碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料水導(dǎo)激光切割損傷機(jī)理研究

陳忠安 包彬穎 張廣義 潮陽(yáng) 王玉峰 姚喆赫 焦俊科 張文武

摘要：

碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料在水導(dǎo)激光加工后，切縫表面和橫截面存在熱損傷，這些損傷是影響材料力學(xué)性能、降低材料服役性能的重要因素。針對(duì)該問(wèn)題，采用試驗(yàn)方法分析了加工參數(shù)對(duì)溝槽幾何形貌和表面形貌的影響規(guī)律，研究了溝槽表面和橫截面的熱損傷形成機(jī)理。研究結(jié)果表明：高激光功率、低脈沖頻率和低切割速度可有效增大溝槽深度；激光與材料的相互作用和水射流的沖刷作用是形成溝槽表面熱損傷的主要原因。在2 mm厚CFRP切割試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：橫截面熱影響區(qū)寬度與纖維排布方向有關(guān)，0°碳纖維熱影響區(qū)寬度最大，45°和135°碳纖維熱影響區(qū)寬度次之且寬度相近，90°碳纖維熱影響寬度最小；另外，提高水射流速度有利于抑制熱影響區(qū)的擴(kuò)展，水射流速度由80 m/s提高至120 m/s，最大熱影響寬度縮小35.7%。

關(guān)鍵詞：水導(dǎo)激光；碳纖維增強(qiáng)聚合物；幾何形貌；損傷機(jī)理

中圖分類號(hào)：TG485

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.04.013

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Damage Mechanism of Water Jet Guided Laser Cutting of CFRP

CHEN Zhongan1，2，3? BAO Binying1，2，3? ZHANG Guangyi2，3? CHAO Yang2，3 ??WANG Yufeng2，3

YAO Zhehe1? JIAO Junke4? ZHANG Wenwu2，3

1.College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310023

2.Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering，Chinese Academy of Sciences，Ningbo，

Zhejiang，315201

3.Zhejiang Key Laboratory of Aero Engine Extreme Manufacturing Technology，Ningbo，Zhejiang，315201

4.School of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou，Jiangsu，225127

Abstract： After water jet guided laser machining， CFRP exhibited thermal damages on the cut groove surfaces and cross-sections， which was an important factor affecting the materials mechanics properties and reducing the service performance. To address these issues， the influences of machining parameters on the geometric and surface morphology of grooves were analyzed， and the formation mechanism of surface and cross-sectional thermal damages was investigated herein. The results indicate that high laser power， low pulse frequency， and low cutting speed may effectively increase the depth of the grooves. The interaction between the laser and the material， as well as the flushing action of the water jet， are the main reasons for the formation of thermal damages on the groove surface. In the cutting experiment of 2 mm thick CFRP， it is found that the width of the heat affected zones in the cross-sections is related to the arrangement of the fibers. The heat affected zone width is the largest for 0° carbon fibers， followed by 45° and 135° carbon fibers， which have similar widths， and the width is the smallest for 90° carbon fibers. In addition， increasing the water jet velocity is beneficial for suppressing the expansion of the thermal affected zones. When the water jet velocity is increased from 80 m/s to 120 m/s， the maximum width of the thermal affected zones decreases by 35.7%.

Key words： water jet guided laser； carbon fiber reinforced polymer（CFRP）； geometric morphology； damage mechanism

收稿日期：20231019

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51805525）；中國(guó)科學(xué)院輕型動(dòng)力創(chuàng)新研究院創(chuàng)新引導(dǎo)基金（CXYJJ20-QN-10）；浙江省自然科學(xué)基金（LY21E050018）；深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（JCYJ20200109144604020，JCYJ20210324120001003）

0? 引言

碳纖維增強(qiáng)聚合物（carbon fiber reinforced polymer，CFRP） 復(fù)合材料是由樹脂與碳纖維兩種材料復(fù)合而成的新型復(fù)合材料［1-5］，具有良好的抗疲勞性能、耐化學(xué)腐蝕性能和較高的剛度，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、體育器材等領(lǐng)域［6-8］。在實(shí)際應(yīng)用中，材料需要被二次加工，才能滿足尺寸精度和裝配要求。CFRP傳統(tǒng)加工方式有水射流切割［9］、高速銑削［10］、電火花切割［11］等，由于材料的各向異性以及層間強(qiáng)度低等原因，導(dǎo)致材料加工后易出現(xiàn)分層、毛刺、纖維斷裂和纖維撕裂等缺陷。

