碳纖維復合材料激光切割實驗研究

□ 宋抒航

東北石油大學 機械工程學院 黑龍江大慶 163000

近年來，隨著能源儲存問題及能源過度消耗問題的日益突出，交通運輸行業正在發生一系列變化。電動技術及輕量化車身結構概念日益流行［1］，在電動技術基礎上，如果能夠盡快地應用輕量化車身結構，則能源成本將會大大降低。在汽車行業中，碳纖維復合材料（CFRP）被認為是滿足車身輕量化開發的未來關鍵材料，與傳統材料如鋁合金或者鋼材等相比，CFRP材料具有一系列優點，如比強度高、硬度高及較好的抗腐蝕性能等。雖然CFRP材料已經在高端運動器材及航空領域有所應用，但在其它領域中大規模應用還面臨著一些難題，如碳纖維復合材料的連接、切割及回收再利用等。

目前普通的CFRP材料的切割工藝主要有高速銑削及水射流切割兩種。銑削加工工藝可靠，但是銑削過程中往往由于刀具磨損帶來切割表面質量不高的問題［2］。水射流切割是一種新型的復合材料切割工藝，其具有經濟、環保及切割質量高等優點，但是受限于進給速度慢，此工藝并不能應用于大規模生產［3］。

激光切割是近年來興起的一項新型金屬材料加工技術，激光切割技術已經在金屬材料切割應用中取得了較好的成果，激光切割可以獲得好的切割質量，隨著激光功率的增加以及新型激光器的誕生，激光切割越來越受到工業應用的歡迎。由于激光光束質量好，激光功率密度高，這就使碳纖維材料的氣化很容易。文獻［4］利用Nd:YAG激光器研究了激光參數對CFRP材料切割質量及熱影響區 （Heat Affected Zone-HAZ）的影響。文獻［5］證實了激光切割CFRP材料過程中激光參數與CFRP材料的靜力強度間關聯密切。文獻［6］通過將激光能量進行多次施加，有效減小了激光切割CFRP材料熱損傷效應。文獻［7］利用單因素實驗法對激光脈沖能量、切割速度等參數及激光切割CFRP材料表面質量進行了研究，得到了激光切割CFRP材料的一些理論結果。

1 試驗方法

為了實現對CFRP碳纖維高效切割，筆者利用高功率Nd:YAG固態激光器對普通碳纖維復合材料及添加炭黑顆粒碳纖維復合材料分別進行激光切割實驗，增強纖維為T300，其纖維體積含量約為45%，基體為環氧樹脂，對稱鋪層，屬正交層復合板，厚度為2.2 mm，這種CFRP材料常被應用于電動汽車結構件中。為了分析切割表面質量，利用掃描電子顯微鏡觀察了激光切割后截面的特征形貌，能夠為碳纖維復合材料失效機理提供理論基礎及實驗依據。

實驗參數見表1所示，激光切割CFRP材料的基本原理，在于通過激光熱效應將切口處的材料燒蝕除去，因此，部分碳纖維和環氧樹脂都需要被分離。環氧樹脂大約在500℃氣化，而纖維材料氣化溫度需要達到甚至超過3 000℃。實驗中應用激光波長為1 068 nm，可以達到所需要的燒蝕能量。

表1 激光切割參數

2 試驗結果與討論

2.1 激光切割普通CFRP材料

采用激光脈沖能量為1.5 J，頻率為200 Hz，切割速度為100 mm/min。當切割區域纖維體積含量較高時，激光切割獲得了較高質量的切口表面，如圖1所示，從圖1中明顯看出，激光束進口及出口區域均存在環氧樹脂分層現象，分層可從切割線向外增大至1 mm寬度，如果激光束通過區域纖維含量稍低，則普通CFRP材料會在切割區域局部產生裂紋，如圖2所示。

大量裂紋萌生于兩層纖維之間的環氧樹脂層，這些裂紋的存在明顯降低CFRP材料的抗疲勞強度，這對于結構件而言是不能接受的。裂紋的產生，盡管位于上下兩層纖維層之間的環氧樹脂層是完整的，環氧樹脂層之下的碳纖維層已經被激光作用發生了消融，這主要是因為環氧樹脂層對激光是透明的，激光束可以透過環氧樹脂層輻照下層的碳纖維成分。這就意味著消融過程產生的氣體會由于體積膨脹產生高壓，在高壓力下使普通CFRP材料產生分層或者裂紋。

