曹海松,馬玉平,彭玉斌,關 浩,黃昕偉,單玉強,姚燕生

(安徽建筑大學 機械與電氣工程學院,安徽 合肥 230601)

1 引 言

碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)作為一種新型高性能復合材料,具有質輕、耐腐蝕和減震性好等優(yōu)點[1],廣泛應用于航空航天、醫(yī)療器械、國防軍工等領域[2]。目前,隨著全球材料輕量化和環(huán)?；陌l(fā)展趨勢,CFRP是一種需要重點關注的戰(zhàn)略性材料[3-4]。

CFRP通常由碳纖維和樹脂基體通過模壓、熱罐、拉擠等先進制造技術加工成型[3-5],強而脆的碳纖維確保了CFRP的高強度性能,基體材料起到降低應力集中和吸收能量的作用,具有優(yōu)異的機械性能[6]。然而,CFRP具有復雜的各向異性,層間強度低,纖維與基體兩者的熱力學性質相差較大,屬于典型的難加工復合材料[7-8]。傳統(tǒng)機械加工工藝在CFRP的規(guī)?；庸み^程中,存在刀具易損壞、材料分層、纖維拉出、殘余應力大、撕裂和毛刺等問題,極大的增加了加工成本[9-11]。

激光加工是一種非接觸式的特種加工方法,利用高能量密度激光束在工件表面產生的熱效應完成加工過程,能夠避免常規(guī)加工出現(xiàn)的刀具磨損等問題,具備獨特的加工優(yōu)勢。其中超短脈沖激光是一種脈沖寬度從皮秒到飛秒范圍的激光,空間能量分布屬于高斯分布規(guī)律[12],其影響范圍可以控制在微米級別,具備加工尺度微小、可操控性強、無熱傳遞等多種優(yōu)點[13],能實現(xiàn)CFRP的“冷”加工,有效緩解加工過程中對CFRP的熱損傷等問題。Wang等[14]運用皮秒激光加工CFRP,結果表明皮秒激光比長脈沖激光加工質量加工熱損傷更小,更適合表面加工。Freitag等[15]利用高功率紅外皮秒激光對CFRP進行加工,發(fā)現(xiàn)超短脈沖激光可以將熱影響區(qū)范圍控制在20 μm以下。董志偉[16]利用飛秒激光對CFRP進行加工實驗,發(fā)現(xiàn)相比于連續(xù)激光加工CFRP,飛秒激光明顯可以獲得更好地加工表面形貌,加工質量高。基于此,本文對超短脈沖激光加工CFRP開展綜述,圍繞CFRP材料屬性、激光加工機理及常見缺陷抑制等方面進行討論,為超短脈沖激光加工CFRP技術發(fā)展提供參考。

2 超短脈沖激光加工機理研究

2.1 碳纖維增強復合材料結構屬性

CFRP由高強度的碳纖維增強相和質軟而粘性好的樹脂基體相組成[17]。其中,碳纖維增強相是含碳量在90 %以上的一種特殊纖維[18],具備高強度和高模量的特點,沿纖維徑向能夠承受較大的載荷,但沿纖維軸向承載能力差。而低成本的樹脂基體相能將分散的碳纖維粘合成一個整體,并保護內部的碳纖維增強相。同時,CFRP一般由多層鋪層經(jīng)過層壓制造而成,每層鋪層的碳纖維可以采用不同的鋪層方向和鋪層方式,在結構上具備各向異性[19],如圖1所示。鋪層角度一般設計為0°、±45°和90°,分別承受軸向載荷、剪切載荷、橫向載荷,不同鋪層角度的疊層能夠提高CFRP的整體力學性能和機械強度。此外,采用對稱的鋪設方式的CFRP還能避免復合材料固化或承載后出現(xiàn)的曲翹現(xiàn)象[8]。

圖1 0°、±45°對稱疊層和0°、90°正交疊層[19]

