蔡頌，徐聞聲，余凡，宋金潮，鄧凱，陳達

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

碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有高模量、高強度、低密度的優(yōu)異力學性能，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碳纖維的作用，防止碳纖維受損改變內(nèi)部受力結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)實中，有兩種情況必須對樹脂層進行消除處理:一是生產(chǎn)過程中需要CFRP 與其他金屬零件連接時，合理去除CFRP 表面樹脂可以有效地提高黏接強度[1-2]。二是CFRP長時間負載工作后樹脂層過度磨損時，需對CFRP表面進行修復(fù)處理[3-5]。無論是CFRP修復(fù)還是CFRP與其他金屬件連接，連接機制都是微觀層面的范德華力導致分子吸引，同時兩種材料接觸存在的摩擦力產(chǎn)生機械嵌鎖，因此提高CFRP材料表面粗糙度可以有效地提高連接性能[6]。

以往大多采用機械方式處理CFRP 表面，但采用機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)生化學反應(yīng)致使材料表面活性官能團增加?；钚怨倌軋F數(shù)量增加可以提高材料表面的親潤性，這樣有利于材料膠接，提高膠接后材料的剪切強度[7]。但CFRP受材料特性和工藝限制，在制備時樹脂層和碳纖維接觸面很難保持水平，導致樹脂層厚薄不一[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相差巨大，激光表面處理存在很大優(yōu)勢。

近些年，國內(nèi)外專家針對激光表面處理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度，同時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CFRP 進行表面處理并與鋁膠接，隨脈沖激光脈寬提高，膠接強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]針對紅外激光表面處理CFRP 進行了多參數(shù)的試驗并耦合，激光能量密度和掃描速度對激光表面處理工藝有著非常重要的影響，同時激光能量密度是影響表面處理效果的最直接因素，基于機械嵌鎖理論，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，通過對比發(fā)現(xiàn)兩步法處理的剪切強度優(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。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行加工，建立動態(tài)的能量密度單元，檢測加工區(qū)域粗糙度和觀測微觀結(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，試驗結(jié)果為激光處理CFRP 表面提供一定參考。

1 試驗介紹

1.1 主要原材料

CFRP層壓板:市售；

碳纖維:T300，絲束級別為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，碳纖維體積分數(shù)為60%；

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

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、計算機組成，通過計算機操作可以實現(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)詳細參數(shù)

超聲波清洗機: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；

表面粗糙度測量儀:Surtronic Duo 型，英國Taylor Hobson有限公司。

1.3 試驗過程

試驗先通過CO2連續(xù)激光點射CFRP 層壓板來確定激光焦點位置，點射出光時間為0.5 s，激光功率為100 W，刻度值范圍選為20~35 mm，間隔1 mm點射一次，總共進行16次點射。對點射結(jié)果進行三維超景深檢測獲得光斑半徑。光斑輻照到CFRP材料上，由于材料的各向異性導致周圍樹脂熔融程度不一，點射直徑示意圖如圖1所示，點射圖案呈現(xiàn)近似橢圓形，對其取橫豎兩次直徑測量，取平均直徑為光斑直徑。激光能量密度與掃描速度對激光表面處理工藝有著非常重要的影響，因此運用“每面積能量”方式構(gòu)建一個理想加工區(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為輸出時間；為了方便計算同時控制誤差將T固定為1 s；d為光斑直徑；x為掃描速度v下1 s內(nèi)的移動距離。由于T固定為1 s，方便計算可以將T省略掉。

點射試驗后選取合適離焦量進行表面處理試驗，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。試驗流程圖如圖3 所示，對表面處理后樣本進行三維超景深檢測和粗糙度測量，對測量后樣本進行超聲波清洗30 min，清洗后再進行一次粗糙度測量。對于三維超景深顯微檢測，加工區(qū)域為10 mm×10 mm矩形，取區(qū)域內(nèi)“五區(qū)四點”進行點高度差檢測，所選五區(qū)間隔距離相等，最終計算數(shù)值在矩形區(qū)域內(nèi)更具有代表性。測量示意圖如圖4 所示，A，B，C，D 4 個點所測取數(shù)值都是與中心基準點的高度差值，對每個區(qū)的高度差值都取絕對值后計算均值，然后計算矩形區(qū)域的算術(shù)平均偏差值來描述整個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]。粗糙度測量同樣在五區(qū)內(nèi)進行測量，每個區(qū)域測量一次，取五區(qū)均值作為該加工表面粗糙度數(shù)值。

圖3 試驗流程圖

圖4 測量示意圖

式(2)中，Rai為i區(qū)所測表面粗糙度。

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 點射試驗結(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)激光點射碳纖維樹脂層不會對光斑投影周圍樹脂造成較大熱影響區(qū)。功率低于100 W 時輻照1 s 也尚未達到碳纖維氣化溫度，同時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)，點射試驗凹坑的平均直徑近似等于實際光斑半徑，并且由環(huán)境、材料、測量產(chǎn)生的總誤差大約為10 %。點射試驗數(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刻度值時達到最小值1 477.47 μm，同時通過觀察圖中擬合曲線，發(fā)現(xiàn)焦點位置位于刻度值30 mm 附近。

