水霧對激光加工CFRP的影響特性研究

周 遼,龍芋宏,焦 輝,張光輝,藺 澤,趙 臻,黃宇星,黃 平

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,桂林 541004)

引 言

碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastic,CFRP)作為一種新型復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、低密度和抗疲勞性好等優(yōu)異的力學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療設(shè)備、軍工產(chǎn)品等[1]領(lǐng)域。在CFRP裝配過程中,對CFRP進(jìn)行開槽、鉆孔等二次加工是不可避免的。CFRP常規(guī)的加工方法有銑削[2]、磨料水射流[3-4]、鉆孔[5]、電火花加工[6]等。然而,CFRP具有復(fù)雜的各項(xiàng)異性且層間強(qiáng)度低,這些常規(guī)的加工方法加工CFRP時易出現(xiàn)材料分層、纖維斷裂、毛刺和刀具磨損嚴(yán)重等缺陷[2,7-8]。

與常規(guī)的加工方法相比,激光加工具有無刀具磨損、無接觸應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于材料加工。HEJJAJI等人[9]實(shí)施了常規(guī)鉆孔和激光加工玻璃纖維復(fù)合材料和CFRP的實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明,激光加工效率更高。YE等人[10]對比了激光打孔和機(jī)械鉆孔兩種加工方式的特點(diǎn),結(jié)果表明,兩種加工方式下拉伸性能基本相近,但激光打孔具有更高的表面加工質(zhì)量。但是激光加工CFRP容易造成較大的熱影響區(qū)、纖維拔出和纖維末端膨脹等熱損傷[11-12]。RIVEIRO等人[13]研究發(fā)現(xiàn),雖然激光加工產(chǎn)生的熱損傷是不可避免的,但是可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)使熱損傷最小化。LEONE等人[14]使用波長1064 nm、平均功率為150 W的Nd∶YAG脈沖激光加工1 mm厚的CFRP板并優(yōu)化了工藝參數(shù),實(shí)驗(yàn)中熱影響區(qū)(heat-affected zone,HAZ)低至170 μm。與此同時,發(fā)現(xiàn)在激光加工過程中增加輔助裝置可以有效降低加工產(chǎn)生的熱損傷。SOBRI等人[15]研究了輔助氣體對激光加工CFRP的影響,結(jié)果表明,施加輔助氣體有利于降低HAZ。

然而,輔助氣體對降低HAZ有限。TANGWARODOMNUKUN等人[16]對比了激光在空氣和水中的加工質(zhì)量,結(jié)果表明,水輔助激光加工可以獲得更小的熱損傷。采用水輔助激光加工時,由于水對激光傳輸?shù)挠绊懘?不恰當(dāng)?shù)墓┮悍绞饺菀自斐杉す饽芰繐p失嚴(yán)重,導(dǎo)致加工效率下降[17]。WEE等人[18]在使用薄水層輔助激光加工時發(fā)現(xiàn),當(dāng)水層厚度超過某個臨界值之后,將無法實(shí)現(xiàn)材料去除。因此,為了減少水對激光損失的影響,必須減薄流動水層厚度并提高水層流速。GUO等人[19]采用水霧輔助激光加工化學(xué)氣相沉積金剛石時發(fā)現(xiàn),水霧撞壁形成的流動水層薄且流速快,可以獲得較好的加工質(zhì)量,適用于輔助激光加工[20]。

綜上所述,采用水霧輔助激光加工CFRP有望實(shí)現(xiàn)低損傷高效率加工的可能。但迄今為止,鮮有使用水霧輔助激光加工CFRP的報道;更重要的是,水霧參數(shù)對激光傳輸?shù)挠绊懮形幢粚?shí)驗(yàn)研究。本文作者研究了CFRP的水霧輔助激光加工技術(shù),采用光束分析儀和激光功率計研究了水霧對激光傳輸?shù)挠绊懸?guī)律;采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化方法,得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合;最后通過回歸分析建立了工藝參數(shù)和加工質(zhì)量之間的經(jīng)驗(yàn)公式。該研究為激光低損傷加工CFRP提供了參考。

