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 機電工程學院 廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室，桂林 541004；2.桂林理工大學 機械與控制工程學院， 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，短時間內(nèi)難以滿足人們對輕量化產(chǎn)品的需求[1]。碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastics，CFRP)作為新型高性能復合材料，具有質(zhì)輕、比強度高、比模量高、耐腐蝕、抗疲勞性好、比剛度大、減震性好等優(yōu)點，被廣泛應用在航空航天、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)濟價值于一身，是各個國家軍事發(fā)展與經(jīng)濟競爭的焦點之一。CFRP主要由碳纖維和樹脂通過模壓、熱罐、拉擠等先進制造技術(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載[5]。但一次成型的制品常常因為不能滿足產(chǎn)品的工藝要求而需要進行二次加工，由于CFRP中碳纖維和樹脂熱力學性能的巨大差異，使得CFRP二次加工變得十分困難。傳統(tǒng)加工技術(shù)會造成CFRP分層、纖維破碎、加工效率低等缺陷，同時接觸式加工會使刀具發(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，被廣泛應用于金屬和非金屬材料的加工領(lǐng)域。國內(nèi)外有不少學者對激光加工CFRP進行了實驗研究。AKSHAY等人[11]對玻璃纖維增強復合材料和CFRP進行了常規(guī)鉆孔和激光加工實驗，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，碳纖維的熱導率遠高于樹脂的熱導率，而碳纖維軸向熱導率約為徑向熱導率的數(shù)十倍以上，所以激光加工CFRP時，會產(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的皮秒激光和機械加工兩種方式對CFRP進行制孔實驗，實驗證明激光加工后CFRP表面質(zhì)量更好。STOCK等人[13]用激光加工、機械加工和水射流加工切割CFRP研究，發(fā)現(xiàn)適當?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，導致激光與CFRP相互作用時會發(fā)生復雜的物理或者化學變化。為了進一步了解激光加工CFRP去除機理，國內(nèi)外學者進行了大量實驗探索。

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

圖1 紅外和紫外激光加工CFRP機理[16]

ZHANG等人[19]發(fā)現(xiàn)超快激光加工過程存在光熱效應、光化學效應、機械效應等復雜的去除機理。 在激光加工材料時,不同激光參量導致以上各效應去除權(quán)重將會發(fā)生變化。

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

2 激光特性

2.1 激光波長

ROMOLI等人[21]通過分光光度計Halo DB-20測量了樹脂等聚合物作為基質(zhì)時對不同波長的吸收率，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)波長越短，樹脂對其吸收率越高。當波長超過650nm后，樹脂幾乎不吸收激光，所以當波長大于650nm時樹脂的去除主要是依靠碳纖維導熱去除，熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)較大。但波長也不是越短越好，DELL’ERBA等人[22]發(fā)現(xiàn)準分子激光在加工時，幾乎沒有熱傳遞和擴散現(xiàn)象，雖然可以獲得好的加工質(zhì)量，但是準分子激光加工成本高，同時準分子激光重復頻率低，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)，相比于波長為1.07μm的光纖激光，CFRP更容易吸收波長為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，CO2激光更具有優(yōu)勢。

為了探究不同波長的激光與材料相互作用時對加工質(zhì)量的影響，TAKAHASHI等人[16]分別用波長為266nm的紫外激光和1064nm的紅外激光對CFRP進行了切割實驗，如圖3所示。研究發(fā)現(xiàn)，波長為266nm的紫外激光能直接被樹脂吸收，相比波長為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。FUJITA等人[25]研究發(fā)現(xiàn),波長越短，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)對比[16]

