路明雨 張 明 張加波 高 澤 郝曉明

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

文 摘 非金屬復(fù)合材料是一種低密度、高強度、高模量的高性能材料，目前已經(jīng)成為航天衛(wèi)星上不可或缺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。但與此同時，該類材料也是一種極難加工的各向異性非均質(zhì)材料，采用傳統(tǒng)的接觸式方法加工易產(chǎn)生崩邊、分層、起毛、撕裂等問題。激光制造技術(shù)作為一種開始逐步走向?qū)嵱没南冗M制造技術(shù)，具有材料去除能力強、加工精度高、損傷可控等一系列優(yōu)點，是一種實現(xiàn)非金屬復(fù)合材料高性能加工、滿足現(xiàn)有和未來需求的理想方法。本文圍繞航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的碳纖維復(fù)合材料、芳綸纖維復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料，系統(tǒng)地綜述了國內(nèi)外激光加工非金屬復(fù)合材料的研究與應(yīng)用進展。其中技術(shù)分支涉及切割、制孔、銑削刻蝕、清洗等實體減材制造技術(shù)。最后對非金屬復(fù)合材料激光加工方法的未來研究重點和工程應(yīng)用前景進行了總結(jié)與展望。

0 引言

隨著我國衛(wèi)星朝著大尺寸、高穩(wěn)定、高可靠性的趨勢發(fā)展，對其結(jié)構(gòu)機構(gòu)及載荷的強度及輕質(zhì)化提出了更高需求。非金屬復(fù)合材料（如碳/環(huán)氧樹脂、凱夫拉/環(huán)氧樹脂、陶瓷基復(fù)合材料等材料）因其具有低密度、高強度、低熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕、可設(shè)計性好等一系列優(yōu)點［1-2］，已經(jīng)廣泛用于衛(wèi)星的中心承力筒、結(jié)構(gòu)板、連接架、天線結(jié)構(gòu)、相機鏡筒、通道接頭等部位，用量可占整個衛(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(guān)鍵結(jié)構(gòu)和功能材料之一。且隨著新型復(fù)合材料的出現(xiàn)，在熱控、結(jié)構(gòu)功能一體化等領(lǐng)域也展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。

然而，絕大多數(shù)非金屬復(fù)合材料均是高硬度、各向異性、非均質(zhì)的層疊式材料，并且構(gòu)成復(fù)合材料的基體相與增強相的物理性質(zhì)（強度、韌性、熔沸點、熱容、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、光吸收性質(zhì)等）差異很大，這加劇了其精密加工的難度，使其成為了一種典型的難加工材料。目前航天領(lǐng)域?qū)τ诜墙饘購?fù)合材料采用較多的是接觸式機械加工方法（如傳統(tǒng)切削、銃、超聲輔助切削、銑、鉆等）。但接觸式加工經(jīng)常會導(dǎo)致非金屬復(fù)合材料出現(xiàn)分層、纖維拔出、崩邊、微裂紋等損傷，同時加工產(chǎn)品的尺寸精度差、效率低、微細(xì)結(jié)構(gòu)制備困難。隨著航天器研制需求的不斷提升，這些問題嚴(yán)重制約了非金屬復(fù)合材料在航天工程中的進一步應(yīng)用。

激光制造技術(shù)憑借其自身的種種優(yōu)勢和特點獲得了“21世紀(jì)的加工技術(shù)”的美譽［3］。作為繼機械加工、熱加工和電加工之后的一種新型加工方法，具有非接觸式、材料去除能力強、加工精度高等特點和優(yōu)勢，可以作為一種實現(xiàn)非金屬復(fù)合材料精密切割、制孔、銑削、清洗與微細(xì)結(jié)構(gòu)加工，解決現(xiàn)有加工難題的有效方法。

