碳纖維增強復合材料水導激光加工實驗研究

鄭志龍 趙玉剛 劉 謙 王 珂 周海安 宋 壯 代 迪 張夏駿雨

山東理工大學機械工程學院，淄博，255000

0 引言

碳纖維增強復合材料(carbon fiber reinforced plastic，CFRP)是一種由樹脂和碳纖維組成的新型結構材料，具有高強度、高剛度、高質量熱容、低密度、低熱膨脹系數等優良性能，廣泛應用在航空航天、軍工、汽車工業等先進技術行業領域[1-4]。CFRP具有復雜的各向異性、層間強度低等特點，同時是一種難加工材料，傳統的機械加工過程中存在刀具易損壞、材料分層、纖維拉出、產生殘余應力、引起撕裂和毛刺而導致加工質量低等問題[5-7]。

為了滿足CFRP的加工精度要求，急需尋找適合的加工方法。激光加工技術具有不與工件接觸、不產生切屑力、加工變形小、無刀具磨損等優點，在加工高強度、難加工材料等方面逐漸占據優勢。GOEKE等[8]通過研究發現：激光輻射波長和材料的吸收影響了熱影響區尺寸大小；隨著進給速度的提高，熱影響區和切縫都在減小。RIVEIRO等[9]研究了CO2激光器切割CFRP的加工參數對激光切割效率和切割質量的影響，結果表明，激光加工的熱影響區是不可避免的，但可以通過選擇合適的工藝參數達到使其最小化的目的，以獲得良好的加工質量。LEONE等[10]利用150 W Nd:YAG脈沖激光切割1 mm厚的CFRP，分析了不同工藝參數對狹縫熱影響區和幾何形狀的影響，實驗結果表明，為了獲得最大切削速度和較窄的熱影響區，需要選擇合適的工藝參數，此外還得到了熱影響區擴展范圍和各參數之間的關系。激光加工CFRP雖然可以解決刀具磨損和材料結構損傷的問題，但由于纖維與樹脂基體具有迥異的熱物理特性，各層碳纖維束鋪設方向不同，CFRP具有復雜的各向異性，采用傳統干式激光切割會產生過熱影響區、纖維拔出、材料分層、纖維端部膨脹等熱損傷缺陷。

水導激光加工技術是一項以微細水射流引導激光至被加工工件進行切割的復合型加工技術[11]。水導激光切割過程中水射流具有沖刷和冷卻作用，能迅速帶走加工處的殘余熱量和燒蝕產物，減少激光對CFRP造成的熱損傷，解決了傳統激光加工中存在的諸多弊端。國內外許多學者對此進行了相關研究。HOCK等[12]采用532 nm波長的激光對不銹鋼薄片和黃銅薄片進行了傳統激光和水導激光加工，相比之下傳統激光雖然效率高，但加工區域有很厚的沉積層和熱影響區，而水導激光加工處則沒有殘渣，切縫小，且幾乎無熱影響區。WAGNER等[13]分別采用水射流引導激光加工技術和傳統干式激光加工技術進行了切割金屬板材實驗，結果表明，在相同的切割速度和加工效率下，由于水射流在脈沖間隙的沖刷和冷卻作用，水射流引導激光加工技術使切割表面沒有毛刺和熱影響區。孫冬等[14]構建了一套基于離軸光學系統的水導激光加工設備，實現了對0.2 mm厚304不銹鋼的切割。QIAO等[15]進行了水射流引導激光微加工單晶硅的實驗研究，討論了水射流引導激光微加工的參數與表面形貌變化、最大縱橫比變化和切縫邊緣變化之間的關系，在多次往復切割條件下得到的切縫縱橫比為12.7。

綜上所述，與傳統干式激光加工CFRP相比，水導激光加工技術在減少熱影響區和增加燒蝕深度方面具有潛在的優勢。迄今為止，關于水導激光切割CFRP的報道較少。本文進行了水導激光加工技術CFRP的切割實驗，分析了各工藝參數對溝槽截面幾何形貌變化以及熱影響區的影響規律以及形成機理，得到了較好的溝槽截面形貌。