另一方面,CFRP中碳纖維增強相與樹脂材料基體相的熱物性參數(shù)具有很大的差異,如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn),碳纖維熱傳導率明顯高于樹脂基體的熱傳導率,能進行良好的光吸收和散熱性能,激光加工產生的熱量優(yōu)先沿著碳纖維向CFRP內部擴散[21]。與樹脂基體相比,碳纖維的傳熱性能與氣化溫度都高出了一個數(shù)量級,即使激光燒蝕的溫度達到樹脂基體的氣化溫度,碳纖維仍能保持穩(wěn)定狀態(tài)并傳導熱量,這也意味著碳纖維的加工需要更高的激光能量。因此,在激光加工CFRP過程中,容易造成內部樹脂基體氣化而導致碳纖維裸露在外的情況,影響加工質量[17]。

表1 CFRP熱物性參數(shù)表[20]

2.2 超短脈沖激光燒蝕CFRP的去除機理

激光加工是利用高能量密度的激光束燒蝕材料的過程,燒蝕方式分為表面燒蝕和體積燒蝕[22]。超短脈沖激光加工CFRP是表面燒蝕和體積燒蝕這兩類燒蝕互相作用的結果,如圖2所示。

圖2 高溫燒蝕分類

CFRP主要由碳元素和氮元素構成,在不同環(huán)境下,超短脈沖激光加工CFRP的燒蝕機理也有所差異。當燒蝕環(huán)境為有氧環(huán)境時,燒蝕機理主要包括熱蒸發(fā)和氧化反應,超短脈沖激光通過瞬時迸發(fā)出的高密度能量使碳纖維和樹脂基體直接受熱蒸發(fā),達到去除材料的目的,此外,激光燒蝕產生的高溫誘導材料發(fā)生氧化反應,加快材料的燒蝕速度。而在無氧環(huán)境下,缺乏氧化反應的條件,主要依靠激光的熱解和揮發(fā)效應去除加工區(qū)的材料[23]。

由于樹脂基體和碳纖維的熱物性參數(shù)差異較大,CFRP的燒蝕過程可分為三個步驟。當燒蝕溫度較低時,首先樹脂基體發(fā)生熱解反應,生成的氣體積累在材料內部無法及時排除,產生膨脹現(xiàn)象。其次,隨著溫度的逐步升高,熱解反應的范圍隨之擴大形成熱影響區(qū)(Heat Affected Zone,HAZ),內部壓力持續(xù)增加,導致CFRP的孔隙率增大,反而釋放了內部的氣體壓力,緩解了膨脹現(xiàn)象。最后,當溫度上升至碳纖維的氣化溫度時,樹脂基體已全部被分解,露出的碳纖維發(fā)生氧化和氣化反應,直至加工區(qū)域的碳纖維完全去除。值得注意的是,由于碳纖維的高熱導率,加工區(qū)域外的部分碳纖維容易發(fā)生末端膨脹,降低CFRP表面的精度,影響表面加工質量。

為探索激光加工CFRP的去除機理,Leone 等[24]觀察加工區(qū)域的表面形貌,提出了激光束與材料相互作用的三種模式,分別為燒蝕去除、熱分解去除和機械效應去除,如圖3所示。Ohkubo等[25]利用高速相機觀測到激光燒蝕CFRP的蘑菇狀噴發(fā)現(xiàn)象。同時通過模擬發(fā)現(xiàn)加工深度不同時,表面溫度分布隨時間變化溫差較大。特別是,當加工深度較淺時,材料表面的樹脂通過大范圍燒蝕被去除,隨著加工深度的增加,高溫燒蝕發(fā)生在切口附近,僅在切口周圍存在較大的熱影響,從而產生圓形的切割表面。Mathew等[26]發(fā)現(xiàn)CFRP中碳纖維和樹脂基體的熱物性差異及組分占比都會影響激光加工對材料內部的熱效應。

圖3 燒蝕去除、熱分解去除和機械效應去除示意圖[24]

可見,激光燒蝕過程發(fā)生了復雜的物理化學反應,這將直接影響CFRP的加工效果和表面質量。Wu等[27]探究了激光能量密度對CFRP產生的加工效果,結果表明,當采用連續(xù)激光和長脈沖激光加工CFRP時,激光對多層樹脂基體均造成燒蝕反應,樹脂基體的燒蝕時間長,導致加工孔壁的邊緣質量粗糙;當采用短脈沖激光加工CFRP時,燒蝕只發(fā)生在表面織物層,影響范圍小,燒蝕后的表面質量較好。Wang 等[14]利用高功率皮秒激光和低功率飛秒激光加工CFRP,對比了加工前后的表面形貌和元素成分含量,研究顯示,當采用高功率激光時,碳纖維及其樹脂基體容易發(fā)生氧化現(xiàn)象,氧化后的加工區(qū)域表面更容易出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象[28]。