本文主要綜述了非金屬復(fù)合材料的激光加工特性和應(yīng)用方面的研究進展，并對其未來的研究重點進行了總結(jié)與展望。

1 非金屬復(fù)合材料激光加工的典型問題研究現(xiàn)狀

目前在國內(nèi)，非金屬復(fù)合材料的減材制造仍然以傳統(tǒng)機械加工方法為主，特種加工方式應(yīng)用很少。其中，對于激光加工，鮮有應(yīng)用于實際工程生產(chǎn)中的報道，基本處于實驗室研究狀態(tài)［4］。然而在國外，特種加工的應(yīng)用程度要高很多。美國、英國、德國等發(fā)達(dá)國家在航空航天、汽車、醫(yī)療行業(yè)針對非金屬復(fù)合材料激光銑削與切割、激光鉆孔、激光刻蝕、激光清洗，均有不同程度的應(yīng)用。在基礎(chǔ)工藝水平與應(yīng)用程度上，國內(nèi)與國外存在較大差距。

1.1 激光加工碳纖維樹脂基復(fù)合材料

針對碳纖維樹脂基復(fù)合材料（CFRP），國外早在1980年就開始了基礎(chǔ)的理論研究，而國內(nèi)在2000年以后才開始較為系統(tǒng)的研究。由于國外起步早于國內(nèi)，許多學(xué)者已對激光輻照下復(fù)合材料的損傷特性開展大量的理論與實驗工作［5-7］。

對于激光源的選擇，國內(nèi)的研究前期更偏重使用連續(xù)激光［8-9］，后期逐步開始使用長脈沖激光進行研究。而國外已經(jīng)從連續(xù)激光逐漸過渡到超短脈沖激光加工CFRP 的研究。1996年，德國KRUGER等［10］就通過試驗發(fā)現(xiàn)，相比較納秒激光，亞皮秒激光可以加工出更整齊的CFRP斷面。2011年，德國漢堡大學(xué)的EMMELMANNA 等［11］的試驗表明：通過精確調(diào)控激光參數(shù)，超短脈沖激光能夠?qū)崿F(xiàn)CFRP 的低熱影響區(qū)高質(zhì)量加工。2012年，德國研究人員研究了皮秒激光脈沖能量、脈沖重復(fù)頻率對CFRP 加工熱影響區(qū)的影響，提出采用高重復(fù)頻率、快進給速度有望獲得更高的加工質(zhì)量。2013年，德國亞琛大學(xué)的FINGER 等［12］人試驗研究了皮秒激光平均功率、進給速度、脈沖重復(fù)頻率對于材料去除率和熱影響區(qū)的影響，結(jié)果表明，合理選擇激光參數(shù)可以獲得最小僅5 μm 的熱影響區(qū)，參數(shù)控制不當(dāng)時熱影響區(qū)可達(dá)100 μm 以上。2014年至2018年，俄羅斯國家科學(xué)中心的KONONENKO 等［13-14］人和德國斯圖加特大學(xué)的FREITAG 等［15-16］人通過試驗發(fā)現(xiàn)，調(diào)整激光脈沖頻率、進給速度和掃描次數(shù)，能夠有效控制皮秒激光加工CFRP 的熱積累效應(yīng)。前者發(fā)現(xiàn)不當(dāng)參數(shù)會引起高達(dá)幾千微米的樹脂氣化區(qū)域，但合適的參數(shù)能將CFPR 的樹脂汽化區(qū)寬度控制在2 μm 以下；后者兼顧加工質(zhì)量與效率，實現(xiàn)了2 mm 厚CFRP 板的高質(zhì)量（熱影響區(qū)＜20 μm）、高效率（900 mm/min）切割，如圖1所示。

圖1 高功率皮秒激光切割2 mm厚CFRP板Fig.1 Cutting 2 mm thick CFRP plate with high power picosecond laser