激光加工不對(duì)工件施加機(jī)械應(yīng)力，也不存在刀具的磨損，以局部熔化/氣化的形式去除材料，在難加工材料加工方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此是一種CFRP高質(zhì)量加工的可替代方案。RIVEIRO等［12］利用CO2激光器在脈沖模式下實(shí)現(xiàn)最小熱影響寬度約540 μm的3 mm厚CFRP切割，觀察到切縫表面出現(xiàn)樹脂氣化分解碳纖維裸露拔出的現(xiàn)象，這與樹脂和碳纖維的分解/氣化溫度有關(guān)，此外，還發(fā)現(xiàn)材料的損傷與纖維的取向存在明顯的相關(guān)性。LEONE等［13］利用準(zhǔn)連續(xù)波（QCW）光纖激光器開(kāi)展了CFRP切割試驗(yàn)，結(jié)果表明，脈沖寬度對(duì)上表面、下表面和橫截面的熱影響寬度敏感，此外，選擇合適的加工參數(shù)，在1.3 mm厚CFRP上實(shí)現(xiàn)了切縫寬度小于200 μm、熱影響寬度約500 μm的高質(zhì)量切割。ZHOU等［14］利用450W QCW光纖激光器開(kāi)展了CFRP切割試驗(yàn)，結(jié)果表明，材料表面熱影響形成是因?yàn)闃渲姆纸鉁囟鹊陀谔祭w維的氣化溫度，且纖維排布方向決定了熱影響區(qū)寬度，此外，脈沖模式下大功率高速切割可以有效減小熱影響寬度，通過(guò)工藝參數(shù)的優(yōu)化，表面最小熱影響寬度為19.5 μm。LI等［15］采用不同脈沖寬度的紅外激光開(kāi)展了CFRP打孔試驗(yàn)，仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，熱影響的存在削弱了CFRP的拉伸、壓縮和彎曲強(qiáng)度。LI等［16］利用脈寬可調(diào)的532 nm納秒激光器開(kāi)展了CFRP加工試驗(yàn)，結(jié)果表明，較小的脈寬可以減小熱影響寬度，脈寬為10 ns，熱影響寬度最小18.74 μm，當(dāng)脈寬較大時(shí)，在材料產(chǎn)生較大熱影響的同時(shí)，熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的碳化。WANG等［17］利用355 nm波長(zhǎng)的納秒激光開(kāi)展了不同掃描方向下CFRP的仿真與試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，熱影響區(qū)寬度和燒蝕寬度隨掃描角度的增大而增大，隨掃描速度的增大而減小，此外，當(dāng)掃描方向與碳纖維取向成0°時(shí)，加工效率比90°時(shí)提高了55.36%，熱影響寬度比90°時(shí)減小了55.01%。

激光加工CFRP可以有效改善纖維斷裂、基體破壞等問(wèn)題，材料的主要去除方式是熱蒸發(fā)和熱融化［14，18］，通過(guò)激光加工參數(shù)優(yōu)化、激光光源的選擇可以有效減小熱影響區(qū)寬度，但是無(wú)法避免熱影響的形成。

