陳興華,榮佑民,李文元,吳從義,陳 龍,黃 禹,張國軍

(華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

1 引 言

碳纖維增強復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有比強度高、比模量大、耐腐蝕性好、熱膨脹率低等優(yōu)點,在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。然而,層間強度低、各向異性使常規(guī)的機械制孔產(chǎn)生分層、毛刺等缺陷,并伴隨嚴重的刀具磨損[2]。多種特種加工方法應(yīng)運而生,磨料水射流[3]、電火花[4]等非接觸式加工方法,由于無刀具磨損、無刀具切削力等特點,受到研究人員的關(guān)注。但是磨料水射流加工效率低、磨料水處理困難;電火花加工精度差且需要頻繁更換電極,存在一定的局限。

皮秒激光[5]加工是一種非接觸式的高精度加工方法,加工靈活性高、無刀具磨損,是CFRP孔切割的重要途徑[6]。但CFRP的各向異性以及兩相較大的熱力學(xué)性能差異,使激光切割過程中存在熱量的累積、傳遞,產(chǎn)生嚴重的熱影響區(qū)(Heat-affected Zone,HAZ)、分層及微裂紋等熱損傷[7],從而影響CFRP孔的質(zhì)量。Wahab[8]證明了HAZ嚴格依賴于激光光源類型和加工工藝參數(shù),并指出脈沖重復(fù)頻率和脈沖持續(xù)時間是影響切縫寬度的重要因素。Wolynski[9]等人研究了波長對皮秒激光切割質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)皮秒激光波長越短,HAZ越小,切割質(zhì)量越好。Salama等人[10]研究400 W皮秒激光器多環(huán)材料去除方法,得到了HAZ為25 μm的高質(zhì)量孔。Negarestani[11]等人發(fā)現(xiàn)激光光束聚焦在材料下方有效降低熱損傷程度,且多道次切割、高激光掃描速度和低激光功率下顯著減小分層缺陷的數(shù)量。

綜上,針對皮秒激光加工CFRP的工藝參數(shù)及加工路徑的優(yōu)化已經(jīng)有了很多研究。然而,在工藝條件基礎(chǔ)上有效的輔助加工手段并不多。為此,本文研究CFRP硅油輔助皮秒紫外激光低損傷制孔工藝。探究硅油輔助對孔微觀形貌及HAZ的影響,分析制孔圓度、錐度的變化規(guī)律,為激光高質(zhì)量制孔提供參考。

2 實驗方案

2.1 實驗裝置與材料

圖1為皮秒激光切割示意圖。激光光源為波長355 nm的皮秒紫外激光器,脈沖寬度15 ps,最大輸出功率30 W(800 kHz),脈沖重復(fù)頻率可調(diào)節(jié)范圍100 kHz～1 MHz;3D數(shù)字振鏡,其主要參數(shù)為:掃描速度0.1～5000 mm/s,定位精度<1 μrad,三維幅面120 mm ×120 mm ×10 mm,遠心聚焦場鏡焦距167 mm。此外,需要煙塵過濾器用來吸收激光切割CFRP過程中產(chǎn)生的CO、苯酚等有害氣體。

圖1 皮秒激光切割示意圖

實驗用T700環(huán)氧樹脂基碳纖維板,尺寸為100 mm ×100 mm ×2 mm,材料內(nèi)部層壓板由12層纖維排向為[ 0°/ 90°]s的單層層壓板構(gòu)成,碳纖維絲直徑為7 μm,體積分數(shù)為57 %。CFRP具體參數(shù)見表1。

表1 CFRP物理特性

2.2 實驗參數(shù)選擇

實驗用激光器平均功率及單脈沖能量隨激光重復(fù)頻率同步變化(如圖2所示)。當(dāng)重復(fù)頻率增加至大于400 kHz時,由于平均功率過大,環(huán)氧樹脂基體持續(xù)在CFRP表面燃燒,在孔切口處留下嚴重的燒蝕痕跡,并且切開的材料分層脫落。如圖3(a)、3(b)所示,激光重復(fù)頻率500 kHz、掃描速度1500 mm/s時,被切開的CFRP層間環(huán)氧樹脂汽化,層間脫落。圖3(c)為激光掃描方向與纖維排向垂直處SEM圖,切口處有生成重鑄層,切割表面有碳化基體和濺射雜質(zhì)附著。