2.3 超短脈沖激光與CFRP作用過程機理

CFRP屬于非金屬類材料,對電子有較強的束縛能力,通常非金屬材料的電子由束縛態(tài)激發(fā)成自由態(tài)所需能量高于單個近紅外光子能量。因此,只需要吸收單個或多個光子能量,價態(tài)電子即可發(fā)生光電離反應,被激發(fā)為自由態(tài)電子。然而,不同種類的激光具有不同的能量密度,產生的電離機制與電離方式也有差別,具體如表2所示。

表2 激光與非金屬相互作用光電離方式

依據(jù)Lambert-Beer定律[29],連續(xù)激光和長脈沖激光的功率密度小于1012W/cm2,即當這兩類激光輻射CFRP時,CFRP的吸光度與吸光物質濃度及吸收層厚度成線性關系,此時電離機制為線性效應,即一個價態(tài)電子吸收一個光子,若同時滿足寬禁帶小于單個光子能,電離方式則為線性電離。

超短脈沖激光的功率密度比連續(xù)激光和長脈沖激光高出多個數(shù)量級,單光子能量低,電離機制將轉變?yōu)榉蔷€性效應,而電離方式受激光功率密度影響。當激光功率密度處于1012～1013W/cm2時,電離方式以碰撞電離為主,雪崩電離為輔,如圖4所示。其作用過程如下,首先,當一個或者多個光子被束縛態(tài)電子吸收時,電子被激發(fā)變成自由電子。其次,自由電子在激光的連續(xù)加工作用下,繼續(xù)吸收光子,但光子與自由電子遵守能量守恒定律,吸收的光子能量將為自由電子提供動能。然后,運動的自由電子與束縛態(tài)電子發(fā)生碰撞進行能量交互,激發(fā)出新的自由電子。最后,已經(jīng)產生的自由電子將在重復循環(huán)碰撞束縛態(tài)電子,導致新增的電子數(shù)目極大地增加,這一系列的碰撞電離創(chuàng)造新自由電子的過程稱為雪崩電離,如圖5所示。在兩種作用的電離方式的作用下,材料內部形成高密度的等離子體結構,能量以等離子流的形式流失。

圖4 碰撞電離過程

圖5 雪崩電離過程

當激光功率密度提升至1013～1015W/cm2時,此時電離方式以多光子電離為主,如圖6所示。多光子電離過程是針對寬禁帶大于單個光子能的寬禁帶材質,其不足讓束縛電子被激發(fā),但由于束縛電子在高功率密度條件下能吸收多個光子聚積能量,導致禁帶寬小于束縛電子吸收能,繼而讓束縛電子被激發(fā)變成自由電子。當激光功率密度置于1015W/cm2時,若激光頻率較低,多光子電離過程變弱,但會伴隨產生隧道電離。所謂隧道電離是在高功率密度、低激光頻率條件下,電場導致束縛價帶電子的庫倫勢阱出現(xiàn)彎曲,導帶與價帶間的勢壘變薄,使得束縛電子可從價帶遂穿到導帶的過程。

圖6 多光子電離過程

2.4 CFRP對激光吸收與反射機理

當激光輻射在CFRP表面時,激光能量會被CFRP表面反射或吸收,其中,一部分進入CFRP內部而未被有效利用的能量向材料內部滲透,從而擴大激光加工的HAZ范圍。CFRP對激光的吸收率決定著激光輻射能量的有效利用率,CFRP對激光的吸收率越大,加工過程中吸收的能量越多,材料的加工效率也越高。

一般來說,激光的吸收方式可以分為面吸收和體吸收[30-31],其中碳纖維對激光能量吸收率高,屬于面吸收,輻射在CFRP表面的激光能量很快衰減,激光吸收主要發(fā)生在材料表面。而樹脂基體對激光能量的吸收率較低,屬于體吸收,不同樹脂基體的吸收系數(shù)也不相同,但都隨著波長升高而降低[32]。因此,CFRP對激光的吸收主要依靠碳纖維,碳纖維為長絲束狀,其側面形狀類似為圓柱體結構,當激光輻射在碳纖維表層時,入射角α在-90°～90°范圍內變化[33],如圖7所示。此外,輻射到碳纖維絲束之間的激光會發(fā)生多次反射,出現(xiàn)光陷效應現(xiàn)象。且碳纖維的體積分數(shù)及排列組成均會影響CFRP的光吸收率。