1 實驗

1.1 實驗原理

圖1所示為水導激光加工CFRP的原理。水導激光切割技術是將激光技術與水射流技術相結合，激光束經聚焦系統耦合進入穩定的微細水射流內表面，利用激光束在水和空氣中的折射率不同，實現激光沿微細水射流水柱的內部以全反射方式傳導，射向被加工工件。在水導激光切割CFRP的過程中，由于纖維與樹脂基體具有迥異的熱物理特性，環氧樹脂在達到熔點后被水射流沖刷去除，而碳纖維在達到升華閾值后才會升華去除；同時利用水射流的沖刷和冷卻作用，迅速帶走加工區域的殘余熱量和殘渣，使得切縫干凈整齊。

圖1 水導激光加工CFRP原理

1.2 實驗設備

圖2所示為水導激光加工設備。本實驗采用自行搭建的水導激光加工設備進行加工。該設備由水光耦合對準系統、供水系統和運動平臺等組成。水光耦合對準系統由YLR-2000-WC型光纖激光器、光束聚焦元件、耦合元件和攝像機等組成。光纖激光器的最大功率為2000 W，波長為1070 nm，最大激光重復頻率為10 kHz。水射流噴嘴直徑為0.8 mm。供水系統由高壓精密過濾器、三缸柱塞泵、調壓閥和溢流閥等組成，具有最大水壓5 MPa。機床數控系統可以控制平臺進行圓弧和直線運動。

圖2 水導激光加工設備

1.3 實驗設計

本文使用50 mm×50 mm×1 mm規格的CFRP實驗試件，該材料在室溫下的熱物理性能見表1。如圖3所示，第一層(碳纖維鋪設方向為90°)與進給方向垂直，第二層(碳纖維鋪設方向為0°)與進給方向相同，總共七層碳纖維交替鋪設。為了單次劃槽從而獲得較好的溝槽截面形貌和較小的熱影響區，查找相關文獻，在設備加工精度范圍內進行大量試驗研究的基礎上，選取CFRP水導激光加工試驗參數如下：激光功率100～400 W，水射流壓力0.5～1.1 MPa，進給速度0.1～0.4 mm/s，激光重復頻率3～6 kHZ，進行單次切割。

表1 CFRP在室溫下的熱物理性能

圖3 七層排布的碳纖維增強復合材料

進行了水導激光切割CFRP的單因素實驗，每組實驗重復三次求出平均值，通過3D數碼顯微鏡觀測溝槽截面形貌，測出試驗數據。如圖4所示，其中Tk是CFRP溝槽截面燒蝕深度，WT是CFRP溝槽截面燒蝕寬度，θT是CFRP溝槽截面側壁錐度，WHAZ1是第一層熱影響區寬度，WHAZ2是第二層熱影響區寬度。

圖4 溝槽截面形貌參數

WHAZ90°是碳纖維層鋪設方向為90°熱影響區寬度的平均值，WHAZ0°是鋪設方向為0°碳纖維層熱影響區寬度的平均值，其計算公式如下：

(1)

(2)

式中，i為奇數層數;j為偶數層數。

2 實驗結果和分析

2.1 激光功率對溝槽截面形貌的影響

圖5所示為不同激光功率對溝槽截面形貌的作用效果。圖6是不同激光功率與溝槽截面幾何形貌和熱影響區變化的趨勢圖。當激光重復頻率為4 kHz，進給速度為0.2 mm/s，水射流壓力為0.7 MPa時，激光功率依次為100 W、200 W、300 W和400 W，進行單次劃槽實驗?？梢钥闯觯斊渌麉当３植蛔儠r，隨著激光功率的增加，CFRP的燒蝕深度增大，燒蝕寬度緩慢增大，WHAZ90°和WHAZ0°均快速增大，其原因如下：水導激光加工CFRP時，紅外激光與CFRP材料之間的相互作用主要是熱效應，包括熔化、氣化、等離子等。當激光重復頻率一定時，單脈沖能量隨激光功率的增大而增大，每個脈沖能量都具有較強的去除能力，使得達到去除閾值的材料更多，燒蝕深度增大；同時向溝槽側壁面傳遞的能量增加，使得熱影響區和燒蝕寬度增大。圖5a中，當激光功率為100 W時，WHAZ90°為166.9 μm，WHAZ0°為57.4 μm，但燒蝕深度只有327.9 μm，溝槽截面形貌較好。圖5c中，當激光功率為300 W時，存在纖維暴露(碳纖維層鋪設方向為0°)；而圖5d中，激光功率增大為400 W時，深度增加緩慢，熱影響區快速增加，且存在更明顯的纖維脆化現象(碳纖維層鋪設方向為90°)，出現纖維暴露、拉出現象(碳纖維層鋪設方向為0°)。這是因為溝槽截面V字形變窄，導致熔渣排除困難，向溝槽側壁面內部傳遞的能量增加。因此，當其他參數保持不變，激光功率為300 W時，獲得溝槽截面加工質量較好。