水導(dǎo)激光是水射流與激光耦合的新型加工技術(shù)［19-24］。高速水射流在激光脈沖間隙冷卻材料，可以有效減小熱影響區(qū)寬度、提高加工深度能力、保持加工區(qū)域清潔［25-27］。ZHANG等［28］建立CFRP三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)模型以及去除模型，分析了激光脈沖占空比對(duì)孔深、孔形以及加工過(guò)程中溫度分布的影響，結(jié)果表明，優(yōu)化占空比、減少激光脈沖間的熱累積可以提高材料的加工質(zhì)量。汪建新等［29］研究了工藝參數(shù)對(duì)CFRP切割的影響規(guī)律，通過(guò)調(diào)整工件裝夾角度，實(shí)現(xiàn)了4 mm厚CFRP無(wú)錐度的切割。WU等［30］分析了碳纖維排布方向和水導(dǎo)激光切割路徑對(duì)CFRP切割損傷機(jī)理的影響，結(jié)果表明，水導(dǎo)激光加工CFRP存在纖維暴露、纖維脫落和纖維拔出3種損傷形式，此外，發(fā)現(xiàn)0°碳纖維加工面粗糙、錐度小、易出現(xiàn)纖維暴露和拔出，90°碳纖維加工面光滑且不存在纖維的暴露和拔出現(xiàn)象，±45°碳纖維在切縫的開(kāi)始段出現(xiàn)明顯的纖維脫落。

綜上所述，關(guān)于CFRP水導(dǎo)激光加工，采用仿真分析與試驗(yàn)研究方法，已對(duì)水導(dǎo)激光材料去除機(jī)理有了一定的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)CFRP切縫表面損傷以及切縫內(nèi)部損傷形成機(jī)理的報(bào)道研究較少。本文開(kāi)展水導(dǎo)激光切割CFRP的試驗(yàn)研究，采用試驗(yàn)方法分析了加工參數(shù)對(duì)溝槽幾何形貌和表面形貌的影響規(guī)律，旨在研究溝槽表面損傷機(jī)理；此外，采用平行路徑逐層去除的方法對(duì)2 mm厚CFRP進(jìn)行切割試驗(yàn)，探究碳纖維鋪層方向與熱影響寬度的關(guān)系，以及橫截面熱損傷的形成機(jī)理。

1? 試驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)

1.1? 試驗(yàn)原理

圖1為水導(dǎo)激光加工CFRP的原理圖。首先，去離子水經(jīng)60 MPa水增壓系統(tǒng)增壓，進(jìn)入高壓水腔，利用直徑30～150 μm的噴嘴形成穩(wěn)定的高速微射流。然后，聚焦激光在噴嘴位置耦合，利用射流表面全反射傳輸激光至材料表面，完成材料加工。

在CFRP去除過(guò)程中，高速水射流的沖刷和冷卻作用帶走加工區(qū)域多余的熱量和殘?jiān)玫角鍧嵉那锌p。因CFRP中環(huán)氧樹脂和碳纖維的熱物理性質(zhì)存在顯著差異，故環(huán)氧樹脂和碳纖維去除機(jī)理不同，環(huán)氧樹脂在達(dá)到其分解溫度后可以被去除，而碳纖維則需達(dá)到其氣化溫度才能被去除。這種去除機(jī)理上的不同是熱損傷形成的主要原因。

1.2? 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)采用2 mm厚CFRP，CFRP規(guī)格尺寸為50 mm×20 mm×2 mm，包含4種碳纖維排布方向（0°、45°、90°和135°），共11層碳纖維鋪層，其中單向碳纖維鋪層厚約150 μm，相鄰碳纖維鋪層層間樹脂厚約40 μm，詳細(xì)碳纖維排布方向如圖2所示。環(huán)氧樹脂和碳纖維各自的性能參數(shù)如表1所示。

1.3? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用自主研發(fā)的水導(dǎo)激光加工設(shè)備開(kāi)展試驗(yàn)，加工系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。水導(dǎo)激光加工系統(tǒng)主要包括固體納秒激光器、激光擴(kuò)束系統(tǒng)、CCD觀測(cè)系統(tǒng)、高壓水系統(tǒng)、輔助氣體系統(tǒng)、耦合裝置和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等。激光光源采用波長(zhǎng)為532 nm的固體納秒激光器，噴嘴直徑為100 μm。