1 材料、設(shè)備與方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)中使用的工件材料是CFRP單向?qū)訅喊濉FRP厚度為1 mm,由異面正交狀態(tài)的單層結(jié)構(gòu)CFRP組成,共有14層,碳纖維絲束直徑約為5 μm～10 μm,如圖1a和圖1b所示。碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為70%,樹脂的體積分?jǐn)?shù)為30%,CFRP樣件的主要熱物性參數(shù)如表1所示。本文中使用截面HAZ(后文簡稱HAZ)、槽深和深寬比作為加工質(zhì)量的評價指標(biāo),具體定義如圖1c所示,其中深寬比是指槽深與槽寬的比值,HAZ的數(shù)值取截面最大的HAZ。

表1 CFRP的主要熱物性參數(shù)

圖1 CFRP微觀結(jié)構(gòu)

1.2 設(shè)備

水霧輔助激光加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)使用的激光器為武漢榮科激光自動化有限公司生產(chǎn)的準(zhǔn)連續(xù)光纖激光焊接/切割一體機(jī)(型號：WCM-IQCW450),激光器采用IPG準(zhǔn)連續(xù)光纖激光器(型號：YLM-450_4500-QCW),準(zhǔn)連續(xù)光纖激光的主要參數(shù)如表2所示,能夠在連續(xù)激光和脈沖激光模式下工作。

表2 準(zhǔn)連續(xù)激光器系統(tǒng)主要參數(shù)

圖2 水霧輔助激光加工CFRP的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

工件被固定在XY運(yùn)動平臺上的載物臺表面。水霧系統(tǒng)包括氣源(氮?dú)?、管道、流量調(diào)節(jié)閥、虹吸式噴嘴、回收容器和水箱。實(shí)驗(yàn)中采用氮?dú)庾鳛檩o助氣體,純凈水作為水源。高速流動的氣體通過虹吸原理將水吸入到噴嘴中,在氣體的作用下實(shí)現(xiàn)霧化。噴嘴以旁軸的形式將水霧射流噴射在CFRP表面,形成快速流動的薄水膜并流過激光消融區(qū)域以實(shí)現(xiàn)冷卻效應(yīng)。使用光束分析儀(測量光斑直徑范圍為22 μm～3.2 mm)測量不同條件下激光能量空間分布形態(tài);使用激光功率計(最大測量激光功率50 W,檢測波長范圍19 nm～11 000 nm)測量不同條件下激光功率損失情況。使用測量激光顯微鏡觀察燒蝕形貌并測量燒蝕數(shù)據(jù)。

1.3 方法

在本文中,水霧射流撞擊CFRP壁面實(shí)際效果如圖3a所示。噴嘴高度h是指噴嘴出口中心到CFRP表面的投影距離,噴嘴傾角φ是指噴嘴中心線與水平方向的夾角(銳角),如圖3b所示,氣體壓力p是指輔助氣體的表壓。為了探索噴嘴高度、噴嘴傾角和氣體壓力變化時對激光加工CFRP的HAZ、槽深和深寬比的影響規(guī)律,設(shè)計了三因素四水平共16組正交實(shí)驗(yàn)對CFRP進(jìn)行單次切割實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。本實(shí)驗(yàn)中采用的激光工藝參數(shù)：激光功率為1800 W,激光頻率為60 Hz,切割速率為3 mm/s,脈寬為0.1 ms。激光燒蝕點(diǎn)與水霧射流沖擊點(diǎn)相距16 mm,如圖3b所示。為了降低實(shí)驗(yàn)誤差,本實(shí)驗(yàn)中每個工藝參數(shù)將會重復(fù)進(jìn)行4次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果將取4次數(shù)據(jù)的平均值作為最終結(jié)果。同時與相同參數(shù)下的傳統(tǒng)氣體輔助激光切割質(zhì)量進(jìn)行對比。

