邱 一,劉 壯,李元成,張曉兵

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇 南京 210016；2.中國(guó)航空制造技術(shù)研究院,北京 100024)

1 引 言

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics)是以碳纖維為增強(qiáng)體、樹脂為基體的復(fù)合材料,具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐輻射、抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)良性能,是目前最受青睞的高性能材料之一,被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[1-2]。CFRP成型后,多數(shù)情況下需要進(jìn)行大量的小孔結(jié)構(gòu)加工,以滿足裝配、連接、冷卻等功能需求。目前CFRP復(fù)材制孔工藝主要有兩大類,一類是傳統(tǒng)加工工藝,如銑削、鉆削等[3]；另一類是特種加工工藝,如電火花加工[4]、激光加工[5]、超聲打孔[6]、水射流加工[7]以及它們的復(fù)合加工技術(shù)等。由于該類復(fù)材基體與增強(qiáng)相的物理特性差異大,導(dǎo)致制孔技術(shù)難度較大,易出現(xiàn)纖維拔出、分層、基體損傷、纖維末端膨脹等[8]。

CFRP復(fù)材激光加工技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)。Sehyeok等人[9]使用光纖連續(xù)激光對(duì)CFRP材料進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn),研究了激光功率及掃描速度等參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響,結(jié)果顯示掃描速度是減小熱損傷的主要因素。路明雨等人[10]對(duì)高模量CFRP復(fù)材的皮秒激光加工閾值特性進(jìn)行了研究,通過面積外延法測(cè)定了兩種CFRP復(fù)材的皮秒激光加工閾值,并分析了入射能量通量和掃描速度對(duì)切口質(zhì)量的影響規(guī)律。Oliveira等人[11]利用飛秒激光對(duì)CFRP復(fù)材進(jìn)行表面處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用合適的加工參數(shù)可以選擇性地去除復(fù)材的樹脂基體,將碳纖維裸露出來。

飛秒激光因具有脈沖持續(xù)時(shí)間極短、峰值功率極高的優(yōu)點(diǎn),使其在微小孔加工方面受到越來越廣泛地關(guān)注。在使用飛秒激光對(duì)CFRP材料進(jìn)行制孔時(shí),對(duì)于較大尺寸孔徑(如φ6 mm以上),可以采用光斑局部填充方式進(jìn)行加工,這樣有利于提高加工效率。但是,對(duì)于較小尺寸孔徑(如φ3 mm),光斑填充方式的選擇值得考量:如采用局部填充方式,則存在材料去除不充分的風(fēng)險(xiǎn)；如采用全填充方式,則增加了加工時(shí)間,降低了加工效率。針對(duì)這方面的研究尚未見報(bào)道。因此,本文采用飛秒激光對(duì)φ3 mm小孔進(jìn)行不同填充方式的加工研究,主要探討光斑半填充和全填充兩種方式對(duì)小孔入口直徑、錐度以及加工效率的影響,為今后CFRP復(fù)合材料飛秒激光小孔加工的應(yīng)用提供參考。

2 試驗(yàn)與方法

試驗(yàn)所使用的試件為CFRP復(fù)材板,二維多向編織,鋪層方向分別為-45°、0°、45°、90°,如圖1所示。將CFRP復(fù)合材料切割成尺寸為30 mm×15 mm×2.8 mm試件,厚度為2.8 mm。該復(fù)材中的碳纖維為日本東麗公司 T300 型碳纖維,碳纖維直徑為 10 μm,樹脂基體為聚酰亞胺,兩者的體積分?jǐn)?shù)分別為60 %和40 %。碳纖維層合板由預(yù)浸料鋪層后,在熱壓罐中固化成型。試件材料的性能參數(shù)如表1所示。

圖1 CFRP復(fù)合材料試件

表1 CFRP復(fù)合材料的物理性能參數(shù)