使用激光共聚焦顯微鏡（KEYENCE VK-X200）拍攝溝槽表面形貌、切縫三維形貌，測(cè)量溝槽深度、溝槽寬度以及溝槽表面的樹脂剝落寬度，并研究加工參數(shù)對(duì)切縫入口表面的熱損傷的影響關(guān)系。為研究碳纖維的排布方向?qū)η锌p熱損傷形成的影響規(guī)律，將材料制成較小的樣品后進(jìn)行鑲嵌并研磨拋光處理，使用激光共聚焦顯微鏡觀察切縫內(nèi)部橫截面的熱損傷情況，并分析不同取向碳纖維損傷形成機(jī)理。使用X射線顯微鏡（Xradia 610）對(duì)切割后的樣品進(jìn)行材料內(nèi)部的微觀測(cè)試分析，揭示熱影響區(qū)材料的微觀結(jié)構(gòu)。

1.3.1? 單因素試驗(yàn)

采用單因素試驗(yàn)方法分析激光功率、脈沖頻率、切割速度和水射流速度4個(gè)因素對(duì)溝槽深度、寬度和表面形貌的影響規(guī)律。試驗(yàn)采用單道次劃槽方法，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，表2所示為單因素試驗(yàn)參數(shù)。

1.3.2? 2 mm厚CFRP切割試驗(yàn)

由單因素試驗(yàn)結(jié)果確定2 mm厚CFRP切割試驗(yàn)參數(shù)如下：激光功率為最高功率15 W，脈沖頻率為10 kHz，切割速度為5 mm/s，采用平行路徑逐層去除的方法（3道平行路徑掃描，路徑重疊率50%）。每組試驗(yàn)參數(shù)重復(fù)3次，詳細(xì)試驗(yàn)參數(shù)如表3所示，并統(tǒng)計(jì)分析4種碳纖維鋪層方向的最大熱影響寬度。

2? 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1? 單因素試驗(yàn)

2.1.1? 激光功率對(duì)溝槽幾何形貌的影響

圖4所示為激光功率變化對(duì)溝槽深度、寬度和表面形貌的影響規(guī)律。加工參數(shù)為：切割速度5 mm/s、脈沖頻率10 kHz、水射流速度100 m/s，激光功率分別為5.0，7.5，10.0，12.5，15.0 W。由圖4可以看出，隨著激光功率的增大，溝槽深度和溝槽寬度逐漸增大。當(dāng)激光功率為5.0 W時(shí)，溝槽深度和溝槽寬度分別為128.88 μm和93.67 μm；而激光功率增至15.0 W時(shí)，溝槽深度和溝槽寬度分別為232.34 μm和127.95 μm，溝槽深度增大了80.3%，寬度增大了36.6%。分析原因是，脈沖頻率不變，隨著激光平均功率的增大，單脈沖能量增大，材料去除效率提高，切割深度能力增強(qiáng)，所以激光功率增大，溝槽深度也隨之增大；同時(shí)由于單脈沖能量的增大，達(dá)到燒蝕閾值的材料寬度增加，導(dǎo)致切縫寬度變大。此外，從圖4中觀察到，當(dāng)激光功率為5.0 W時(shí)，材料表層的熱影響區(qū)寬度較15.0 W時(shí)小，切縫邊緣平直，表層樹脂無(wú)裂紋。

2.1.2? 脈沖頻率對(duì)溝槽幾何形貌的影響

圖5所示為脈沖頻率變化對(duì)溝槽深度、寬度和表面形貌的影響規(guī)律。加工參數(shù)為：激光功率15.0 W、切割速度5 mm/s、水射流速度100 m/s，脈沖頻率分別為5，10，15，20，25 kHz。由圖5可以看出，隨著脈沖頻率的增大，溝槽深度和溝槽寬度逐漸減小。脈沖頻率為5 kHz時(shí)，溝槽深度和寬度分別為259.26 μm和122.78 μm；當(dāng)脈沖頻率提高至25 kHz時(shí)，溝槽深度和寬度分別為158.31 μm和96.59 μm，溝槽深度減小了38.9%，寬度減小了21.3%。主要原因是，激光功率不變，隨著脈沖頻率的增大，單脈沖能量減小，材料去除效率降低，切割深度能力減弱，所以溝槽深度減小；同時(shí)由于單脈沖能量的減小，達(dá)到燒蝕閾值的材料寬度減小，導(dǎo)致切縫寬度也隨之變小。此外，從圖5中明顯觀察到，當(dāng)脈沖頻率為5 kHz時(shí)，溝槽表面的熱影響寬度最大；當(dāng)脈沖頻率為25 kHz時(shí)，表面的熱影響區(qū)寬度較小且切縫邊緣平直、表層樹脂無(wú)裂紋。