圖5 點射試驗數(shù)據(jù)結(jié)果

2.2 功率和掃描速度對表面粗糙度的影響

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)系會更加復(fù)雜，主要原因是碳纖維編織鋪層存在起伏，導致樹脂包裹厚度不一[18]。表面處理試驗結(jié)果誤差約為10 %，不同激光功率對CFRP 表面粗糙度的影響如圖6所示。當掃描速度為30，50 mm/s和70 mm/s時，隨功率變化趨勢近乎一致，功率在40 W和50 W時粗糙度處在較低值，功率提高到60 W時粗糙度有上升趨勢。當掃描速度為90 mm/s，功率在40 W時出現(xiàn)了一個峰值表面粗糙度，且粗糙度變化趨勢與其它掃描速度結(jié)果不一致。掃描速度為70 mm/s和功率為60 W 時，表面粗糙度達到最大值為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；當激光功率增加時，連續(xù)激光可以完全消除CFRP樹脂層并燒蝕CFRP 纖維層，此時經(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CFRP表面粗糙度的影響

經(jīng)連續(xù)激光處理區(qū)域會存在碳纖維斷裂產(chǎn)生的碎屑和樹脂熔化重新生成的冷凝物[9]，所以對加工后樣品進行超聲波清洗。以掃描速度70 mm/s為例，超聲波清洗對CFRP表面粗糙度的影響如圖7所示。對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，粗糙度有小幅度下降，粗糙度下降幅度范圍為0.434~0.876 μm，因為樹脂冷凝物與基體連接不牢固，部分凸起點被超聲振動洗去；功率在60 W時，粗糙度大幅度下降，下降了1.712 μm，這是因為超聲振動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CFRP表面粗糙度的影響

掃描速度對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從中可以看出某種規(guī)律，過高或過低的掃描速度都導致粗糙度較低，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，當掃描速度在70 mm/s 時粗糙度達到最大值。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)律是因為較低掃描速度需要較多加工時間，因此存在較大能量累積，可以燒蝕到纖維層但無法達到碳纖維燒蝕閾值，因此將樹脂層清理干凈導致粗糙度較低；較大掃描速度因加工時間較短導致能量輸入較少，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。

圖8 掃描速度對CFRP表面粗糙度的影響

粗糙度測量通常是對微觀不平度進行觀測，附著顆粒容易改變測量數(shù)據(jù)。表面起伏值是通過對整個表面高度差值進行計算得出結(jié)論，從宏觀上觀測，且激光加工存在熱影響容易導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CFRP表面影響如圖9所示，當掃描速度為30 mm/s時，隨著激光功率的增大起伏增大；當掃描速度為50，70，90 mm/s時，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時降到最低然后再升高。同時，與粗糙度測量結(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太大。較低激光功率時，掃描速度大起伏值小，因為較快掃描速度導致能量無法深入，可將加工熱源近似看為面熱源，此時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(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，逐步出現(xiàn)碳纖維受熱膨脹甚至斷裂的現(xiàn)象，因此導致加工區(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)域累積后導致樹脂汽化。同時，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，虛線標出為加工導致碳纖維斷裂產(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。當功率為50 W、掃描速度為90 mm/s時，可以明顯看出樹脂重鑄后產(chǎn)生的冷凝物(白色實線標出)，當掃描速度越大，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，功率越大導致更多能量輸入至樹脂層下并向下傳遞，同時，由于能量累積也會燒蝕材料的纖維層，甚至會導致斷裂的發(fā)生。較高的掃描速度且功率不高時，能量輸入過低無法有效燒蝕樹脂層，導致能量向周圍轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)；此時，樹脂會重新冷凝并附著在纖維表面導致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)底是因為激光表面處理的能量密度與CFRP 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)進行計算，把試驗參數(shù)轉(zhuǎn)化成能量密度列于表3。能量密度對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，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時達到最大值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。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，而是呈現(xiàn)出隨能量密度增大而減小的趨勢。

圖11 能量密度對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)生的碎屑殘留碳纖維表面使得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。最開始當能量密度在0.222 J/mm2時，碳纖維的纖維束之間殘留樹脂，尤其是虛線標出殘留較多樹脂熔融后的冷凝物；隨著能量密度增長到0.285 J/mm2，殘留的樹脂和樹脂重鑄冷凝物減少；當能量密度繼續(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到可以燒蝕碳纖維的程度；當能量密度為0.571 J/mm2時，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；當能量密度增長至1.304 J/mm2，顯微表面布滿碳纖維碎屑，同時，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致。該圖現(xiàn)象可以驗證圖11 中粗糙度隨能量密度增長的規(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的激光參數(shù)進行不規(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，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)點處(箭頭標出)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，如圖中虛線標出為樹脂冷凝重鑄后的殘留物；當能量密度增大至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，虛線標出為能量向外輻射導致的熱影響區(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散，過高的能量密度導致邊緣出現(xiàn)波浪狀。綜合上述試驗結(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行矩形表面處理試驗和不規(guī)則圖形掃描試驗，研究了連續(xù)激光參數(shù)(激光功率、掃描速度)對表面處理質(zhì)量的規(guī)律，同時從能量密度角度出發(fā)考量對表面處理的影響。隨后進行不規(guī)則圖形掃描試驗，研究不同能量密度對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CFRP 進行了點射試驗、矩形表面處理試驗和不規(guī)則圖形掃描試驗，得出以下結(jié)論:

(1)通過點射試驗確定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。通過表面處理試驗看出，以粗糙度值較大作為表面加工質(zhì)量優(yōu)異的標準。當變量為功率時，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，超聲波清洗對該規(guī)律的影響不大；當變量為掃描速度時，不同功率參數(shù)表現(xiàn)出規(guī)律存在差異，但是觀測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行計算，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時雖有提升，但是通過顯微圖片觀測可以得知是纖維碎屑和撕裂缺陷導致粗糙度提高，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，能量密度在0.794 J/mm2進行不規(guī)則形狀掃描試驗得到理想效果，無樹脂殘余和向外擴散，基本保持理想加工形狀。