所采用飛秒激光加工系統(tǒng)由飛秒激光器、光路系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和計(jì)算機(jī)控制器等部分組成。表2為飛秒激光加工試驗(yàn)參數(shù)。加工后的試樣經(jīng)酒精棉擦拭后烘干,在顯微鏡下觀測(cè)小孔入口以及出口形貌,并使用工業(yè)CT對(duì)小孔剖面進(jìn)行掃描檢測(cè),得到小孔剖面圖。小孔加工試驗(yàn)采用光斑同心圓軌跡掃描方式進(jìn)行,選擇了20 μm、30 μm、40 μm三種填充間距(即兩同心圓掃描軌跡間的距離)來研究半填充方式和全填充方式對(duì)小孔加工結(jié)果的影響規(guī)律。光斑半填充是指激光掃描區(qū)域覆蓋小孔外圓邊界到D/2處(D為小孔直徑),全填充是指激光掃描區(qū)域覆蓋整個(gè)小孔面積,如圖2所示(陰影區(qū)域?yàn)楣獍咛畛鋮^(qū)域)。光斑沿光束軸線方向采用勻速進(jìn)給方式,進(jìn)給速度為2 μm/s。

表2 飛秒激光參數(shù)

圖2 兩種不同的填充方式

3 結(jié)果與討論

3.1 光斑半填充的加工結(jié)果

3.1.1 不同光斑填充間距的加工結(jié)果

圖3所示為半填充方式,脈沖能量200 μJ,掃描速度300 mm/s,填充間距分別為20 μm(線重合度33.3 %)和30 μm(線重合度0 %),經(jīng)1500層掃描加工后的加工結(jié)果。兩種填充間距均未加工出通孔,填充間距為20 μm時(shí),小孔入口直徑為3228 μm,材料被切透,但中心凸臺(tái)仍有材料與孔壁相連,如圖3(a)所示。填充間距為30 μm時(shí)材料未被切透,小孔入口直徑為3220 μm,如圖3(b)所示。

圖3 光斑半填充及掃描速度300 mm/s下的加工結(jié)果

從材料去除機(jī)理方面分析,填充間距大小決定了光斑線重疊率的高低,進(jìn)而影響到激光輸入能量密度,輸入能量密度越大則材料去除越多,反之亦然。此外,剝蝕效應(yīng)[12]在CFRP激光加工中的作用也不能忽視。剝蝕效應(yīng)是指在按照同心圓掃描軌跡進(jìn)行加工時(shí),由于樹脂基體的熱解溫度較低,因此加工區(qū)域的樹脂基體先于碳纖維被去除,造成碳纖維失去支撐；在高溫高壓的樹脂熱解氣體的作用下,部分纖維被力學(xué)作用剝蝕去除。當(dāng)線重疊率較大時(shí),力學(xué)剝蝕現(xiàn)象較強(qiáng),提高了材料的去除率。因此,填充間距越小,越容易加工出通孔。同時(shí)發(fā)現(xiàn),填充間距對(duì)小孔的入口直徑以及孔的錐度的影響較小。

3.1.2 不同掃描速度的加工結(jié)果

圖4為脈沖能量200 μJ,采用半填充加工方式,填充間距20 μm,1500次掃描條件下,掃描速度分別為200 mm/s和300 mm/s下的加工結(jié)果。結(jié)果顯示,掃描速度為200 mm/s時(shí)獲得通孔(入口直徑3298 μm、錐度為1∶9.04)。掃描速度為300 mm/s時(shí),未獲得完整的通孔,中間凸臺(tái)部分未被切離材料,入口直徑為3228 μm,孔壁錐度為1∶6.73。從圖4中可以看出,掃描速度200 mm/s時(shí)不但能得到通孔,而且孔壁的錐度較小。分析認(rèn)為,其原因跟與3.1.1中的分析大致相同。掃描速度較小時(shí),光斑重疊率較高,輸入能量密度較大,材料的去除更多。因此,適當(dāng)降低掃描速度,提高光斑重疊率有利于小孔的加工,同時(shí)降低掃描速度還能改善小孔的錐度。