圖2 激光重復(fù)頻率與功率、單脈沖能量關(guān)系

圖3 激光重復(fù)頻率500 kHz、掃描速度1500 mm/s孔切口情況

激光重復(fù)頻率低于400 kHz,掃描速度600～2400 mm/s時,研究激光切割的表面質(zhì)量,設(shè)計激光重復(fù)頻率和掃描速度的全因子實驗,研究這兩個重要工藝參數(shù)對制孔表面HAZ尺寸、孔圓度、錐度的影響。為降低隨機誤差,每組參數(shù)重復(fù)切割三次。其實驗參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 實驗參數(shù)設(shè)計

2.3 實驗流程設(shè)計

同心圓切割法是最普遍的激光加工CFRP通孔的方法[12]。本次實驗在2 mm厚的CFRP板上進行φ8孔的切割,激光焦點聚焦于材料表面,掃描路徑設(shè)置為20個同心圓(同心圓間距為40 μm),逐層掃描。

二甲基硅油是穩(wěn)定性較好的惰性液體,其高溫穩(wěn)定性好,熱傳導(dǎo)低。主鏈為Si-O-Si,其Si-O鍵能高于355 nm紫外激光的單光子能量,并且不會對該波段的紫外激光造成衰減,理論上是合適的輔助激光加工液體。通過全因子實驗,綜合表面HAZ尺寸、孔圓度、錐度等指標(biāo),研究硅油輔助加工的可行性。

皮秒激光加工后,利用超聲波清洗機對樣品進行五分鐘的清洗,去除切割表面濺射物及殘渣,并利用掃描電鏡對加工后表面微觀形貌進行表征分析。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 硅油對內(nèi)部缺陷的微觀影響

圖4為重復(fù)頻率300 kHz CFRP皮秒激光制孔與硅油輔助制孔時,孔上表面的微觀形貌圖。發(fā)現(xiàn)(1)皮秒激光制孔后熱損傷形式有切口處的纖維裸露、纖維末端膨脹以及遠離切口處基體受損產(chǎn)生的纖維條紋;(2)硅油輔助皮秒激光制孔表面熱缺陷明顯較小,尤其是基體受損區(qū)域;(3)兩種切割條件下均存在由于雜質(zhì)濺射產(chǎn)生的孔洞。

圖4 皮秒激光制孔孔表面SEM Fig.4 Surface SEM of picosecond laser drilling hole

圖4(a)中體現(xiàn)出的熱損傷有拔出纖維末端膨脹和基體受損區(qū)纖維條紋明顯、孔洞密集。激光光斑掃描方向與纖維排向垂直處,能量沿纖維傳遞,在遠離切口處,這些能量雖不足以汽化基體,但有一定程度的受熱燒蝕,尤其是當(dāng)碳纖維板上表面首層纖維排布較淺,基體厚度較薄時,就會有明顯的纖維條紋。觀察到圖4(b)相同工藝條件下無此現(xiàn)象,說明傳遞到此處的能量被硅油抑制。