(a)激光功率100 W (b)激光功率200 W

(a)熱影響區隨激光功率的變化

2.2 水射流壓力對溝槽表面形貌的影響

圖7所示為不同水射流壓力對溝槽截面形貌的影響。圖8是不同水射流壓力與溝槽截面幾何形貌和熱影響區變化的趨勢圖。激光功率為300 W，激光重復頻率為4 kHz，進給速度為0.2 mm/s，水射流壓力依次為0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa和1.1 MPa，進行單次劃槽。可以看出，當其他參數保持不變的情況下，隨著水射流壓力的增加，WHAZ90°和WHAZ0°均逐漸減小，燒蝕寬度逐漸增大，燒蝕深度先增大，水射流壓力為0.7 MPa時燒蝕深度達到最大，之后再減小，原因如下：圖7a是水射流壓力為0.5 MPa的溝槽截面，此時水射流的冷卻效果遠小于CFRP吸收的激光能量，且水射流不足以將熔渣沖走，導致熱影響區較大，存在較明顯的纖維脆化和纖維暴露現象。隨著水射流壓力的增加，水射流的沖刷清除、冷卻效果增強，CFRP材料吸收激光能量所產生的熔渣可以通過水射流及時去除，熔渣不會妨礙激光向下傳輸以及CFRP材料對激光能量的吸收，因此，燒蝕深度增加，熱影響區降低。水射流壓力為0.7 MPa時溝槽截面加工質量較好；當水射流壓力超過0.9 MPa后，水射流水束穩定性開始變差，傳輸到CFRP材料的激光能量降低，且隨著水射流壓力的增加，水射流的冷卻效果加強，單位時間內帶走的能量更多。同時溝槽上表面的環氧樹脂基體更容易受熱分解，水射流對溝槽上表面的沖蝕作用越明顯，導致燒蝕深度降低，燒蝕寬度增大，進而熱影響區明顯降低。因此，當其他參數保持不變，水射流壓力為0.7 MPa時，獲得的溝槽截面加工質量較好。

(a)水射流壓力 0.5 MPa (b)水射流壓力0.7 MPa

(a)熱影響區隨水射流壓力的變化

2.3 進給速度對溝槽表面形貌的影響

圖9所示為不同進給速度對溝槽截面形貌的作用效果。圖10是不同進給速度與溝槽截面幾何形貌和熱影響區變化趨勢圖。當激光功率為300 W，激光重復頻率為4 kHz，水射流壓力為0.7 MPa時，進給速度依次為0.1 mm/s、0.2 mm/s、0.3 mm/s和0.4 mm/s，進行單次劃槽?？梢钥闯?，其他參數保持不變的情況下，隨著進給速度的增加，燒蝕深度、燒蝕寬度均降低，WHAZ90°逐漸減小，WHAZ0°逐漸增大。其原因如下：當切割CFRP的進給速度增加時，激光輻射在同一區域的脈沖數量減少，單位面積內CFRP材料吸收的激光脈沖能量減少，因此，燒蝕深度、燒蝕寬度和WHAZ90°均減小。當進給速度大于0.2 mm/s后，單位面積內CFRP材料吸收的激光脈沖能量成倍減少，燒蝕深度快速下降。圖9a所示是進給速度為0.1 mm/s的溝槽截面，圖9b所示是進給速度為0.2 mm/s的溝槽截面，當速度為0.1 mm/s時，材料能吸收足夠的激光能量達到去除閾值，使得燒蝕寬度較大，進給速度為0.1 mm/s和0.2 mm/s時寬度相差較大，WHAZ90°和WHAZ0°均變化不大。隨著速度的增加，圖9c和圖9d中碳纖維吸收的能量減少，均存在明顯的纖維拉出現象，WHAZ0°增大，且圖9c中第五層碳纖維層有少量碳纖維未被切斷。因此，當其他參數保持不變，進給速度為0.2 mm/s時，獲得的溝槽截面加工質量較好。