圖4 采用半填充及填充間距20 μm下的加工結(jié)果

3.2 全填充方式下的加工結(jié)果

3.2.1 不同填充間距下的加工結(jié)果

圖5展示了在脈沖能量200 μJ,掃描速度200 mm/s,掃描1500次,光斑全填充條件下,填充間距分別為20 μm、30 μm、40 μm(線重疊率分別為33 %、0 %、-33 %)的加工結(jié)果。從圖5(a)中可以看出,光斑填充間距為20 μm時(shí)獲得通孔(入口直徑3270 μm、錐度1∶4.35)。填充間距為30 μm時(shí)也獲得通孔(入口直徑3270 μm、錐度1∶4.82)。填充間距為40 μm時(shí)獲得盲孔,其入口直徑為3254 μm,錐度為1∶5.17。從加工結(jié)果可以看出,線重疊率為33 %和0 %時(shí)可以得到通孔,而當(dāng)線重疊率為-33 %時(shí),只能得到盲孔。其原因在于,填充間距增大,線重疊率降低,激光的輸入能量密度變小,單層掃描的材料去除深度降低,因而40 μm的填充間距僅能加工出盲孔。其外,光斑全填充下加工出的小孔錐度明顯高于光斑半填充的加工結(jié)果。產(chǎn)生錐度的原因是側(cè)壁對(duì)激光的反射作用,激光按照同心圓軌跡掃描到最外圈時(shí),由于側(cè)壁對(duì)激光的反射,導(dǎo)致側(cè)壁材料對(duì)激光能量的吸收大幅降低,而中心區(qū)域的材料對(duì)能量的吸收反而增多,因此邊緣的材料去除較少,中心區(qū)域材料去除較多。同時(shí)采用全填充方式進(jìn)行加工時(shí),易于散熱和加工產(chǎn)物的排除,加劇了錐形孔的產(chǎn)生。同時(shí)發(fā)現(xiàn),填充間距對(duì)孔壁錐度的影響較小。

圖5 光斑全填充及掃描速度200 mm/s下的加工結(jié)果

3.2.2 不同掃描速度下的加工結(jié)果

圖6展示了在脈沖能量為200 μJ,采用全填充加工方式,填充間距20 μm、1500次掃描,掃描速度分別為200 mm/s和300 mm/s下的加工結(jié)果。從圖6中可以看出,兩種掃描速度均能得到通孔。當(dāng)掃描速度為200 mm/s時(shí),通孔入口直徑為3273 μm,孔壁錐度為1∶4.35。當(dāng)掃描速度為300 mm/s時(shí),通孔的入口直徑為3252 μm,孔壁錐度為1∶3.65。掃描速度為200 mm/s時(shí)獲得的通孔錐度小于掃描速度為300 mm/s的加工錐度。分析其原因,掃描速度越大光斑重疊率越小,因此輸入能量密度越低,材料去除率越低,小孔的孔壁錐度越大。采用較小的掃描速度有利于得到錐度較小的通孔,同時(shí)發(fā)現(xiàn)掃描速度對(duì)小孔入口直徑的影響較小。