圖7 碳纖維表面反射角α變化[33]

為研究CFRP的吸收與反射特性,張永強等[34-35]運用雙積分球-光電測試系統(tǒng)記錄的方法,研究了CFRP對激光能量的吸收特性,結果顯示,在激光燒蝕前,碳纖維和環(huán)氧材料的吸收率隨激光功率增大而緩慢減小,其反射率反而逐步增加;在激光燒灼時,碳纖維和環(huán)氧材料的吸收率與反射率無顯著變化,不受激光功率影響。陳林柱等[36]對復合材料進行了激光耦合特性研究,得到了復合材料的激光吸收特性規(guī)律,如圖8所示。實驗結果表明,在激光輻照時間較短時,材料反射率呈現(xiàn)先降低后升高趨勢,且當反射率上升的同時透射率會出現(xiàn)一個波峰,原因是此時的激光輻照是對于材料的“表面處理”,提高表面光潔度;隨后溫升表面轉向穩(wěn)定狀態(tài),此時樹脂隨溫升而出現(xiàn)熱降解現(xiàn)象,材料的反射作用逐步增大,而透過率減小。Freitag等[37]對CFRP的激光吸收特性進行研究,并對單根碳纖維做出分析,研究表明,CFRP的激光吸收率主要受激光偏振方向和碳纖維的軸向角度變化的影響。Boley等[38]為研究FRP的吸收特性,對材料進行了數(shù)值模擬分析,依據(jù)激光在碳纖維和樹脂基體的折射率,構建了射線追蹤模型,以確定材料內的吸收率、吸收深度和反射光的角度分布,彌合了復合材料微觀和宏觀參數(shù)誤差。Emmelmann等[1]發(fā)現(xiàn)當激光波長不同時,材料對激光的吸收率也有變化,影響加工區(qū)域的HAZ寬度。此外,當采用波長較短的激光,其能量大部分會被碳纖維吸收,然后再傳遞到樹脂基體中;而對于波長較長的激光,激光輻射能量會被加工區(qū)域表層樹脂吸收,從而轉化為熱能。

圖8 不同功率密度下反射率(R)、透過率(T)、

上述構建的材料吸收率模型,是以理想分布的碳纖維為前提的,而實際中碳纖維排布是不均勻且隨機的。為此,章繼峰等[39]利用代表性體積元對復合材料力學性能進行了有限元仿真,并用隨機分布函數(shù)來表示碳纖維的生成,通過移動窗口法確定了代表性體積元的尺寸。Chippendale[40]為研究CFRP中的物性參數(shù),分別對比了蒙特卡洛生成法和去除法來構建非均勻碳纖維排布物質模型的差異,研究表明蒙特卡洛生成法產生的碳纖維體積所占比例較低,而生成法易造成碳纖維聚集效應。徐合兵[33]在電磁波傳導理論與碳纖維單軸晶體光學性質的基礎上,構建了碳纖維/樹脂微觀組織激光吸收率的計算模型,并依據(jù)光線追蹤模型對CFRP的吸收特性進行分析,研究顯示,在波長為532 nm的激光的輻射下,CFRP對能量的平均吸收率可達89.43 %,但隨著激光波長的增大,材料對能量的吸收率反而減小。碳纖維的隨機分布特征造成激光吸收率的波動,激光光斑直徑越小,吸收率波動越明顯。

CFRP的吸收與反射特性不僅與碳纖維和樹脂基體材料性質有關,而且和兩者的微觀組織構成有關。當前構建的CFRP模型多為均質模型,對碳纖維的非均布模型構建研究還不夠充分,導致CFRP的吸收與反射特性還無法精確計算。此外,激光工藝參數(shù),如激光光斑直徑、掃描移動、光束模式對CFRP的吸收與反射也有顯著影響。

3 超短脈沖激光加工CFRP缺陷及抑制方法

3.1 熱影響區(qū)