在國內(nèi)，超快激光加工CFRP 的研究則處于起步階段。2014年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙煦［17］研究了飛秒激光加工CFRP 的燒蝕閾值以及脈沖重復(fù)頻率、進給速度與進給道次對于加工微孔、微溝槽的加工形貌及材料去除率的影響，證實了超快激光在加工CFRP 方面比納秒激光、連續(xù)激光具有更低的熱損傷。2017年，湖南大學(xué)的蔣翼等［18］人試驗研究了皮秒激光功率、重復(fù)頻率、進給速度、進給道次對于加工熱影響區(qū)的影響。2017年～2018年，上海交通大學(xué)的朱德志等［19］人試驗研究了激光功率、銑削/切割速度、重復(fù)頻率等工藝參數(shù)對加工質(zhì)量、銑削深度、切縫錐度的影響，得到了優(yōu)化的激光銑削和切割參數(shù)。2018年～2019年，天津工業(yè)大學(xué)的賀龍宇［20］研究了飛秒激光掃描CFRP 復(fù)合材料時的燒蝕閾值特性和材料的孵化效應(yīng)。

從2014年至今，以湖南大學(xué)、上海交通大學(xué)與東華大學(xué)、天津工業(yè)大學(xué)為代表的幾個高校針對高強度CFRP［20-22］，哈爾濱工業(yè)大學(xué)［17］、北京衛(wèi)星制造廠有限公司［23-25］針對高模量CFRP，分別開展了超快激光刻蝕、切割與銑削試驗研究，加深了對CFRP 超快激光加工特性的認(rèn)識。張家雷等［26］對激光作用下CFRP 材料的燒蝕特性進行了研究，并根據(jù)實驗得到了復(fù)合材料氣化時的表面溫度和力學(xué)性能變化。這些研究結(jié)果均表明：相比傳統(tǒng)機械加工、長脈沖激光和連續(xù)激光，超快激光加工CFRP 在損傷與精度控制方面具有明顯優(yōu)勢。

1.2 激光加工芳綸纖維復(fù)合材料

相比較CFRP，國內(nèi)外對于芳綸纖維復(fù)合材料（AFRP）的激光加工研究進展總體滯后10～20年，涉及AFRP 的研究單位遠(yuǎn)少于CFRP 的。根據(jù)國外報道，僅有沙特阿拉伯的F.AL-SULAIMAN 和B.S.YILBAS、埃及的T.A.EL-TAWEEL、日本的T.HIROGAKI、印度的 G.D.GAUTAMH 和 H.CHOUHAN 等［27］少數(shù)學(xué)者對AFRP 的激光加工展開了研究。國內(nèi)也僅有上海市激光技術(shù)研究所、中國工程物理研究院和北京衛(wèi)星制造廠有限公司［24］等幾家機構(gòu)開展了相關(guān)研究。但其研究呈現(xiàn)出與CFRP類似的歷程和特點，目前尚處于應(yīng)用CO2激光、毫秒、納秒等傳統(tǒng)激光加工的研究，使用超快激光加工的報道很少。由于傳統(tǒng)激光的熱損傷比較明顯（相對于超快激光），加工熱影響區(qū)一般在50～1 000 μm 以上，難以滿足高精度、高質(zhì)量加工的需求，因此工藝與方法研究主要集中于熱影響區(qū)的抑制和加工錐角的控制。

2 非金屬復(fù)合材料激光切割與鉆孔

激光切割作為一種比較成熟的加工工藝，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬的加工。對于非金屬復(fù)合材料，雖然自20世紀(jì)80年代中期開始，人們已經(jīng)嘗試將激光工藝應(yīng)用于二維CFRP 復(fù)合材料。在國外，利用傳統(tǒng)激光對復(fù)合材料進行切割制孔的工業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)比較普及，但在國內(nèi)的應(yīng)用比較有限。而國內(nèi)外針對超快激光切割非金屬復(fù)合材料的研究目前則大多停留在理論和試驗階段。

2.1 碳纖維復(fù)合材料的激光切割與鉆孔

圖2展示了不同工藝方法切割CFRP 復(fù)合材料的效率對比，可以看出使用激光切割6 mm 厚度以下的板材具有絕對效率優(yōu)勢。

圖2 各類激光切割不同厚度CFRP板與金剛石刀具銑削和磨料水射流切割方式的速率對比Fig.2 Comparison of cutting rate of CFRP plates with different thicknesses by laser cutting，diamond cutting and abrasive water jet cutting