表3 正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置表

圖3 水霧沖擊效果圖

a—diagram of water-mist impact physical b—schematic diagram of the effect of water-mist on the laser

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水霧輔助激光加工CFRP正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

統(tǒng)計分析可以用來證明實(shí)驗(yàn)中控制因素在95%的置信水平上是顯著的(表4中表示不拒絕原假設(shè)程度的P值小于0.05)。本文中通過數(shù)理統(tǒng)計分析了實(shí)驗(yàn)因素中對各加工質(zhì)量影響的主次順序、顯著性以及各實(shí)驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合。研究表明,表4中表示整個擬合方程顯著性的F值越大,對加工質(zhì)量的影響和貢獻(xiàn)越大[21],R2為相關(guān)系數(shù)。

表4 水霧輔助激光加工CFRP的方差分析

水霧參數(shù)對HAZ、槽深和深寬比的方差分析結(jié)果如表4所示。統(tǒng)計分析中R2均大于75%,這表明了該結(jié)論是可信的。從表4可以看出,對于HAZ而言,噴嘴高度具有一定的影響,其余因素都不具有顯著影響;從圖4可以看出,當(dāng)氣體壓力逐漸增加時,HAZ、槽深和深寬比均逐漸減小。原因可能是：當(dāng)切向氣體壓力增加時,更多的冷卻介質(zhì)克服材料蒸汽反沖壓力并進(jìn)入到切縫內(nèi)部進(jìn)行有效冷卻,減小了HAZ;同時造成激光能量損失大,材料去除量減少,所以槽深和深寬比逐漸減小。由表4中的結(jié)果可計算出噴嘴角度、氣體壓力和噴嘴高度對HAZ的貢獻(xiàn)大小分別為8.632%,40.012%和51.356%。因此,各因素對HAZ的影響大小排序?yàn)椋簢娮旄叨?氣體壓力>噴嘴角度。該結(jié)果與極差法所得結(jié)果一致,如圖4所示,結(jié)論可信。

圖4 主效應(yīng)圖

對于深寬比,僅有噴嘴角度具有顯著影響。噴嘴角度對槽深有一定影響,其余因素對槽深沒有顯著影響。從圖4可以看出,當(dāng)噴嘴角度增加時HAZ逐漸增加,而槽深和深寬比先減小后迅速增大。原因可能是：當(dāng)噴嘴角度較小時,CFRP壁面的液膜均勻性被破壞,更多的小液滴撞擊CFRP表面后反彈到空氣中,干擾激光傳輸,造成較大的激光能量損失,具體原因?qū)⒃诘?.2.1節(jié)中解釋。切縫內(nèi)部吸收的激光能量引起的熱效應(yīng)和水霧冷卻效應(yīng)達(dá)到一種相對的冷熱平衡狀態(tài),有利于降低HAZ。CFRP吸收的激光能量減少,材料去除量減少;同時水霧射流運(yùn)行距離長,導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力沖擊降低,所以槽深和深寬比有下降的趨勢。

當(dāng)噴嘴角度較大時,液膜穩(wěn)定且小液滴對激光造成的損失減小,CFRP吸收的激光能量增加,提高了材料去除量;同時,水霧射流傳播距離較短,水霧射流速度和沖擊力大,可以通過機(jī)械應(yīng)力沖蝕的方式提高材料去除率,所以提高了深寬比和槽深。但水霧將會在切縫中形成積水導(dǎo)致激光散射[17],破壞了切縫內(nèi)部水霧冷卻效應(yīng)與激光熱效應(yīng)的冷熱平衡狀態(tài),導(dǎo)致HAZ增加。由表4中的結(jié)果可計算出噴嘴角度、氣體壓力和噴嘴高度對槽深的貢獻(xiàn)大小分別為42.599%、33.547%和23.854%。因此,各因素對深度的影響大小排序?yàn)椋簢娮旖嵌?氣體壓力>噴嘴高度。由表4中的結(jié)果可計算出噴嘴角度、氣體壓力和噴嘴高度對深寬比的貢獻(xiàn)大小分別為64.915%、15.374%和19.711%。因此,各因素對深寬比的影響大小排序?yàn)椋簢娮旖嵌?噴嘴高度>氣體壓力。該結(jié)果與極差法所得結(jié)果一致,如圖4所示,結(jié)果可信。