熱影響區(qū)(HAZ)會導致CFRP的靜態(tài)強度下降[41]。熱損傷區(qū)的損傷形式主要包括樹脂碳化、分層、裂紋等。造成熱影響缺陷的因素包括兩方面:其一,超短脈沖激光能量在空間上是服從高斯分布,當激光輻射加工材料表面時,光斑中心的四周的激光能量只能造成樹脂基體蒸發(fā)氣化,而碳纖維卻保留下來,加工區(qū)域邊緣形成熱影響區(qū)。其二,由于CFRP的碳纖維與樹脂基體熱傳導率存在極大差異,當激光輻射在加工材料表面時,邊緣的碳纖維會通過熱傳導將部分熱量傳遞到未被輻射區(qū)域,進一步造成更大范圍的熱影響區(qū),加工邊緣質量下降。此外,除材料自身特性外,CFRP的熱影響區(qū)還受其他因素的影響,如加工環(huán)境與工藝參數(shù)等,圖9總結了加工過程中影響CFRP加工質量的因素。

圖9 加工過程中影響CFRP加工質量的因素[42]

在激光類型選擇上,超短脈沖激光加工出來的材料表面質量更加光滑,且無材料分層等缺陷。Ye等[43]對比了納秒激光、毫秒激光和皮秒激光分別加工CFRP的微觀形貌,如圖10所示,結果表明在皮秒激光加工作用下,HAZ范圍極小,加工質量良好。Salama等[44]將不同類型激光器產生的HAZ寬度進行對比,研究發(fā)現(xiàn)在皮秒激光加工下,HAZ寬度最小。張開虎等[45]分別采用連續(xù)CO2激光、納秒激光(10 ns)、皮秒激光(15 ps)、以及0.4～ 6 ps內可調的超短脈7沖激光對CFRP進行切割研究,結果表明采用超短脈沖激光切割的邊緣質量要明顯光滑于長脈沖激光,HAZ范圍更小。由此可知,相比較于連續(xù)激光和長脈沖激光,超短脈沖激光具備獨特優(yōu)勢,因為此時激光與CFRP的相互作用機制發(fā)生根本性的變化。皮秒或飛秒激光可以獲取極佳的材料表面質量,熱影響范圍極大降低。

圖10 不同脈寬下激光加工CFRP形貌[43]

但在加工過程中,激光工藝參量的選擇會直接影響材料HAZ范圍。Finger等[46]運用高功率皮秒激光對CFRP進行鉆孔實驗探究,并給予氣體輔助加工,當脈寬為10 ps,重復頻率為200 kHz和掃描速度為7.5 m/s時CFRP加工孔的質量極好,其孔邊緣HAZ寬度在5 μm以下,實現(xiàn)了CFRP的精密加工。Wolynski等[47]發(fā)現(xiàn)激光加工所產生的的HAZ大小與波長有直接關系,波長越長,HAZ越大,加工深度越深;波長越短,HAZ越小,加工深度越淺。同時,Fujita等[48]對比了在不同激光波長下切割CFRP的加工質量,研究發(fā)現(xiàn),在激光波長越短,加工區(qū)域HAZ越小,切割效率也越高。Zhai 等[49]實驗探究了飛秒激光的衍射效應,通過控制離焦量、激光功率和脈沖數(shù)在CFRP加工區(qū)域表面制備多圈同心圓結構,研究發(fā)現(xiàn),由于飛秒脈沖激光對CFRP的作用時間極短且能量密度高,故當每次脈沖存在一定的時間間隔時,對加工表面造成的HAZ很小。侯紅玲[50]等研究了激光掃描角度對CFRP的熱影響和能量傳遞過程中的熱積累影響,通過仿真與試驗驗證得出,隨著掃描角度的增大,激光加工對材料的熱影響范圍越大。賀龍宇[51]運用飛秒激光的“雙旋轉”技術對1 mm厚的CFRP進行制孔研究,結論表明,飛秒激光的“雙旋轉”技術可以實現(xiàn)將孔入口HAZ控制在在20 μm 以內。