無論是機械加工還是激光加工、水射流加工等，加工過程中伴隨著對于材料的損傷。對于屬于接觸式加工的機械式銑削，加工結(jié)構(gòu)會因為銑削中伴隨的力、熱問題造成材料力學(xué)性能的衰退；而激光加工則主要是熱影響導(dǎo)致的力學(xué)性能衰退。早在2008年，德國漢諾威激光中心的HERZOG 等［28］就發(fā)現(xiàn)，盡管傳統(tǒng)熱效應(yīng)激光（例如屬于Nd：YAG 激光的納秒激光，屬于連續(xù)激光的CO2激光）存在明顯的熱加工缺陷，但是對于材料拉伸輕度的削減程度，可以比傳統(tǒng)銑削的要小。其根本原因是激光加工產(chǎn)生的變質(zhì)層（即熱影響區(qū)厚度）比銑削加工更小。

2016年，HERZOG 等人［29-30］將研究成果進行了工業(yè)化應(yīng)用，用激光切割加工了碳纖維復(fù)合材料汽車門產(chǎn)品，如圖3所示。結(jié)果表明，根據(jù)目前光纖激光器的水平，采用掃描振鏡切割的加工方式，使用三維激光加工系統(tǒng)切割高檔汽車的碳纖維復(fù)合材料零件，目前已經(jīng)基本具備工業(yè)化應(yīng)用水平。

圖3 三維激光切割系統(tǒng)與CFRP復(fù)合材料汽車門實物圖Fig.3 3D laser cutting system and real drawing of CFRP composite automobile door

2018年，德國漢諾威激光中心的BLUEMEL等［31］使用六自由度機器人和三維可編程聚焦光學(xué)系統(tǒng)（3D programmable focusing optic，I-PFO），搭載平均功率為1.5 kW 的近紅外納秒激光器，切割最大厚度達(dá)5 mm 的空間曲面CFRP 材質(zhì)汽車結(jié)構(gòu)。當(dāng)切割厚度不大于2 mm 時，熱變質(zhì)層厚度在0.1 mm 以下，有效切割速度約為20 mm/s，結(jié)果如圖4所示

圖4 三維激光切割系統(tǒng)及切割的5 mm厚CFRP復(fù)材板Fig.4 3D laser cutting system and 5 mm thick CFRP composite plate

2019年，HEIDERSCHEIT 等［32］利用長脈沖納秒激光對CFRP 復(fù)合材料進行切割和鍵孔制備，并對加工的效果進行了研究和分析。

隨著超短脈寬激光技術(shù)的成熟和發(fā)展，一些專家和學(xué)者已經(jīng)對CFRP 的超快激光切割加工進行了研究。在超快激光復(fù)材加工領(lǐng)域，STOCK 等［33］發(fā)現(xiàn)快速掃描加工可有效抑制激光切割熱損傷；GOEKE等［34］發(fā)現(xiàn)激光波長和材料吸收率可影響材料切縫和熱影響區(qū)尺寸大??；SALAMA［35］通過高強度CFRP 的鉆孔試驗實驗研究了激光功率、掃描速度和重復(fù)頻率等參數(shù)對熱影響區(qū)尺寸和燒蝕深度的影響；FREITAG 和WEBER 等［15-16，36］指出激光脈沖之間的熱積累是形成高強度CFRP 切割加工的熱影響區(qū)的主要原因之一，并基于熱傳導(dǎo)方程推導(dǎo)了加工臨界進給速率與脈沖能量和重復(fù)頻率之間的關(guān)系。張開虎等人［25］發(fā)現(xiàn)皮秒激光和飛秒激光切割CFRP 復(fù)合材料時的加工熱影響區(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。