眾所周知,深寬比越大,在一定程度上代表加工質(zhì)量越好。因此,本文中將進(jìn)一步研究深寬比的最優(yōu)水平組合。根據(jù)圖4c可知,當(dāng)噴嘴角度50°、氣體壓力0.2 MPa和噴嘴高度為30 mm時可以獲得更大的深寬比。16組正交實(shí)驗(yàn)中深寬比最大的參數(shù)組合為噴嘴角度50°、氣體壓力0.3 MPa和噴嘴高度為30 mm,此時深寬比為4.41。正交優(yōu)化所得工藝參數(shù)組合深寬比為5.303,提高了20.958%。同時本文中對比了相同工藝參數(shù)下氣體輔助激光加工的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(HAZ為101.333 μm、深寬比為5.579、槽深為781.000 μm),如圖5所示。與氣體輔助激光加工相比,水霧輔助激光加工CFRP的HAZ為85.875 μm,降低了15.255%;槽深為812.750 μm,提高了4.065%;但深寬比有所下降,降低了4.947%。水霧輔助激光加工產(chǎn)生的熱損傷小主要是在于水霧對加工殘余熱量的及時冷卻;水霧輔助激光加工CFRP的深寬比小、槽深大,這主要是因?yàn)樗F輔助時形成的槽寬大,導(dǎo)致深寬比下降。研究表明[22],較大的熱損傷將會影響CFRP的機(jī)械強(qiáng)度,所以水霧更適合用來輔助激光加工CFRP。

圖5 不同工況下激光加工CFRP的形貌對比

2.2 水霧參數(shù)對激光傳輸?shù)挠绊懸?guī)律研究

當(dāng)激光從空氣介質(zhì)中傳輸?shù)剿橘|(zhì)時,由于空氣和水的光學(xué)特性不同,激光在空氣-水界面時傳輸特性將會發(fā)生改變,如圖3b所示。此時激光傳輸將會出現(xiàn)3種情況：(a)部分激光被反射;(b)部分激光被水吸收;(c)大部分激光將會在空氣-水界面發(fā)生折射。水對激光的反射和吸收都將造成激光能量損失,降低加工效率。而水對激光的折射將會改變激光焦點(diǎn),甚至改變激光能量在空間的分布形態(tài)。本文中使用水霧輔助激光加工CFRP時,水霧射流在CFRP表面撞擊將會形成流動水膜[19]。由于空氣和水介質(zhì)光學(xué)特性不同,將會對激光造成較大的影響。然而,現(xiàn)有的報道缺乏水霧對激光的影響規(guī)律的研究,這不利于加速推動水霧輔助激光加工的工業(yè)應(yīng)用。因此,本節(jié)中將采用光束分析儀和激光功率計研究水霧對激光的影響規(guī)律。

為了避免高功率激光對檢測設(shè)備造成損壞,將在低功率激光模式下進(jìn)行測量,并在光束分析儀的上方將會放置一激光能量衰減片(厚度為1 mm),同時光束分析儀位于激光焦點(diǎn)的下方。因此,本文中測得的激光光斑直徑將會比焦點(diǎn)光斑直徑大,但這并不影響總體的變化趨勢。當(dāng)無水霧輔助激光加工時,激光在空間的分布呈現(xiàn)高斯形態(tài)(后文簡稱為原始光斑直徑),如圖6所示。圖中縱坐標(biāo)為相對數(shù)值,其值越接近1,代表激光強(qiáng)度越高。同時采用激光功率計測量了不同條件下水霧對激光能量損失的影響。為了避免水霧影響設(shè)備的正常使用,需要在設(shè)備上方放置一石英玻璃,石英玻璃的透過率為93.967%。

圖6 激光原始分布形態(tài)