2.1.3? 切割速度對(duì)溝槽幾何形貌的影響

圖6所示為切割速度變化對(duì)溝槽深度、寬度和表面形貌的影響規(guī)律。加工參數(shù)為：激光功率15.0 W、脈沖頻率10 kHz、水射流速度100 m/s，切割速度分別為1，5，10，15，20 mm/s。由圖6可以看出，隨著切割速度的提高，溝槽深度顯著減小，溝槽寬度緩慢增大。切割速度為1 mm/s時(shí)，溝槽深度和溝槽寬度分別為427.66 μm和107.18 μm；而當(dāng)切割速度為20 mm/s時(shí)，溝槽深度和溝槽寬度分別為116.28 μm和122.41 μm，隨著水射流速度的提高，溝槽深度減小了72.8%，溝槽寬度增大了14.2%。這是因?yàn)榍懈钏俣鹊奶岣撸沟眉す馀c材料相互作用的時(shí)間縮短，則單位體積材料吸收激光脈沖數(shù)量減少，導(dǎo)致吸收激光總能量減少，能夠達(dá)到去除閾值的材料體積減少，材料去除效率降低。此外，從圖6中明顯觀察到，隨著切割速度的提高，溝槽表面形貌變差，在1 mm/s時(shí)，切縫邊緣平直、表層樹脂無(wú)裂紋且表面熱影響區(qū)寬度較小。

2.1.4? 水射流速度對(duì)溝槽幾何形貌的影響

圖7所示為水射流速度變化對(duì)溝槽深度、溝槽寬度和表面形貌的影響規(guī)律。加工參數(shù)為：激光功率15.0 W、切割速度5 mm/s、脈沖頻率10 kHz，水射流速度分別是80，100，120，140，160 m/s。隨著水射流速度的提高，溝槽深度先增大后減小，在水射流速度達(dá)到100 m/s時(shí)，溝槽深度最大，此時(shí)溝槽深度為242.36 μm；而溝槽寬度隨著水射流速度的提高逐漸減小，水射流速度從80 m/s提高至160 m/s，溝槽寬度從127.55 μm減小至79.42 μm，溝槽寬度減小了39.3%。主要原因是，隨著水射流速度的提高，水的動(dòng)能增大，對(duì)溝槽的沖刷能力增強(qiáng)，熔渣的去除能力增強(qiáng)，從而避免之后的脈沖打在熔渣上而損失部分激光能量，導(dǎo)致切割深度能力減弱。但是，當(dāng)水射流速度高于120 m/s時(shí)，溝槽深度逐漸變淺，這是因?yàn)樗淞鞯乃俣忍岣撸淞鞯臑R射情況嚴(yán)重，射流濺射進(jìn)一步影響射流的傳光，導(dǎo)致加工能力減弱，所以溝槽深度和溝槽寬度減小。此外，從圖7中可以看出，水射流速度為80 m/s和100 m/s時(shí)，切縫邊緣平直、表層樹脂無(wú)裂紋。

單因素試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)激光功率增大、脈沖頻率降低、切割速度降低時(shí)，切割深度能力增強(qiáng)，而水射流速度變化對(duì)切割深度能力影響不大。因此由單因試驗(yàn)確定的2 mm厚CFRP切割優(yōu)化參數(shù)如下：激光功率為15.0 W，脈沖頻率為10 kHz，切割速度為5 mm/s，水射流速度為80 m/s、100 m/s、120 m/s。

2.2? 2 mm CFRP切割試驗(yàn)