2.2 陶瓷基復(fù)合材料的激光切割與制孔

2019年，針對航空發(fā)動機用陶瓷基復(fù)合材料的制孔需求，中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司的劉瑞軍等［37］人比較了長脈沖激光、超快激光、電火花、水射流切割等方法的加工效果，如圖5所示。結(jié)果表明長脈沖激光加工斷口表面發(fā)生氧化及過燒，加工效率高，存在熱影響、微裂紋缺陷；電火花線切割效率極低，同樣存在熱影響與微裂紋缺陷；水射流切割由于水壓沖蝕，導(dǎo)致大量SiC 粉末被水流帶走，致使孔洞增大，會導(dǎo)致零件失效；超短脈沖激光切割可通過偏焦加工解決過燒問題，表面未見明顯微裂紋。通過對比四種工藝方法切割陶瓷基復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)超短脈沖激光對復(fù)合材料的損傷最小。

圖5 四種工藝方法切割復(fù)合材料斷口圖及掃描電鏡圖Fig.5 Fracture diagram and scanning electron microscope of composite materials cut by four methods

從圖6中可以看出，采用飛秒級超快激光加工復(fù)合材料微孔時，可制備孔徑范圍0.4～1.6 mm，深徑比達(dá)10∶1的微小孔，且質(zhì)量精度良好，基體無重熔層、微裂紋、崩邊等缺陷，氣膜孔內(nèi)腔表面粗糙度Ra可達(dá)0.27 μm。

圖6 飛秒激光加工陶瓷基復(fù)合材料的微小孔效果Fig.6 Effect of femtosecond laser processing on micro holes in ceramic matrix composites

2.3 芳綸纖維復(fù)合材料的激光切割制孔

2008年，針對不同厚度的芳綸纖維增強樹脂基復(fù)合材料板，沙特阿拉伯的AL-SULAIMAN 等［27］人研究了CO2激光切割這種高強度高模量復(fù)合材料的效果。從圖7中可以看出，盡管材料切口處會有輕微變質(zhì)層，但是可以避免傳統(tǒng)鉆頭鉆孔時造成的孔口嚴(yán)重起毛問題。

圖7 使用CO2激光切割的孔與鉆頭鉆孔效果對比Fig.7 Comparison of drilling effect between CO2 laser cutting hole and drill bit

2019年，北京衛(wèi)星制造廠有限公司的張開虎等［24-25］人針對航天領(lǐng)域典型的CFRP、AFRP 復(fù)合材料，以加工熱影響區(qū)寬度為典型質(zhì)量指標(biāo)，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CFRP和AFRP材料對激光脈沖寬度和激光波長需求的異同。

結(jié)果表明，對于AFRP 復(fù)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)的孔口拉絲毛邊等明顯缺陷，但依然可能會出現(xiàn)熱缺陷。當(dāng)采用近紅外超快激光進行切割加工時，會產(chǎn)生肉眼可見的糊邊，但采用短波長（例如近紫外波長）超快激光則能夠基本避免燒糊現(xiàn)象。從宏觀層面的加工質(zhì)量上看，采用短波長超快激光加工該材料相比長波長激光具有明顯優(yōu)勢，如圖8所示。

圖8 近紅外飛秒激光與紫外皮秒激光切割A(yù)FRP對比Fig.8 Comparison of near infrared femtosecond laser and ultraviolet picosecond laser cutting AFRP

3 非金屬復(fù)合材料激光精密銑削

2016年，英國大學(xué)Manchester 大學(xué)的SALAMA等［38］分析了使用超快激光掃描振鏡加工頭銑削CFRP 的過程以及實現(xiàn)精密小盲孔、盲槽制備的可能性。結(jié)果如圖9所示。

圖9 使用超快激光可實現(xiàn)對CFRP的精密銑孔和銑槽Fig.9 Ultra fast laser can be used to precisely mill slots and holes of CFRP