2.2 激光切割熱影響區域

激光切割普通CFRP材料能夠在切割區域附近產生熱影響區，熱影響區的寬度與多次激光輻照之間的時間間隔關系密切。當時間間隔短時，一般熱影響區會大，圖3所示為當時間間隔為100 ms時，激光切割普通CFRP材料獲得的熱影響區，這種情況下，熱影響區的寬度達到了1 mm，從圖中的黑色部分可看出，環氧樹脂和纖維層都受到了熱損傷。圖4所示為時間間隔為150 ms時，激光切割獲得的熱影響區，從圖中可看出，隨著時間間隔的增加，熱影響區的寬度呈減小趨勢。因此，需多次激光作用時應確保合理的時間間隔。

2.3 激光切割添加炭黑顆粒CFRP材料

▲圖1 纖維含量高的切口面

▲圖2 纖維含量低的切口面

相對于普通CFRP材料而言，在環氧樹脂中添加了炭黑顆粒的CFRP材料更易于激光加工，添加炭黑顆粒后，激光切割部分容易分離，而且，切口處裂紋數量明顯減少，如圖5所示，從圖中可看到，激光束進口和出口處環氧樹脂燒蝕較輕。與環氧樹脂相比，添加炭黑顆粒的樹脂材料可以被直接燒蝕。環氧樹脂層材料疏松多孔，可以極大地影響環氧樹脂對激光輻照的吸收情況，因此在基體樹脂材料中添加炭黑顆粒能夠明顯改善切割面的表面質量。另外，需要強調的一點是，在樹脂基體材料中添加炭黑顆粒的CFRP材料樣本中纖維容積含量為53%，這可能會對激光切割性能有好處，但是并不能解釋為什么切口質量能改善。

▲圖5 激光切割添加炭黑顆粒的CFRP材料切口形貌

▲圖4 時間間隔150 ms時的熱影響區

▲圖3 時間間隔100 ms時的熱影響區

3 結論

通過對普通CFRP材料及對基體樹脂添加炭黑顆粒的CFRP材料進行激光切割實驗，得出了如下結論。

（1）對基體樹脂添加炭黑顆粒后的復合材料可以獲得良好的激光切割性能，切口表面質量明顯好于普通CFRP材料，且添加炭黑顆粒可以使切口表面裂紋數量明顯減少，大幅改善CFRP材料抗疲勞性能；

（2）在基體添加炭黑顆粒后，激光切割CFRP材料進口及出口層分離現象減輕，切割部分容易分離，切口形貌明顯好于普通CFRP材料；

（3）多次激光加工時，時間間隔長短對熱影響區的影響很大，隨著時間間隔的增加，熱影響區寬度逐漸減小。

［1］ 李永兵，李亞庭，樓銘，等.轎車車身輕量化及其對連接技術的挑戰［J］.機械工程學報，2012,48（18）：44-54.

［2］ 徐倩，星建民.磨削參數對航空碳纖維復合材料磨削力的影響［J］.機械工程材料，2013,37（6）：52-60.

［3］ 胡勝成，韓萍.水射流切割技術及其應用［J］.金屬加工，2014（6）：60-62.

［4］ C Leone,N Pagano,V Lopresto,et al.Solid State Nd:YAG Laser Cutting ofCFRP Sheet:Influence ofProcess Parameters on Kerf Geometry and HAZ ［C］.International Conference of Composite Materials,Edinburgh,2009.

［5］ Herzog D,Jaeschke P,Meier O,et al.Investigations on the Thermal Effect Caused by Laser Cutting with Respect to Static Strength of CFRP［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2008,48(12-13):1464–1473.

［6］ Bastick S,Jaeschke P,V lkermeyer F,et al.Evaluation of a Novel Process for an In-situ Sealing of the Cutting Edge during Laser Cutting of Carbon Fiber Reinforced Plastics(CFRP) ［C］. The 30th International Congress on Appliocations of Laser﹠Electro-Optics （ICALEO 2011）Orlando,FL,2011.

［7］ 華銀群，肖淘，薛青，等.激光切割碳纖維復合材料的實驗研究［J］.激光技術，2013,37（5）：565-570.