(a)進給速度0.1 mm/s (b)進給速度0.2 mm/s

(a)熱影響區隨進給速度的變化

2.4 激光重復頻率對溝槽表面形貌的影響

圖11所示為不同激光重復頻率對溝槽截面形貌的作用效果。圖12是激光重復頻率與溝槽截面幾何形貌和熱影響區變化的趨勢圖。當激光功率為300 W，進給速度為0.2 mm/s，水射流壓力為0.7 MPa時，激光重復頻率依次為3 kHz、4 kHz、5 kHz和6 kHz，進行單次劃槽。可以看出，當其他參數保持不變時，隨著激光重復頻率的增加，燒蝕寬度降低，燒蝕深度快速降低，WHAZ90°和WHAZ0°均先降低，之后再增加?？梢园l現圖11a中WHAZ0°較大，圖11c中第五層碳纖維層有少量碳纖維未被切割斷，圖11d中第五層碳纖維層有大量碳纖維未被切割斷，妨礙激光向下傳輸。其原因如下：當激光功率一定時，隨著激光重復頻率的增加，單個激光脈沖能量顯著降低；若激光重復頻率大于6 kHz，每個激光脈沖的去除能力很弱，有大量碳纖維未被切斷，妨礙激光向下傳輸，燒蝕深度和燒蝕寬度都降低。此外，當激光重復頻率為3 kHz時，單脈沖能量較大，激光脈沖占空比較小，材料熱影響區較大；隨著激光重復頻率增加，熱影響區稍微降低；當重復頻率增大到6 kHz時，激光脈沖占空比較大，不利于材料散熱，導致更多的熱量向溝槽內部傳輸，造成熱影響區變大。因此，當其他參數保持不變，激光重復頻率為4 kHz時，獲得的溝槽截面加工質量較好。

(a)激光重復頻率3 kHz (b)激光重復頻率4 kHz

(a)熱影響區隨激光重復頻率的變化

3 溝槽截面形貌演變和熱影響區形成機理

圖13所示為工藝參數組合：激光功率300 W、激光重復頻率4 kHz、進給速度0.2 mm/s和射流壓力0.9 MPa，進行單次劃槽的截面二維形貌?？梢钥闯鰷喜劢孛嫒コ齾^呈V字形，熱影響區呈鋸齒形狀，無明顯的分層現象，在靠近溝槽(碳纖維層鋪設方向為0°)區域易發生纖維暴露、拉出現象；在靠近溝槽(碳纖維層鋪設方向為90°)區域易發生纖維脆化現象。

圖13 水導激光加工CFRP的溝槽截面形貌

溝槽截面去除區呈V字形的原因可能有兩個：一方面由于水導激光加工過程中激光與水射流耦合后，雖然形成的水束光纖是以多模激光形式存在的，能量由高斯分布轉變為平頂分布，但水束光纖軸心區域的能量密度仍然大于周邊區域的能量密度，與水束光纖中心接觸的材料會比邊緣的材料先達到去除閾值，材料吸收激光能量熔融或氣化，熔融物被水射流沖走，形成上寬下窄的V字形溝槽截面[16-18]；另一方面根據流體力學的原理，在水射流中越靠近中心處靜壓力越大，越靠近周邊區域靜壓力越小，當水射流垂直射向工件表面時，位于水射流中心的熔融物會由于較大靜壓力首先被水沖走，從而造成水射流中心處切縫深度最大，隨著水射流周邊區域靜壓力的減小，切縫深度隨之越小的現象，同樣會形成V字形溝槽截面[19-20]。