圖5是激光重復(fù)頻率200 kHz、300 kHz時孔壁面的SEM圖像。圖5反映出:(1)隨著切割深度的下降,孔壁面越來越粗糙;(2)無論是否有硅油輔助,纖維排向0°層(即光斑掃描方向與纖維排向垂直層)均發(fā)現(xiàn)碳纖維間的間隙不均勻,具體表現(xiàn)為密集孔洞;(3)重復(fù)頻率300 kHz時,纖維排向90°層處出現(xiàn)數(shù)量較多的裂紋。圖5(a)、5(b)中出現(xiàn)的孔洞及裂紋,會使CFRP服役期間發(fā)生分層失效,影響使用壽命。重復(fù)頻率200 kHz時,纖維排向90°層未出現(xiàn)裂紋,隨著重復(fù)頻率增大,出現(xiàn)面積小、密度較大的微裂紋。而在纖維排向0°處的密集孔洞在重復(fù)頻率200 kHz時主要集中在孔的上部,隨著重復(fù)頻率增大至300 kHz,密集孔洞出現(xiàn)在較深的部位。孔洞及裂紋均是由于碳纖維之間基體沿纖維汽化消失產(chǎn)生,由于碳纖維較大的熱導(dǎo)率,使纖維排向0°處極易產(chǎn)生孔洞,但是圖5(d)反映硅油輔助后,隨著重復(fù)頻率增加至300 kHz,孔洞并未向深度方向擴展,并且由于基體雜質(zhì)存在,孔上部的孔洞也有所減小。

圖5 皮秒激光制孔孔壁SEM Fig.5 SEM of hole wall made by picosecond laser

3.2 硅油對HAZ的影響行為

圖6、圖7顯示了不同工藝參數(shù)組合在激光制孔與硅油輔助制孔時,孔上表面激光掃描方向與纖維垂直部位的形貌圖。圖6中可以觀察到切口處有基體附著、纖維拔出,以及激光重復(fù)頻率較高時,由于基體汽化、纖維裸露產(chǎn)生的不均勻切口。而硅油輔助激光切割后,切口表面無明顯HAZ。激光重復(fù)頻率350 kHz、掃描速度2400 mm/s時切口處有輕微纖維裸,HAZ寬度為12.3 μm。硅油輔助后HAZ有被明顯抑制的現(xiàn)象,尤其是遠離切口處的基體受損區(qū)被完全消除,這種現(xiàn)象說明硅油能夠阻止熱量從切口往外傳導(dǎo)。

圖6 不同參數(shù)下激光制孔的典型熱損傷

圖7 硅油輔助后各參數(shù)的典型熱損傷

圖8為硅油輔助皮秒激光制孔后HAZ在激光重復(fù)頻率及掃描速度變化下的趨勢圖。圖中反映出HAZ隨著掃描速度增大而增大的現(xiàn)象,這主要是因為硅油具有良好的潤滑性,激光掃描速度過快,切割表面的硅油向周邊擴散,硅油的輔助效果削弱。掃描速度為600 mm/s時,四個不同的激光重復(fù)頻率形成的HAZ差異不明顯,均小于5 μm,但重復(fù)頻率350 kHz時HAZ誤差棒較大,切割表面均勻性較差。

圖8 硅油輔助激光制孔HAZ變化趨勢

值得注意的是激光重復(fù)頻率250 kHz時,HAZ最大,整體來看,HAZ隨著激光重復(fù)頻率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。短脈沖激光與材料作用時,由于光化學(xué)裂解和光熱蝕除,會產(chǎn)生熱蒸汽和等離子體,他們帶來的反推力會加快材料的去除,也就是所謂的機械剝蝕[13]。當(dāng)激光重復(fù)頻率300 kHz、350 kHz時,較高的功率能量帶來較大的機械剝蝕能力,因此HAZ較小。而激光重復(fù)頻率為250 kHz 時,平均功率較低,且機械剝蝕能力較小,材料蝕除能力弱,更多次數(shù)的光斑掃描帶來更大的HAZ。

較慢的掃描速度和較低的重復(fù)頻率可以獲得HAZ在5 μm左右的切割表面。尤其是掃描速度為1200 mm/s時,HAZ及誤差棒均較小,圖7中也可看出切割表面較為均勻,無明顯熱缺陷。整體觀察圖8,發(fā)現(xiàn)掃描速度對HAZ的影響最大,他主要是影響了硅油在切割表面的分布。