WOLYNSKI等人[26]用波長分別為355nm,532nm和1064nm的高功率皮秒激光對CFRP進行了鉆孔實驗。研究發(fā)現(xiàn)，激光加工的質(zhì)量和波長有直接的關(guān)系，與波長532nm的激光相比，波長1064nm激光加工的最大HAZ增加了1倍；同時發(fā)現(xiàn)波長越長，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，激光波長越短，單光子能量越高，同時由于波長越短，樹脂對激光的吸收越高，在單位時間內(nèi)，單位面積中材料獲得的能量更多，可以更快實現(xiàn)材料的去除，在很大程度上抑制了熱傳遞和擴散的過程。當波長足夠短，即光子能量足夠大時，則可以直接將材料的化學鍵打斷去除，實現(xiàn)“冷加工”。而波長越長，單光子能量越低，樹脂對激光的吸收越低，此時CFRP主要是通過熱效應去除，熱積累嚴重，HAZ大。所以為了獲得較好的加工質(zhì)量，可以選擇較短波長的激光進行加工[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)時間，可以將其分為兩類：第1類是連續(xù)或長脈沖激光；第2類是短脈沖或超短脈沖激光。連續(xù)或長脈沖激光作用時間大于材料弛豫時間，材料通過熱效應達到去除效果，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。這是因為脈沖激光切割時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CFRP進行實驗研究，均發(fā)現(xiàn)由于短脈沖激光具有很高的峰值功率密度，可達到材料的擊穿閾值，產(chǎn)生等離子體并去除材料，在加工時由于脈沖持續(xù)時間短，所以相鄰脈沖之間有較長的冷卻時間，熱積累少，所以HAZ更小。

綜上所述，由于連續(xù)激光或長脈沖加工屬于持續(xù)熱作用，熱積累嚴重，故加工質(zhì)量較差；而脈沖激光加工時，相鄰脈沖之間有冷卻時間，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)時間越短，加工質(zhì)量越高，當脈沖寬度為皮秒和飛秒量級時，幾乎不存在熱積累，故HAZ很小；同時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)外學者針對激光與材料的相互作用過程開展了多種工藝參量優(yōu)化實驗。OHIN等人[36]重點研究了評價切割質(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，HAZ是不可避免的，但可以通過工藝參量優(yōu)化獲得最小的HAZ[24]。

為了減少激光與材料相互作用的時間，使加工區(qū)域有較多的冷卻時間，LI等人[39]通過研究單次和多道次切割CFRP實驗，發(fā)現(xiàn)在高速多道次切割時，每次掃描時升華材料的量少，有較多的散熱時間，可以顯著減少熱影響區(qū)；同時切縫中殘渣也較少。如果采用多道次切割，但每道切割之間沒有間隔時間，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)，推動碳纖維中細小的氣穴增壓和膨脹，宏觀表現(xiàn)為纖維末端膨脹。為了進一步了解具體哪些工藝參量對激光加工CFRP存在較大影響，LEONE等人[40]利用Yb∶YAG光纖激光器對4mm厚的CFRP進行了實驗探究，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、重復頻率等對熱影響區(qū)影響,研究表明,重復頻率和切割速度對HAZ影響最大，較長的脈沖寬度、較低的重復頻率產(chǎn)生的HAZ越?。磺懈钏俾试礁?，HAZ越??；當脈沖能量/切割速率之比在2J/(mm·s-1)～4J/(mm·s-1)之間時，HAZ最小。FREITAG等人[42]研究發(fā)現(xiàn),使用高脈沖能量和低重復頻率時，可以有效地降低基質(zhì)蒸發(fā)區(qū)。TAKAHASHI等人[43]利用波長1064nm的脈沖光纖激光開展實驗，取平均功率125W、重復頻率為167kHz、脈寬為10ns，研究了每次切割間距和掃描速度對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加工質(zhì)量有很大影響，并指出了當掃描間距為±150μm、掃描速率為11.0m/s或者2.75m/s時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、切割速度和脈寬對切割質(zhì)量的影響，HE等人[45]利用激光對1.4mm厚鋼板開展實驗研究，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驗，結(jié)果表明,使用短脈寬激光脈沖燒蝕材料時，燒蝕閾值小，能量利用率較高。