熱影響區呈鋸齒形狀的原因如下：由于碳纖維傳熱系數的各向異性，碳纖維熱量總是優先沿著纖維軸向(碳纖維層鋪設方向為90°)傳遞。奇數層碳纖維(碳纖維層鋪設方向為90°)更容易受熱，熱影響區較大，易出現纖維脆化現象；偶數層碳纖維(碳纖維層鋪設方向為0°)主要是樹脂和碳纖維之間的層間傳熱，熱影響區較小，溝槽側壁面附近的樹脂比碳纖維更容易熔融或氣化，熔融物被高速水射流沖走，溝槽側壁面碳纖維之間的結合強度較低，更容易發生碳纖維裸露、拉出現象。因此，奇數層碳纖維的熱影響區相對于偶數層碳纖維的熱影響區變寬，最終溝槽截面熱影響區呈鋸齒形狀。

為了進一步了解溝槽截面形貌和熱影響區的變化過程，建立了水導激光加工CFRP的去除機理，如圖14所示。如圖14a所示，去除第一層碳纖維時燒蝕深度較低，在這種情況下激光的傳播不會受到影響，溝槽截面去除區和熱影響區都呈V字形。如圖14b所示，隨著燒蝕深度的增加，由于水射流與溝槽側面反射，激光的傳播也會受到一定程度的影響；去除第二層碳纖維時，由于碳纖維的鋪設方向和傳熱方式不同，第二層碳纖維熱影響區較第一層小，此時，溝槽截面去除區和熱影響區都呈V字形。如圖14c所示，由于碳纖維傳熱系數的各向異性，相比第一層和第三層碳纖維，第二層碳纖維熱影響區較小，第二層碳纖維易出現纖維暴露、拉出現象，此時，溝槽截面去除區呈V字形，熱影響區逐漸呈鋸齒形狀。如圖14d所示，隨著燒蝕深度進一步增加，水射流和激光的傳播都受到明顯的影響，溝槽底部的熔融物難以被高速水射流沖走，更多的熱量向溝槽內部傳輸，熱影響區變大，溝槽截面去除區呈V字形，隨著燒蝕深度增加，溝槽截面側壁錐度θT逐漸變大，熱影響區最終呈鋸齒形狀，且奇數層熱影響區明顯寬于相鄰偶數層熱影響區。之后的碳纖維層鋪設方向相同，去除機理一致。

(a) (b)

4 結論

(1)在水導激光切割CFRP過程中，在其他參數不變的情況下，隨著激光功率的增加，溝槽截面深度、寬度和熱影響區均逐漸增大，且激光功率對溝槽燒蝕深度和熱影響區的影響最大。隨著水射流壓力的增加，溝槽截面燒蝕深度先增大后減小，燒蝕寬度逐漸增大，熱影響區逐漸減小，且水射流壓力對溝槽燒蝕寬度的影響最大。隨著進給速度的增加，溝槽截面深度和寬度逐漸減小，鋪設方向為90°的碳纖維熱影響區變化不明顯，但鋪設方向為0°的碳纖維熱影響區先緩慢減小后快速增大。隨著激光重復頻率的增大，燒蝕深度和燒蝕寬度逐漸減小，熱影響區先減小后增大。

(2)當激光功率300 W、激光重復頻率4 kHz、進給速度0.2 mm/s和射流壓力0.7 MPa時，得到的溝槽截面形貌，其溝槽截面燒蝕深度為772.8 μm，燒蝕寬度為894.7 μm，鋪設方向為90°的碳纖維熱影響區為326.5 μm及鋪設方向為0°的碳纖維熱影響區為102.4 μm。

(3)溝槽截面去除區呈V字形，熱影響區呈鋸齒形狀，當激光功率較低時基本無熱影響區，隨著激光功率的增大，水導激光切割CFRP不可避免地產生熱影響區，在靠近溝槽(碳纖維層鋪設方向為0°)區域易出現纖維暴露、拉出現象，碳纖維層鋪設方向為90°區域易出現纖維脆化現象。