激光精密銑削對于非金屬復(fù)合材料具有重要的應(yīng)用價值，例如航天器發(fā)動上的陶瓷基復(fù)合材料小盲孔的制備。

2016年，西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點實驗室王晶等［39］研究了碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMC-SiC，包含SiC/SiC和C/SiC兩種材料）的超短脈沖激光加工工藝。CMC-SiC 是用于制造航空渦輪整體葉盤和渦輪靜子件、發(fā)動機調(diào)節(jié)片等精密構(gòu)件、航空發(fā)動機燃燒室火焰筒和渦輪葉片的重要材料，其上存在大量精密微小型加工需求，例如火焰筒和渦輪葉片的氣膜冷卻孔（直徑300～700 μm），其加工質(zhì)量的好壞將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和使用性能。這種材料的硬度為2 840～3 320 kg/mm2，僅次于金剛石和立方氮化硼。從圖10中可以看出，超快激光能夠滿足其微小結(jié)構(gòu)精密加工需求。

圖10 超短脈沖加工的C/SiC復(fù)合材料構(gòu)件方槽Fig.10 Ultra short pulse machining of square groove in C/SiC composites

4 非金屬復(fù)合材料選擇性激光清洗

盡管激光清洗的出現(xiàn)最早可追溯到20世紀(jì)60年代，但針對這種創(chuàng)新型清洗技術(shù)的研究和應(yīng)用是從20世紀(jì)90年代開始逐步擴大的。在過去20 多年的時間里，國內(nèi)外均有關(guān)于激光清洗技術(shù)的報道［40］，近幾年迅速成為工業(yè)制造領(lǐng)域的研究熱點，研究內(nèi)容主要包括激光清洗工藝、理論、裝備以及應(yīng)用［41］。

國內(nèi)在激光清洗裝備和應(yīng)用方面的整體水平與國外差距較大。目前歐美國家的激光清洗市場表現(xiàn)穩(wěn)定，主要供應(yīng)商包括P-laser，CleanLaser，Adapt Laser Systems，General Lasertronics，IPG 等，我國激光清洗技術(shù)的研究和設(shè)備的開發(fā)起步晚，基本上是跟蹤國外的發(fā)展，雖然在較短時間內(nèi)取得了一些成果，但與國外相比還有較大差距。目前從事激光清洗的科研機構(gòu)包括中國工程物理研究院激光聚變中心、解放軍裝甲兵工程學(xué)院再制造中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、南開大學(xué)等。盡管近年學(xué)術(shù)界激光清洗的研究逐漸豐富，清洗材料種類和應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，但各領(lǐng)域研究發(fā)展不平衡，很多問題尚未解決。

在非金屬復(fù)合材料的清洗工藝、理論、裝備以及應(yīng)用方面，我國基本處于起步階段。而針對航空航天領(lǐng)域產(chǎn)品激光清洗設(shè)備與應(yīng)用，尚處于空白狀態(tài)，相關(guān)裝備也正在研究當(dāng)中。

4.1 非金屬復(fù)合材料激光清洗研究進展

2016年，德國相干公司的R.DELMDAHL 等［42］采用脈寬28 ns，波長308 nm 的準(zhǔn)分子紫外光對膠接前的CFRP 進行表面清洗以去除油脂等污物，激光功率30 W 的激光清洗效率為9.6 m2/h。提出批量生產(chǎn)加工時，可使用600 W 激光器，預(yù)計清洗效率為58.3 m2/h。圖11顯示了不同激光脈沖次數(shù)下的CFRP 表面形貌。

圖11 激光能量密度800 mJ/cm2準(zhǔn)分子激光清洗CFRP表面形貌Fig.11 Surface morphology of CFRP cleaned by excimer laser with energy density of 800 mJ/cm2

2017年，葡萄牙里斯本大學(xué)的V.OLIVEIRA等［43-44］研究了其在飛秒激光作用下纖維相和基體相各自的燒蝕閾值，根據(jù)閾值及其孵化效應(yīng)得到了表面處理時能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)氧樹脂選擇性去除的工藝參數(shù)；采用波長1 024 nm，脈寬550 fs 的飛秒激光對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料（CFRP）進行表面處理，去除部分樹脂材料，改變復(fù)合材料表面形貌和粗糙度，提高了膠接材料之間的界面面積，提高了CFRP 的膠接強度。此外，在碳纖維界面觀察到了亞微米尺寸的波紋狀微觀形貌特征，如圖12所示，這為膠接工藝提供了大量的咬合點，有助于增大膠接時的咬合作用。因此采用飛秒激光清洗材料表面時，除了超短脈沖激光清洗時的燒蝕效應(yīng)以外，還有對碳纖維表面進行微加工的作用，這將是飛秒激光應(yīng)用在清洗領(lǐng)域時的一個重要優(yōu)勢。