圖6 光斑全填充及填充間距20 μm下的加工結(jié)果

3.3 光斑半填充與全填充方式的對(duì)比

通過上述試驗(yàn)可以得出,不同的光斑填充方式對(duì)加工結(jié)果有較為顯著影響,圖7展示了脈沖能量200 μJ、掃描速度200 mm/s、填充間距20 μm及30 μm、兩種不同的填充方式加工1500次后的結(jié)果。填充間距為20 μm時(shí),兩種填充方式均能加工出通孔。當(dāng)采用半填充時(shí),通孔入口的直徑為3298 μm,錐度為1∶8。采用全填充時(shí),通孔的入口直徑為3273 μm,錐度為1∶4.35,如圖7(a)與(b)所示。當(dāng)填充間距為30 μm時(shí),采用半填充的加工方式未能成功加工出通孔,其入口直徑為3276 μm,錐度為1∶7.1。采用全填充方式能成功加工出通孔,其入口直徑為3270 μm,錐度為1∶4.82,如圖7(c)與(d)。從圖中可以看出,采用半填充時(shí),填充間距為20 μm能加工出通孔,而填充間距為30 μm時(shí)不能加工出通孔,其原因如前文所述,是因?yàn)樘畛溟g距越小,線重疊率越大,輸入能量密度越高,因此越容易加工出通孔。從圖7(c)與(d)中可以看出,當(dāng)填充間距為30 μm時(shí),采用全填充方式能獲得通孔,而采用半填充方式不能獲得通孔。經(jīng)分析可認(rèn)為在采用半填充方式加工時(shí),隨著加工深度的增大,排屑更加困難,氣化或熔化的材料不能及時(shí)排出孔外,同時(shí)加工產(chǎn)物會(huì)對(duì)激光能量進(jìn)行吸收,大幅降低了材料對(duì)飛秒激光能量的吸收率。

圖7 填充間距30 μm及不同填充方式下的加工結(jié)果

對(duì)比半填充和全填充下的加工結(jié)果可以看出,采用半填充加工出的通孔錐度比采用全填充的小。經(jīng)分析可認(rèn)為主要有兩個(gè)原因,一是在脈沖能量較大,掃描速度較小,填充間距較小,采用半填充方式進(jìn)行加工時(shí),雖然小孔內(nèi)壁會(huì)對(duì)激光產(chǎn)反射,但由于凸臺(tái)的存在,激光將在凸臺(tái)外壁與小孔內(nèi)壁之間來回反射,反而會(huì)增加材料對(duì)激光能量的吸收,同時(shí)由于輸入能量密度足夠大,能夠有效的去除小孔內(nèi)壁的材料,改善小孔的錐度,如圖8所示。二是由于采用半填充時(shí)熱解氣等氣態(tài)物質(zhì)無法及時(shí)的排除,吸收激光能量導(dǎo)致熱量在凹槽內(nèi)聚積,反而有利于改善小孔的錐度。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在輸入能量密度足夠大時(shí),采用半填充方式進(jìn)行加工不僅可以提高加工效率,還能得到錐度更小的通孔。填充間距和填充方式對(duì)小孔入口直徑的影響不大,這是因?yàn)轱w秒激光按照同心圓軌跡從外圈掃至最內(nèi)圈,最外圈的加工凹槽阻止了溫度向圓外傳遞。而掃描速度和填充方式對(duì)小孔孔壁錐度有較大影響。采用較小的掃描速度和較小的填充間距可以獲得錐度較小的通孔。

圖8 凹槽側(cè)壁對(duì)激光的反射及熱量聚集示意圖

4 結(jié) 論

對(duì)CFRP復(fù)材飛秒激光小孔加工進(jìn)行了試驗(yàn)研究,探討了光斑半填充和全填充兩種方式對(duì)小孔入口直徑、錐度以及加工效率的影響,主要結(jié)論如下:

(1)光斑填充方式對(duì)小孔入口尺寸影響較小、對(duì)小孔錐度有較大影響。采用光斑半填充加工出的小孔錐度好于采用全填充加工出的小孔錐度。

(2)填充間距對(duì)小孔入口尺寸以及小孔錐度的影響較小。掃描速度對(duì)小孔入口尺寸影響較小,但對(duì)小孔錐度的影響較大；掃描速度越小則小孔錐度越小。

(3)采用脈沖能量200 μJ、半填充加工方式、填充間距20 μm、掃描速度200 mm/s時(shí),能加工出質(zhì)量較好、錐度較小的通孔。