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

當激光能量密度大于材料燒蝕閾值時，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、機械剝蝕等方式去除，由于激光與材料相互作用時間極短，熱傳遞和擴散極少，熱損傷低。當激光能量密度小于材料燒蝕閾值時，需要延長激光與材料相互作用時間來實現(xiàn)材料的去除，在此過程中熱傳遞和擴散嚴重，增加材料熱損傷。

綜上所述，為實現(xiàn)低損傷加工，應增加單位時間內(nèi)材料吸收激光的能量，在最短時間內(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材料去除機理和最優(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，由于材料的去除會產(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)域殘渣、抑制熱傳遞和擴散現(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驗，討論了輔助氣體對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時易出現(xiàn)纖維拔出現(xiàn)象。

為使激光加工達到最大加工速率，F(xiàn)UCHS等人[46]使用氮氣輔助激光切割，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，可以在相同時間內(nèi)帶走更多的熱量，減少HAZ，但是氣體壓力對纖維拔出現(xiàn)象影響不大；如果當氣體壓力過大時，加工區(qū)域會形成渦流，削弱氣流的冷卻作用。

為了研究激光加工時材料的熱降解特性，NEGARESTANI等人[48]使用納秒脈沖Nd∶YAG激光器進行了切割實驗，發(fā)現(xiàn)在氮氣中混合少量氧氣后，由于氧氣氧化放熱作用可以促進材料的去除，同時利用氮氣的冷卻作用有效地抑制了HAZ的增長，提高了加工質(zhì)量，其加工形貌如圖6所示。采用實驗設(shè)計(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；同時高速氣流有利于清理加工產(chǎn)生的殘渣，減少對激光散射和吸收，促進激光和材料的作用，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發(fā)生氧化放熱反應促進材料的去除，同時氮氣的冷卻作用可以降低加工區(qū)域中的殘余熱量，使HAZ更小，因此氮氣中混合少量氧氣可以加快材料的去除并提高加工質(zhì)量。此外，采用較低能量中等頻率加工時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驗，分析了脈沖能量、頻率、切割速率和氣體壓力對加工質(zhì)量的影響，對比實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水下切割能有效的減小HAZ；在氣體輔助時材料HAZ表現(xiàn)為上窄下寬，水下切割HAZ表現(xiàn)為上寬下窄,主要因為水具有比氣體更高的比熱容，冷卻效果更強，對基體的熱損傷更小，且切槽底部的HAZ比頂部小；而氣流帶走了部分熱量，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，分析認為是由于流動的薄水層能及時帶走加工產(chǎn)生的殘渣、碎屑等，減少其對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、較高的流動性等特點，實驗獲得的加工區(qū)域較為整潔，通過與空氣、靜態(tài)水、流動水中加工的孔相比，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CFRP的打孔實驗，研究了不同流速、不同孔徑下的熱損傷狀況，實驗結(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；同時發(fā)現(xiàn)孔徑越小，則熱損傷更為嚴重，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水層下加工CFRP的情況，對比空氣、靜水和流動水中的加工結(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，流動水中加工效率最高。

圖7 不同水射流流速時的熱影響區(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，通過水束引導至工件表面，再對工件進行加工，其原理如圖8所示。SUN等人[54-55]利用水射流引導激光技術(shù)切割CFRP，針對切割形狀、熱影響區(qū)、表面質(zhì)量、加工效率等進行了研究，通過與常規(guī)激光加工相比較，研究表明，水導激光加工技術(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。這是因為在激光加工的同時，水束就對加工區(qū)域進行了有效冷卻和沖蝕，大大減少了熱積累現(xiàn)象，同時了帶走了加工殘渣，具有高的清潔性。但是由于水束的實時冷卻，導致熱量損失嚴重，降低了激光加工效率。

圖8 水射流引導激光加工原理[54]

圖9 橫截面顯微圖 [55]