2.2.1 噴嘴角度對激光的影響規(guī)律 圖7為噴嘴高度為30 mm、氣體壓力為0.2 MPa時不同噴嘴角度對激光分布形態(tài)的影響。從圖7可以看出,當(dāng)噴嘴角度為20°時光斑直徑最大,且大于激光在空氣中的光斑直徑。隨著噴嘴角度的增加,光斑直徑有變小的趨勢,甚至比原始光斑直徑更小。圖8a為激光經(jīng)水霧損失后輻照在CFRP表面的激光功率。結(jié)合表3,由圖8b可知,隨著噴嘴角度增加,水霧對激光功率的損失逐漸減小。原因可能是：當(dāng)噴嘴角度較小時,根據(jù)勾股定理可知,為了保證偏置距離保持不變,勢必要延長水霧射流在空氣中傳輸距離,假設(shè)液滴在空間中充分發(fā)展,將會導(dǎo)致較多的小液滴在氣體的作用下在空氣中隨機(jī)運(yùn)動。當(dāng)激光遇到液滴時傳輸方向會發(fā)生改變,同時大液滴撞擊CFRP表面將會發(fā)生反彈和徑向擴(kuò)展[23],導(dǎo)致液膜內(nèi)部的剪切力增加,CFRP表面形成液膜的均勻性將會被破壞,以上將會導(dǎo)致激光發(fā)散,擴(kuò)大激光光斑直徑。由于水對激光的吸收和小液滴對激光的發(fā)散將會造成能量損失嚴(yán)重,如圖8b所示。

圖7 噴嘴角度對激光在空間分布形態(tài)的影響

圖8 水霧對激光的影響

當(dāng)噴嘴角度較大時,液滴在水霧射流沖擊處主要發(fā)生吸附和破碎,僅有較少部分破碎的小液滴才會被反彈到空氣中,對激光的影響將會變小。結(jié)合表3,由圖8b可知,當(dāng)噴嘴角度為20°、30°、40°、50°時水霧對激光的損失率分別為4.563%、2.591%、1.782%和1.473%。因此,當(dāng)噴嘴角度增加時,激光光斑直徑和激光損失率均會減小。由于水的折射率(1.333)大于空氣(1.000),當(dāng)激光穿過空氣-水膜界面時將會發(fā)生折射,縮小激光的光斑直徑。因此,當(dāng)噴嘴角度增加時光斑直徑變小甚至小于原始光斑直徑,如圖7所示。

2.2.2 噴嘴高度對激光的影響規(guī)律 圖9為噴嘴角度為50°、氣體壓力0.2 MPa時不同噴嘴高度(10 mm,20 mm,30 mm,40 mm)對激光空間分布形態(tài)的影響。從圖9可知,當(dāng)噴嘴高度為10 mm時,激光光斑直徑最大且大于原始光斑直徑。隨著噴嘴高度增加,激光光斑直徑逐漸減小且略小于原始光斑直徑。圖8a表明,噴嘴高度變化時激光功率基本維持在一個水平,所以噴嘴高度對激光功率的影響較小。本文中將水霧射流撞擊CFRP表面形成的3個區(qū)域分為：水霧射流沖擊區(qū)、水膜流動區(qū)和自由區(qū),如圖3a所示。水膜流動區(qū)的水層厚度薄、流速較快且穩(wěn)定,對激光的影響小,適合用來輔助激光加工[19]。