圖12 激光能量0.35 mJ處理后的橫截面形貌Fig.12 Cross section morphology after laser energy 0.35 mJ

2018年，意大利GENNA 等［45-46］研究了Yb：YAG光纖激光清洗對于高性能碳纖維增強復(fù)合材料表面的影響，用激光輔助連接法將碳纖維連接到聚碳酸酯（PC）板中，對環(huán)氧樹脂接頭進行了試驗研究。結(jié)果表明，激光預(yù)處理使接頭強度顯著提高，在最佳條件下，超過參考樣品的兩倍以上。

2018年，LEONE 等［46］用Yb：YAG 光纖脈沖激光在碳纖維復(fù)合材料上進行了不同工藝參數(shù)下的激光清洗，研究了激光處理對于CFRP 接頭強度的影響，并與未經(jīng)處理和砂紙?zhí)幚淼臉悠愤M行了對比，結(jié)果如圖13所示。結(jié)果表明，激光處理可以使表觀剪切強度增加一倍。

圖13 CFRP-CFRP連接示意圖及經(jīng)過不同處理后焊接表觀剪切強度Fig.13 Schematic diagram of CFRP-CFRP connecting and apparent shear strength after different treatments

在國內(nèi)，2017年以來，國內(nèi)科研人員對飛機復(fù)合材料部件除漆研究也重視起來。南京航空航天大學(xué)占小紅等［47-48］采用50 kHz 的紅外脈沖激光處理碳纖維復(fù)合材料，通過分析不同參數(shù)組合下的微觀形貌，研究激光功率和掃描速度對碳纖維復(fù)合材料表面形貌的影響，得出了表層樹脂和污染物被清除且碳纖維未被損壞的激光清洗參數(shù)。同時發(fā)現(xiàn)激光處理后得到的最大剪切強度為27 MPa，與沒有表面處理的材料相比剪切強度提高了36.15%。

2018年，東華大學(xué)的吳瑤等［49］人通過對比激光清洗與機械打磨的CFRP 與鋁的膠接性能，發(fā)現(xiàn)激光清洗后的CFRP與鋁的膠接強度比未處理的CFRP提高了195%，比打磨處理的CFRP提高了102%。

4.2 非金屬復(fù)合材料激光清洗應(yīng)用進展

在航空航天領(lǐng)域，激光清洗目前主要應(yīng)用于非金屬復(fù)合材料的除漆。國外對于激光除漆技術(shù)以及復(fù)合材料研究較早，已有很多成功應(yīng)用案例。而國內(nèi)處于摸索階段，近年來也有很多對于激光除漆技術(shù)研究的優(yōu)秀成果以及很多自主研發(fā)的激光器應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，但數(shù)量很少，其中針對非金屬復(fù)合材料的成熟應(yīng)用則幾乎沒有報道。

2003年，美國國際航空實驗室（National Aerospace Laboratory，NLR）研究了不同除漆技術(shù)對于F-16 戰(zhàn)斗機平尾非金屬復(fù)合材料表面漆層清除的效果，并進行了評價。結(jié)果表明，激光可以選擇性地去除面漆保留底漆，也可以將面漆和底漆一起去除，而且除漆效率很高，節(jié)約了時間和成本，且復(fù)合材料溫度未超過80 ℃。此外，美國海軍H-53、H-56等直升機螺旋槳葉片復(fù)合材料表面也已實現(xiàn)激光脫漆應(yīng)用。