使用單因素試驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)開(kāi)展2 mm厚CFRP切割試驗(yàn)。圖8所示為切縫橫截面內(nèi)不同方向碳纖維鋪層最大熱影響寬度隨水射流速度的變化趨勢(shì)。首先，在不同水射流速度下均可以明顯觀察到：90°鋪層碳纖維的熱影響寬度最小，0°碳纖維鋪層的熱影響寬度最大，45°和135°碳纖維鋪層的熱影響寬度介于0°和90°之間。其次，隨著水射流速度從80 m/s增加到120 m/s時(shí)，4種碳纖維鋪層的熱影響寬度均減小。90°碳纖維鋪層在水射流速度80 m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為116.73 μm，當(dāng)水射流速度增加至120 m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為76.92 μm，熱影響寬度減小了34.1%；45°碳纖維鋪層在水射流速度80 m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為430.88 μm，當(dāng)水射流速度增加至120 m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為353.47 μm，熱影響寬度減小了18.0%；135°碳纖維鋪層在水射流速度80 m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為420.44 μm，當(dāng)水射流速度增加至120 m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為342.37 μm，熱影響寬度減小了18.6%；0°碳纖維鋪層在水射流速度80m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為589.88 μm，當(dāng)水射流速度增加至120 m/s時(shí)熱影響區(qū)寬度為379.55 μm，熱影響寬度減小了35.7%。

圖9所示為不同水射流速度下切縫橫截面熱損傷形貌，在水射流速度為120 m/s時(shí)熱影響寬度最小。

圖10所示為水射流速度為120 m/s時(shí)切縫橫截面的微觀形貌。首先，可以觀察到90°碳纖維鋪層在加工后出現(xiàn)碳纖維剝落，如圖10b、圖10c所示。其次，在熱影響區(qū)內(nèi)，相鄰碳纖維鋪層間的樹脂出現(xiàn)損傷，如圖10b～圖10e所示。此外，觀察到0°碳纖維熱影響區(qū)寬度最大，90°碳纖維熱影響區(qū)寬度最小，45°和135°碳纖維熱影響區(qū)寬度相近介于0°和90°之間。

3? 熱損傷機(jī)理分析

3.1? 表面熱損傷機(jī)理分析

圖11為材料表面損傷形成機(jī)理圖。532 nm波長(zhǎng)的激光在樹脂中的透過(guò)率約90%［31-32］，當(dāng)激光經(jīng)由微射流全反射傳輸?shù)讲牧媳砻娴臅r(shí)候，激光首先穿透材料表層的樹脂到達(dá)碳纖維的表面，激光能量被碳纖維吸收。在水射流截面大小范圍內(nèi)，激光直接輻照材料表面，材料達(dá)到去除溫度后被去除。由于碳纖維熱導(dǎo)率的各向異性（表1所示，軸向熱導(dǎo)率是50 W/（m·K），徑向熱導(dǎo)率是5 W/（m·K）），軸向熱導(dǎo)率是徑向熱導(dǎo)率的10倍，多余的熱量以熱傳導(dǎo)的方式沿著碳纖維軸向傳播，軸向熱傳導(dǎo)的同時(shí)，小部分的激光能量沿著碳纖維徑向傳導(dǎo)到其表面的樹脂，如圖11a所示。表層樹脂不斷吸收碳纖維徑向傳導(dǎo)的熱量，達(dá)到樹脂熔融溫度，在樹脂與碳纖維界面出現(xiàn)部分的熔融樹脂，水射流沖刷熔融樹脂導(dǎo)致樹脂分層，持續(xù)的水射流沖刷最終導(dǎo)致斷裂被剝離。此外，在加工過(guò)程中產(chǎn)生了等離子體［33-35］，等離子體產(chǎn)生的沖擊壓力造成材料表層樹脂的去除。綜上所訴，水射流和等離子體共同作用導(dǎo)致表面熱損傷的形成。