圖9 噴嘴高度對激光在空間分布形態(tài)的影響

研究表明,當(dāng)噴嘴高度降低時壁面有效冷卻范圍將會降低[23]。隨著噴嘴高度降低,穩(wěn)定水膜流動區(qū)域范圍將會減小。因此,當(dāng)噴嘴角高為10 mm時,激光將會作用在自由區(qū)。自由區(qū)是指水霧射流沖擊區(qū)和水膜流動區(qū)之外的區(qū)域。從圖3a可知,自由區(qū)由快速流動的細(xì)長水絲組成,該區(qū)域的液滴將會對激光傳輸造成嚴(yán)重的影響,使其激光隨機(jī)傳輸,導(dǎo)致光斑直徑增大。隨著噴嘴高度增加,水膜流動區(qū)將會擴(kuò)張,此后激光作用在水層厚度薄且快速流動的水膜流動區(qū),在水的作用下激光光斑直徑將會被縮小。因此,隨著噴嘴高度增加,激光光斑直徑逐漸減小。由第2.2.1節(jié)中的分析可知,當(dāng)噴嘴角度較大時液滴在CFRP表面主要發(fā)生吸附和破碎作用,僅有少量的小液滴被反彈到空氣中,此時激光功率的損失主要來自水膜對激光的反射和水對激光的吸收。因此,改變噴嘴高度時水霧對激光功率的影響保持在一個較為穩(wěn)定的水平。

2.2.3 氣體壓力對激光的影響規(guī)律 圖10為噴嘴角度50°、噴嘴高度為30 mm時不同氣體壓力對激光在空間分布形態(tài)的影響。當(dāng)氣體壓力增加時,激光光斑直徑將會逐漸增加,且大于原始光斑直徑,激光在空間的分布形態(tài)也更接近原始光斑形態(tài),如圖10所示。隨著氣體壓力的增加,激光損失率將會逐漸增加,這是因?yàn)闅怏w壓力增加可以使較大的液滴破碎成更小的液滴,將會使噴霧中的液滴顆粒變得更加均勻[23]。由于氣體的擴(kuò)散性強(qiáng),當(dāng)氣體壓力增加時水霧射流直徑將會被擴(kuò)張;在氣體的沖擊作用下,部分較小的液滴更容易脫離水霧射流散入空氣中。與噴嘴角度較小時情況類似,部分小液滴撞擊CFRP將會發(fā)生反彈散入到空氣中。當(dāng)激光傳輸遇到液滴時將會發(fā)生折射、反射等光學(xué)現(xiàn)象,導(dǎo)致激光原有傳輸路徑被改變,增加光斑直徑。氣壓越大,飄入到空氣中的小液滴越多。因此,隨著氣體壓力的增加,激光光斑直徑逐漸增加。當(dāng)水霧射流撞擊在CFRP表面時,液膜厚度會隨著氣體壓力的增加而變薄[23],將會減小水膜對激光功率的影響,激光功率損失少。但隨著氣體壓力增大,飄入到空氣中的液滴增多,將會增加液滴對激光的散射嚴(yán)重,激光功率損失增加。因此,當(dāng)氣體壓力為0.2 MPa,0.3 MPa,0.4 MPa和0.5 MPa時,激光損失率分別為1.473%,1.649%,1.899%和1.983%,如圖8b所示。

圖10 氣體壓力對激光在空間分布形態(tài)的影響

2.3 水霧輔助激光加工CFRP多元線性回歸分析

為了評估激光加工CFRP的加工質(zhì)量,需要對CFRP橫截面打磨、測量,這將會增加一系列繁瑣的操作且耗時,還會增加加工成本。為了減少加工后處理成本,本文中采用多元線性回歸方法建立了噴嘴高度h、噴嘴角度φ和氣體壓力p與HAZ和槽深之間的經(jīng)驗(yàn)公式。深寬比可以通過預(yù)測的槽深和槽寬計算,因此,本文中將不討論深寬比的經(jīng)驗(yàn)公式。正交實(shí)驗(yàn)所得HAZ和槽深的數(shù)據(jù)如表5所示。假設(shè)CFRP的HAZ寬度H和槽深G的經(jīng)驗(yàn)公式分別為[24-25]：

表5 水霧輔助激光加工CFRP正交實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

H=β1hβ2φβ3pβ4

(1)

G=γ1hγ2φγ3pγ4

(2)

式中,β1,β2,β3,β4,γ1,γ2,γ3,γ4為待求解常數(shù)系數(shù)。

將(1)式、(2)式兩邊同時取以10為底的對數(shù),由對數(shù)運(yùn)算法則可得：

lgH=lgβ1+β2lgh+β3lgφ+β4lgp

(3)

lgG=lgγ1+γ2lgh+γ3lgφ+γ4lgp

(4)