2015年6月，由Concurrent Technologies 公司 和美國國家機器人工程中心開發(fā)的兩套先進的機器人激光涂層去除系統(tǒng)（ARLCRS）被運送到猶他州空軍基地用于F-16 戰(zhàn)斗機和C-130 貨機除漆口［50］，如圖14所示。與以往的除漆系統(tǒng)相比，ARLCRS 可使除漆時間縮短50%。

圖14 激光涂層去除系統(tǒng)對F-16戰(zhàn)斗機進行激光除漆Fig.14 Laser paint removal of F-16 fighter by laser coating removal system

5 結(jié)語

總體而言，激光切割與鉆孔、激光銑削、激光清洗等不同分支的激光減材制造技術(shù)的技術(shù)成熟度不盡相同。針對非金屬復(fù)合材料，激光切割技術(shù)有利于解決大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高效率切割、制孔需求。激光銑削技術(shù)雖然應(yīng)用場合有限，但對于相關(guān)方向具有十分重要的作用。激光選擇性清洗技術(shù)則能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)合材料表面除漆、污、氧化膜需求和焊接/膠接表面預(yù)處理。與傳統(tǒng)加工工藝相比，激光加工在制造效率、精度和質(zhì)量等方面具有其獨特優(yōu)勢。

（1）綜合國內(nèi)外研究看，針對非金屬復(fù)合材料的傳統(tǒng)激光切割鉆孔，國內(nèi)外有相對成熟的試驗研究，但受限于傳統(tǒng)激光加工突出的熱效應(yīng)，應(yīng)用僅限于宏觀非精密加工。對于高精度低熱損傷的超快激光切割制孔技術(shù)，國外研究已經(jīng)日漸成熟，為走向工業(yè)化應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。但在國內(nèi)，技術(shù)成熟度總體較低、尚處于萌芽狀態(tài)。

（2）與激光切割相比，非金屬復(fù)合材料的激光銑削的應(yīng)用場合要窄很多。其主要原因是激光銑削對于銑削深度的控制精度較低。對于熱效應(yīng)明顯的傳統(tǒng)激光，由于其制造精度遠(yuǎn)低于超快激光，使得傳統(tǒng)激光的精密銑削非常困難，因此報道的研究主要是使用超快激光的銑削。

（3）我國在激光清洗領(lǐng)域基本處于起步階段，與國外存在較大差距，尤其是在非金屬復(fù)合材料的清洗工藝、理論、裝備等方面。這是由多方面原因造成的，除了激光清洗機理與工藝不夠成熟外，激光器設(shè)備的性能也限制了激光清洗的效率和精度。近年來國家致力于推動激光清洗技術(shù)發(fā)展，對激光清洗的工藝與應(yīng)用起到有效的促進作用。預(yù)計激光清洗技術(shù)將會率先應(yīng)用于航空、航天、核能等軍工領(lǐng)域。

（4）從激光加工選擇的激光種類來看，最具潛力的是皮秒激光、飛秒激光等“冷”加工效應(yīng)的超快激光。納秒激光、連續(xù)激光等傳統(tǒng)激光在加工非金屬復(fù)合材料時熱效應(yīng)明顯，無法滿足精密加工的精度和質(zhì)量要求。而使用皮秒激光、飛秒激光等超快激光時，熱影響區(qū)可控制在0.01～0.1 mm 量級，且材料邊緣光滑，無表皮撕裂、分層、毛邊等缺陷。在國外，非金屬復(fù)合材料的超快激光加工技術(shù)已經(jīng)日漸成熟，為走向工業(yè)化應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。在國內(nèi)，對于超快激光加工技術(shù)的研究和應(yīng)用成熟度較低、總體處于起步階段。

隨著超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，基于超快激光的非金屬復(fù)合材料切割、制孔、精密銑削和選擇性清洗技術(shù)會發(fā)揮出巨大的優(yōu)勢和潛力。有望兼顧精度、質(zhì)量、效率等制造需求，在未來的航空航天領(lǐng)域發(fā)揮出其他加工方法無可替代的作用。