綜上所述,激光類型對CFRP的加工產生HAZ影響顯著,超短脈沖激光可以實現(xiàn)更佳的加工需求。由于碳纖維和樹脂基體對不同波長的吸收不同,故針對不同的激光波長,激光波長越短,單光子能量越高,樹脂基體吸收能量越多,材料去除效率增大,極大抑制HAZ產生。而相對于其他加工工藝參量,分別采用高功率、低重復頻率、高脈沖能量、短脈沖寬度、多道次時間間隔加工CFRP可以獲取更好的加工質量,但是上述加工工藝參量并不是簡單的隨機組合,需要深入加工環(huán)境,研究加工工藝參量之間的相互影響,確定最佳的工藝參數(shù),減小HAZ。目前,通過優(yōu)化加工技術與激光工藝參數(shù)來抑制HAZ缺陷,已經(jīng)獲得了一定的成效。但是,試驗中的激光功率與工業(yè)上的要求還存在一定差距,激光功率過高,熱影響范圍定會急劇上升,所以HAZ缺陷還沒有完全在工業(yè)應用上得到完全解決,需要進一步研究發(fā)展。

3.2 錐 度

超短脈沖激光加工厚度大的CFRP時,其切縫的錐度是無法避免的[52-53]。其成因有二,其一是在激光輻射CFRP過程中,能量會被加工區(qū)域材料吸收或反射,隨著加工深度的增加,等離子體屏蔽、陷光效應減弱。其二是超短脈沖激光能量服從高斯分布,當深度增加時,激光能量的聚焦面與加工區(qū)域平面分離,由此導致加工錐度。

為了減小加工過程出現(xiàn)的錐度過大問題,在工藝技術研究上,AlWaidh等[54]對CFRP進行制孔研究,試驗將高斯截面光斑矩形化,研究表明,矩形光斑制得孔的最小錐度為 1.7°,一定程度上改善了孔錐度。Herrmann 等[55]為比較同軸環(huán)制孔和螺旋制孔工藝的差異,運用皮秒激光加工CFRP對比孔錐度大小,研究表明,同軸環(huán)制孔工藝所制孔最小錐度約為 1.25°,而螺旋制孔工藝所制孔錐度僅為約 0.75°,螺旋制孔工藝比同軸環(huán)制孔工藝更優(yōu)良。TAO 等[56]利用皮秒激光對CFRP進行鉆孔研究,分別采用同軸環(huán)制孔(如圖11所示)和雙光束制孔兩種工藝,對所制孔錐度進行比較。研究表明,兩種工藝制孔方案雖均會造成較大的孔錐度,但同軸環(huán)制孔工藝相比雙光束制孔工藝所得孔錐度更小。Jiang[53]等采用飛秒激光與新型螺旋鉆削裝置相結合的技術,對CFRP進行孔加工實驗。結果表明,采用螺旋激光鉆孔可以在孔表面實現(xiàn)更均勻的激光功率分布,降低激光脈沖對材料同一位置的作用時長,并對飛秒激光參數(shù)進行合理選擇,最終得到加工后的材料孔錐度< 0.32°。Li等[57]為研究CFRP鉆孔技術,提出了一種交錯掃描方式(ISM),這種方式相比傳統(tǒng)順序掃描(SSM)更具優(yōu)越性,能有效緩解相鄰激光束掃描路徑的熱積累效應。在合適的激光參數(shù)選取下,ISM技術相比SSM可將孔錐度降低55.48 %(0.138到0.067)。Ouyang等[58]運用皮秒激光“雙旋轉”切割技術對CFRP進行鉆孔實驗,如圖12所示。實驗表明利用“雙旋轉”切割技術對CFRP進行加工,不僅能提高制孔的效率,同時還能避免由傳統(tǒng)掃描方式引起的熱積累,切削區(qū)域表面粗糙度值小于6.5 μm,熱影響區(qū)約為50 μm,鉆孔精度約為60 μm,鉆孔錐度為約0.64°。由此可知,通過改變激光與材料的作用方式,可以減小材料的熱熔化等熱效應,合適的加工方式可以顯著提升皮秒、飛秒激光的加工精度和效率。

圖11 同軸環(huán)制孔工藝示意圖[56]

圖12 皮秒激光加工機理圖和雙旋轉加工方法[58]