為了便于求解,令Y1=lgH,K1=lgβ1,X1=lgh,X2=lgφ,X3=lgp,Y2=lgG,K2=lgγ1上述(3)式、(4)式可改寫為：

Y1=K1+β2X1+β3X2+β4X3

(5)

Y2=K2+γ2X1+γ3X2+γ4X3

(6)

求解之前需將表5中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以10為底的對數(shù)關(guān)系數(shù)據(jù),并代入到(5)式和(6)式,求解線性方程組,可得到以下關(guān)系式：

Y1=1.854+0.055X1+0.026X2-

0.073X3,(R2=0.729)

(7)

Y2=2.598-0.055X1+0.144X2-

0.147X3,(R2=0.590)

(8)

最后將(7)式、(8)式代入到(3)式、(4)式中,并求解出HAZ寬度H和槽深G的經(jīng)驗(yàn)公式分別為：

H=101.854h0.055φ0.026p-0.073,(R2=0.729)

(9)

G=102.598h-0.055φ0.144p-0.147,(R2=0.590)

(10)

相關(guān)性檢驗(yàn),查表可知：F0.01(3,12)=5.950,F0.05(3,12)=3.490;FH=10.747>F0.01(3,12)=5.950,所以經(jīng)驗(yàn)公式(9)式具有高度顯著;F0.01(3,12)=5.950>FG=5.763>F0.05(3,12)=3.490,所以經(jīng)驗(yàn)公式(10)式是顯著的。

本文中通過多元線性回歸方法建立了CFRP的HAZ和槽深的經(jīng)驗(yàn)公式,從相關(guān)性檢驗(yàn)可以看出,所建立的經(jīng)驗(yàn)公式中,HAZ的經(jīng)驗(yàn)公式具有高度顯著;槽深的經(jīng)驗(yàn)公式相關(guān)性為顯著,比HAZ的相關(guān)性低;根據(jù)方程擬合的R2可以看出,HAZ的經(jīng)驗(yàn)公式R2較大,擬合精度較高,參考價值較高;槽深的R2小于HAZ的R2,說明HAZ的經(jīng)驗(yàn)公式精度要高于槽深的經(jīng)驗(yàn)公式精度。這些經(jīng)驗(yàn)公式可以在未對CFRP做后處理便推算出切縫內(nèi)部特征,尤其是對力學(xué)性能影響較大的HAZ。預(yù)測的結(jié)果可以減少后處理程序,節(jié)約加工成本;同時可以對加工參數(shù)的設(shè)置提供參考。

3 結(jié) 論

(a)通過光束分析儀研究了水霧參數(shù)對激光光斑直徑的影響。隨著噴嘴高度、噴嘴角度增加,激光光斑直徑不斷減小;隨著氣體壓力增加,激光光斑直徑不斷增加。

(b)通過激光功率計研究了水霧參數(shù)對激光功率的影響。隨著噴嘴高度增加,激光損失率變化較小;隨著噴嘴角度增加和氣體壓力減小,激光損失率逐漸減小。

(c)通過正交實(shí)驗(yàn)分析了水霧參數(shù)對加工質(zhì)量的影響規(guī)律和主效應(yīng),噴嘴角度對深寬比具有顯著性影響。當(dāng)噴嘴角度50°、氣體壓力0.2 MPa和噴嘴高度為30 mm時,可以獲得最大5.303的深寬比,此時激光損失率為1.473%。與氣體輔助激光加工CFRP相比,水霧輔助激光加工可以獲得更小的HAZ和更大的槽深。

(d)通過多元非線性回歸分析建立了工藝參數(shù)(噴嘴高度、噴嘴角度和氣體壓力)和加工質(zhì)量(HAZ和槽深)之間的經(jīng)驗(yàn)公式,為預(yù)測水霧輔助激光加工CFRP的切縫內(nèi)部特征提供了一種手段。