3.3 硅油對加工精度的影響

圖8反映出激光重復(fù)頻率為200 kHz、300 kHz時,HAZ普遍較小,圖9(a)為該重復(fù)頻率下,激光制孔及硅油輔助激光制孔上表面半徑及其圓度。激光加工的孔并不是一個規(guī)則的圓,圖中的誤差棒表示孔入口輪廓在一組同心圓中波動時,兩同心圓的半徑差,它反映了孔的圓度。圖9觀察到:(1)隨著激光掃描速度的增大,孔半徑整體呈下降趨勢;(2)硅油輔助切割后,孔入口直徑減小;(3)相同工藝參數(shù)下,硅油輔助使孔圓度變差;(4)激光掃描速度較小時,孔圓度誤差小,但孔半徑大,材料被過度蝕除。因此,硅油通過抑制能量的傳導(dǎo),雖然HAZ降低,但同時也導(dǎo)致了切口處用于加工材料的能量的減小以及不均勻,使切口不夠平整,孔圓度變差。

圖9 激光制孔時孔半徑及誤差

圖10為200 kHz、300 kHz時硅油輔助激光制孔時孔錐度隨掃描速度的變化趨勢。硅油輔助皮秒激光制孔錐度減小,尤其是在200 kHz、600 mm/s時,錐度減小了16.09 %。隨著切割深度、掃描速度的增大,皮秒激光對CFRP的蝕除能力下降,深度越大,光束在切縫內(nèi)受激光散射、等離子體屏蔽等影響,能量衰減越大,直接影響孔的錐度。此外孔出口表面并不是一個標(biāo)準(zhǔn)的圓,而是一個橢圓,并且光斑與纖維平行的方向優(yōu)先切透(圖11)。這與碳纖維的熱導(dǎo)率有關(guān),沿著纖維方向的熱導(dǎo)率遠高于纖維徑向,因此當(dāng)光斑掃描方向與纖維方向垂直時,能量從切口沿纖維方向產(chǎn)生熱損傷,而光斑掃描方向與纖維方向垂直時,能量熱傳導(dǎo)減小,切口處由于熱量累積造成深度方向更大的蝕除量。

圖10 硅油輔助制孔孔錐度

圖11 孔出口表面

激光束與材料的相互作用如圖12,作用機理包括燒蝕、汽化、以及機械剝蝕。燒蝕主要集中在基體材料上,因為其較低的汽化溫度和較低的熱導(dǎo)率,使其碳化甚至燃燒,導(dǎo)致較大的熱損傷。機械剝蝕則是由于熱蒸汽和等離子體的反推力導(dǎo)致脈沖間材料的去除,機械剝蝕可以提高材料的去除率,帶走雜質(zhì),但同時可能會使雜質(zhì)濺射到加工表面,清洗后留下孔洞等。硅油輔助首先抑制表面熱傳導(dǎo),使能量集中在加工范圍內(nèi);其次雜質(zhì)濺射在表面,落在硅油上,清洗后,使表面孔洞數(shù)量減小,孔表面HAZ減小、質(zhì)量提高。同時硅油主要作用于上表面,抑制熱傳導(dǎo),使孔上表面孔徑減小導(dǎo)致孔的錐度變小。

圖12 脈沖激光材料去除機理

4 結(jié) 論

(1)皮秒激光制孔時,孔上表面存在纖維裸露和基體損傷,孔壁面有裂紋、孔洞產(chǎn)生,而硅油輔助制孔均可降低此類損傷的程度。

(2)硅油輔助制孔時,激光重復(fù)頻率200 kHz,掃描速度1800 mm/s時刻獲得一個HAZ為4.1 μm的高質(zhì)量孔。并且掃描速度為600 mm/s時,激光重復(fù)頻率對HAZ影響較小,HAZ均在5 μm左右。

(3)硅油輔助皮秒激光加工能夠降低孔的錐度,在工藝參數(shù)組合200 kHz、600 mm/s下,錐度減小了16.09 %。

(4)較低的重復(fù)頻率、較慢的掃描速度可以獲得HAZ小、孔上表面圓度好、錐度較小的優(yōu)質(zhì)孔。