ZHANG等人[56]針對水射流引導激光加工CFRP的瞬態(tài)熱效應及去除機理進行了數(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，這是因為激光在水束中不斷發(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，所以在加工時呈現(xiàn)圓形，水導激光加工技術(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，這是因為液體具有較強的冷卻效果，可以帶走多余的熱量，同時液體的流動性也會帶走加工時產(chǎn)生的殘渣，避免了激光的進一步散射，尤其是水導激光加工，表現(xiàn)出優(yōu)異的加工質(zhì)量，使冷卻介質(zhì)能更好地進入切縫，增強冷卻效果，減小HAZ。但水的冷卻效果強，使得熱損失大，降低了加工效率，其中水射流引導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輔助加工的角度研究如何實現(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，不少學者對材料屬性進行了探索。

當CFRP材料較厚時，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；同時加工過程中的材料蒸汽、加工殘渣以及加工切縫中材料缺陷等使得激光在較深層切縫中散射、損失嚴重，材料吸收的能量降低，熱影響區(qū)增大，同時切縫呈現(xiàn)“V”形。

SOBRI等人[57]采用光纖激光對厚度為25.4mm的CFRP鉆孔實驗，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，采用螺旋運動鉆孔的方式逐漸擴展加工的孔徑，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，并且最高可以實現(xiàn)22mm的切割深度。TAO等人[15]用雙光束對位錯的激光鉆孔工藝(DBOD)對較厚的CFRP進行實驗，如圖11所示。研究表明，雙光束位錯工藝可以加工的CFRP厚度達到了10mm，與單光束直接加工相比，該方式降低了HAZ，同時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行CFRP切割實驗，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す獾奈眨@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熱性被廣泛應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材料，用以平衡碳纖維和樹脂之間熱力學性能的差異，增加樹脂對能量的吸收，研究發(fā)現(xiàn)，當添加的碳納米管質(zhì)量分數(shù)為0.015時，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行實驗研究，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，由90°或45°與0°方向組成的雙層CFRP進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),當激光照射在材料表面時，在碳纖維導熱下，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)生氣化的同時部分會熱解形成不飽和的碳氫分子并經(jīng)過一系列脫氫、聚合后形成炭黑附著在加工表面[28]；當發(fā)生不完全燒蝕時也會在表面留下炭黑。此外，有研究發(fā)現(xiàn),隨著樹脂含量的增加，加工區(qū)域溫度場變窄但最高溫度會逐漸增加[64]，這是因為樹脂的導熱率比碳纖維低，所以樹脂含量增加容易導致熱量積累。

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相互作用時會產(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，樹脂被大量去除，碳纖維保留了下來，HAZ增大，同時材料的力學性能下降。因此激光施加的能量必須使碳纖維溫度大于去除溫度；過高的溫度則會導致HAZ增大。此外樹脂對激光的吸收率很低，所以樹脂的去除主要是依靠碳纖維導熱，但是碳纖維軸向熱導率遠大于徑向熱導率，產(chǎn)生熱應力差，所以在加工時容易造成樹脂剝落、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、多能場復合以及材料特性對CFRP加工質(zhì)量的影響。不同能場和工藝參量下，激光加工CFRP的去除機理存在著較大差別，需要進一步研究和相關(guān)去除機理的完善，以便實現(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CFRP的需求量將會不斷增加，同時對加工質(zhì)量的要求將更加嚴苛。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方面進行研究：

(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性能差異的角度深入研究，以實現(xiàn)激光低損傷、高效率加工CFRP的目標。

(2)多能場輔助加工有利于材料的去除，提高加工質(zhì)量。但目前輔助能場無法做到精準控制加工區(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。所以需要進一步探索能場輔助的精準控制方法，實現(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間，使得材料在達到熱力學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較低，目前對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，需要進一步研究實現(xiàn)其高效率加工的方法。

(4)水導激光加工技術(shù)具有長加工距離、高清潔性、高加工質(zhì)量等優(yōu)點，在加工CFRP時可以實現(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，同時由于加工深孔時存在積水，影響加工的幾何形狀，需要進一步改善該技術(shù)，以實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的加工。