用355nm的近紫外光時，由于其光子能量3.50eV已經(jīng)與芳綸、環(huán)氧樹脂的禁帶寬度相當，因此光化學消融的效果比采用1064nm近紅外波長（光子能量為1.16eV）更明顯，相應的光熱效應權(quán)重可能會有所縮減；但對于類金屬材料，波長的變短導致的光學效應增強則不及非金屬明顯。本文中的CFRP復合材料由碳纖維和環(huán)氧樹脂組成，是類金屬材料和非金屬材料的混雜體；而AFRP復合材料由芳綸纖維和環(huán)氧樹脂組成，是不同的非金屬的混雜體。由于AFRP復合材料的非金屬成分的權(quán)重遠高于CFRP復合材料，故前者能更好的利用加工激光波長變短帶來的光化學權(quán)重加深的優(yōu)勢。因此，當使用近紅外飛秒激光和紫外皮秒激光加工CFRP并無明顯的熱影響區(qū)尺度差距時（如圖4所示），AFRP復合材料低熱影響區(qū)加工效果則對于紫外超快激光表現(xiàn)出明顯的青睞（如圖5所示）。

3 結(jié)論與展望

本文初探了航天領域典型CFRP、AFRP復合材料的激光精密加工技術，以加工熱影響區(qū)寬度為典型質(zhì)量指標，研究了激光脈沖寬度、激光波長對于加工質(zhì)量的影響規(guī)律，比較了碳-環(huán)氧樹脂、芳綸-環(huán)氧樹脂材料對于脈沖寬度、激光波長需求的相同與差異之處，形成以下結(jié)論和建議：

1）納秒激光、連續(xù)激光等傳統(tǒng)激光因加工熱效應明顯，形成的加工熱影響區(qū)尺度在0.1mm～1.0mm量級，因此無法滿足航天領域精密加工的需求。使用皮秒激光、飛秒激光等超快激光進行宏觀切割時，切割邊緣熱影響區(qū)至少可控制在0.01mm～0.1mm量級，且邊緣光滑，無表皮撕裂、分層等接觸式加工極易出現(xiàn)的缺陷。因此，有望滿足航天領域薄板復合材料的精密切割、制孔需求，并有望在有更高質(zhì)量和精度需求的場合替代相應的傳統(tǒng)的接觸式加工。

2）皮秒激光、飛秒激光的CFRP復合材料加工熱影響區(qū)差異很小，尤其是加工模式是切割模式時，在測量統(tǒng)計誤差范圍內(nèi)，切割邊緣的熱影響區(qū)幾乎不依賴于超快激光的脈沖寬度。考慮到現(xiàn)實中皮秒激光器光源在穩(wěn)定性、平均功率水平、價格等方面的因素，從性價比的角度，現(xiàn)階段建議選擇高功率皮秒激光作為CFRP等復合材料切割、制孔的光源。

3）對于AFRP復合材料，盡管激光加工不會出現(xiàn)傳統(tǒng)接觸式加工出現(xiàn)的孔口拉絲等頑固的加工缺陷，但依然有可能出現(xiàn)熱缺陷——至少當加工模式為切割加工時，采用近紅外超快激光無法避免肉眼可見的糊邊，但采用更短波長（例如近紫外波長）則可基本上避免。從宏觀層面看加工質(zhì)量，采用短波長超快激光加工該材料比采用長波長加工有明顯優(yōu)勢。

隨著航天器朝著大尺寸、高精度、高穩(wěn)定、高可靠的趨勢發(fā)展，纖維增強復材的應用日益旺盛，其加工技術能力與應用需求的不匹配問題日益突出，已經(jīng)成為制約航天器研制的瓶頸問題。隨著國外千瓦級高功率皮秒激光器的誕生，超快激光加工技術除了保持住現(xiàn)有的加工精度與質(zhì)量方面的優(yōu)勢外，在加工效率和可加工尺度（例如厚度較大的復合材料板）方面的不足將有望得到重大改觀，實現(xiàn)從實驗室技術到工廠技術的轉(zhuǎn)變，滿足航天領域的相關需求將指日可待。