圖12a所示為激光功率分別為5.0 W和15.0 W時(shí)切縫表面熱損傷形貌，可以明顯觀察到，當(dāng)激光功率為15.0 W時(shí)，表面熱損傷區(qū)寬度增大且出現(xiàn)裂紋。這是因?yàn)榧す夤β蚀螅入x子體吸收激光能量產(chǎn)生更大的沖擊壓力，形成更大的熱損傷寬度。圖12b所示為脈沖頻率分別為5 kHz和25 kHz時(shí)切縫表面熱損傷形貌，當(dāng)脈沖頻率為5 kHz時(shí)，表面熱損傷寬度增大且觀察到樹脂裂紋。主要原因是脈沖頻率降低，使單脈沖能量增大，等離子體吸收脈沖能量后產(chǎn)生更大的沖擊壓力，造成更大的熱損傷寬度。圖12c所示為切割速度分別為1 mm/s和20 mm/s時(shí)溝槽表面熱損傷形貌，當(dāng)切割速度高時(shí)，溝槽表面熱損傷寬度大且樹脂表面出現(xiàn)裂紋。原因是切割速度提高，使水射流沖擊樹脂表面的動(dòng)能增大，所以造成熱損傷寬度增大并且表面樹脂出現(xiàn)裂紋。圖12d所示為水射流速度分別為80m/s和160m/s時(shí)溝槽表面熱損傷形貌，當(dāng)水射流速度提高時(shí)，水射流的動(dòng)能增大，沖刷樹脂的能力增強(qiáng)，所以熱損傷的寬度較大且表面樹脂出現(xiàn)裂紋。

3.2? 橫截面熱損傷機(jī)理分析

CFRP是碳纖維和樹脂兩相復(fù)合的材料，由于兩種材料的熱物理性質(zhì)不同，樹脂和碳纖維的去除機(jī)理也不同，所以CFRP是一種難加工材料。不同方向碳纖維損傷形成機(jī)理如圖13所示。

圖13a所示是0°碳纖維的水導(dǎo)激光去除過(guò)程，由于樹脂對(duì)激光的吸收率低，大部分的激光穿透表層的樹脂作用在碳纖維的表面，碳纖維吸收激光能量，激光直接輻照區(qū)的材料被燒蝕去除，高速水射流強(qiáng)對(duì)流換熱帶走部分的熱量，其余能量以熱傳導(dǎo)的形式沿著碳纖維的軸向傳遞。碳纖維的徑向熱導(dǎo)率小于軸向熱導(dǎo)率，大部分的激光能量沿著纖維軸向傳導(dǎo)至材料內(nèi)部，能量沿著纖維軸向傳導(dǎo)的同時(shí)，小部分能量沿著碳纖維的徑向傳導(dǎo)至碳纖維周圍的樹脂，因?yàn)樘祭w維的氣化溫度約3300 ℃，而樹脂的氣化溫度約360 ℃，故在碳纖維中傳導(dǎo)的能量不足以燒蝕去除碳纖維，但是足以損傷樹脂形成熱影響區(qū)。因?yàn)槔w維的排布方向與切割方向垂直，能量沿纖維軸向傳導(dǎo)距離遠(yuǎn)，所以在90°碳纖維分布區(qū)熱影響寬度較大。

圖13b所示是45°碳纖維的水導(dǎo)激光去除過(guò)程，135°碳纖維的水導(dǎo)激光去除機(jī)理與45°相同，兩者僅在纖維排布方向上存在角度的差異，因此本文只解釋45°碳纖維的水導(dǎo)激光去除機(jī)理。45°碳纖維的去除機(jī)理與0°碳纖維的去除機(jī)理類似。因?yàn)樘祭w維的排布方向與切割方向成45°，當(dāng)45°和0°碳纖維傳導(dǎo)同等能量時(shí)，沿著纖維方向能量傳導(dǎo)的距離是一致的，本文在切縫橫截面上觀察熱影響區(qū)的寬度，所以45°和135°碳纖維的熱影響區(qū)寬度是其在橫截面上投影的長(zhǎng)度，因此45°和135°碳纖維的熱影響區(qū)寬度較0°的小。

圖13c所示是90°碳纖維的水導(dǎo)激光去除過(guò)程，其加工的過(guò)程是：首先大部分的激光能量穿透樹脂作用在碳纖維表面，激光輻照區(qū)材料被燒蝕去除，水射流的強(qiáng)對(duì)流帶走部分的熱量，剩下的能量在碳纖維的內(nèi)部傳導(dǎo)，能量在傳導(dǎo)的同時(shí)造成樹脂的損傷，形成熱影響區(qū)。因?yàn)?0°碳纖維排布方向與切割方向同向，熱影響形成方向是沿著碳纖維徑向方向，能量沿碳纖維徑向傳導(dǎo)至其周圍樹脂的能量較小，故熱影響區(qū)寬度較0°碳纖維的小。熱影響區(qū)域內(nèi)的樹脂受熱分解，樹脂與碳纖維的粘連力減小，在高速水射流沖刷下，熱影響區(qū)域的部分碳纖維被去除，形成碳纖維剝落區(qū)。