關于激光光束焦平面與被加工材料表面位置關系,李琳琳[59]在采用飛秒激光加工CFRP時,認為焦平面是一個十分關鍵的因素。由于激光光束自身具備一定的焦深,且當加工CFRP厚度較大時,焦深距離不一定能夠滿足被加工材料的尺寸要求。但超短脈沖激光系統(tǒng)可利用Z軸及檢測系統(tǒng)在加工時通過參數(shù)設置實現(xiàn)焦平面與被加工材料表面重合,極大提高激光能量有效使用。高培英[60]、李琳琳[59]采用飛秒激光研究了激光光束焦平面與被加工材料表面距離關系有零焦離、正焦離與負焦離,如圖13所示。實驗研究表明在已知加工深度的情況下,控制激光光束單次進給距離以此實現(xiàn)零離焦或者正離焦,可增大材料的去除率,且可減小被加工區(qū)域錐度。此外,在工藝參數(shù)對切縫錐度的影響研究上,Salama等[61]在同軸環(huán)制孔技術基礎上,運用皮秒激光對厚的CFRP進行制孔研究,試驗結果表明,激光功率的大小對孔錐度有很大影響,功率越大,孔錐度會顯著降低。

圖13 激光光束與待加工表面位置關系示意圖[60]

綜上所述,CFRP加工厚度越大,切縫表面錐度也會增大。將激光工藝參數(shù)中的激光功率增大,切縫錐度會得到明顯改善效果。一般情況下,通過將高斯能量分布矩形化或者對激光加工方式進行改進,如采用螺旋制孔或雙旋轉制孔工藝,都可以實現(xiàn)錐度減小或實現(xiàn)近似無錐度。此外,采用激光與新型螺旋鉆削裝置相結合或新的特殊交錯掃描方式,通過設置激光最佳參數(shù)均可減小加工錐度產生。同時,控制激光光束與被加工材料表面呈現(xiàn)零離焦或者正離焦,并用多線加工,不僅能有效提高材料的去除效率,而且能對減小錐度有良好的效果。激光光束的入射角度的選擇對錐度也有很大影響,通過特殊裝置可以任意改變激光光束的入射角度來優(yōu)化已成型表面錐度,亦可作為改善切縫表面錐度的新方式。

4 總結與展望

超短脈沖激光加工CFRP可以獲取高水平加工質量,實現(xiàn)對材料的“冷加工”。本文對超短脈沖激光加工CFRP的研究現(xiàn)狀進行了梳理,首先,分析了CFRP的結構組成和材料屬性,由于碳纖維和樹脂基體的熱物性差異,且多層鋪設方向不一,便使得激光加工CFRP時會出現(xiàn)樹脂剝落、結構分層、碳纖維拔出等缺陷。其次,歸結了激光與材料的加工機理,對材料的去除機理、相互作用過程機理進行了充分討論,其中激光燒蝕以及材料熱解引起的機械侵蝕是CFRP去除機理的一個重要因素。然后,討論了CFRP對激光的吸收與反射特性,CFRP的吸收與反射特性不僅與碳纖維和樹脂基體材料性質有關,而且還受到兩者的微觀組織構成的影響。最后,總結了加工過程中產生的兩種常見缺陷,分析了每類缺陷成因并做出詳細歸納總結,并針對每類缺陷提出相應抑制方法,對實現(xiàn)超短脈沖激光的高精密加工提供借鑒。

基于此,針對超短脈沖激光加工CFRP還應該進行以下研究:

(1)在構建CFRP模型時,目前研究中多數(shù)模型結構還比較單一,不能充分考慮實際碳纖維和樹脂的占比和排布,導致模擬分析數(shù)據(jù)還不夠精確,故需要進一步優(yōu)化模型構建,做到精準分析。

(2)目前對于超短激光加工CFRP的理論研究還處于初步階段,應該優(yōu)化實驗方法,進一步分析相互作用理論,深入對多能場輔助激光加工的研究,朝著加工的低經(jīng)濟損耗、高精密質量發(fā)展。

(3)超短脈沖激光雖然能實現(xiàn)材料的高質量加工,但相比其他方式激光加工,其加工效率低下。故可深入研究激光加工參數(shù)對加工效率的影響,也可優(yōu)化加工工藝方法,如采取多次加工,先采用長脈沖激光粗加工,再使用超短脈沖激光精細加工CFRP,以此實現(xiàn)材料的高質量、高速率加工。