通過(guò)X射線顯微鏡對(duì)水導(dǎo)激光切割后的樣品進(jìn)行微觀表征分析，分析熱影響區(qū)內(nèi)部和材料內(nèi)部的微觀形貌，如圖14所示。圖14a所示是X射線掃描得到的大小為700 μm×700 μm×1000 μm的塊體，包含了熱影響區(qū)與非熱影響區(qū)的材料。分別取Y=200 μm和Y=500 μm兩個(gè)位置進(jìn)行分析，如圖14b、圖14d所示，圖14c、圖14e所示分別是Y=200 μm和Y=500 μm位置的孔隙分析結(jié)果，其中白色亮點(diǎn)為孔隙分布區(qū)。由圖14b、圖14d可以明顯觀察到熱影響區(qū)域內(nèi)碳纖維鋪層層間的樹脂損傷，且出現(xiàn)一定程度的孔洞，該結(jié)果與圖10中觀察到的結(jié)果一致。

孔隙分析的結(jié)果表明，熱影響區(qū)的孔隙率明顯高于非熱影響區(qū)，說(shuō)明熱影響區(qū)內(nèi)的樹脂受熱分解產(chǎn)生孔洞。

圖15所示為4種碳纖維排布方向（0°、45°、90°和135°）熱損傷形成機(jī)理。CFRP中單向碳纖維鋪層厚度約為150 μm，鋪層間的樹脂厚度約為40 μm。在加工過(guò)程中，碳纖維內(nèi)的能量沿著碳纖維軸向傳導(dǎo)的同時(shí)，能量也沿著其徑向傳導(dǎo)，徑向傳導(dǎo)的熱量造成樹脂損傷。因?yàn)楸疚挠^察的是切縫橫截面內(nèi)的熱影響區(qū)寬度，所以碳纖維排布方向的不同，觀察到的熱影響寬度不同，其中0°碳纖維的熱影響區(qū)寬度最大，90°碳纖維的熱影響區(qū)寬度最小，而45°和135°的碳纖維熱影響區(qū)寬度相近，且熱影響寬度介于0°碳纖維和90°碳纖維。碳纖維層間的樹脂吸收兩個(gè)鋪層碳纖維徑向方向傳導(dǎo)的熱量，導(dǎo)致該部分的樹脂軟化/分解，在高速水射流的沖刷下部分樹脂被去除，形成圖中所示的層間樹脂損傷。此外，90°碳纖維其纖維的排布方向與水導(dǎo)激光切割方向同向，熱影響區(qū)域內(nèi)部樹脂分解，樹脂與碳纖維的粘連力減小，在水射流的高速?zèng)_刷下，熱影響區(qū)內(nèi)的碳纖維逐漸被去除，所以90°碳纖維鋪層的切縫寬度較其他層大。

水導(dǎo)激光加工材料的過(guò)程中，水射流一方面沖刷去除激光加工過(guò)程中的殘?jiān)硪环矫嫫鸬嚼鋮s材料的作用，抑制材料熱損傷的形成。圖15展示的是溝槽橫截面熱損傷的形成機(jī)理。水射流速度從80 m/s提高至120 m/s，熱影響寬度出現(xiàn)明顯的減小，這是因?yàn)樗淞魉俣鹊奶岣撸膶?duì)流換熱能力加強(qiáng)，水射流帶走材料多余的熱量，使得橫截面熱影響寬度減小。

4? 結(jié)論

本文應(yīng)用水導(dǎo)激光開(kāi)展CFRP切割試驗(yàn)，研究了加工參數(shù)對(duì)溝槽深度和寬度的影響規(guī)律，闡明了熱損傷的形成機(jī)理，得到以下結(jié)論：

（1）影響溝槽深度的主要因素是激光功率、脈沖頻率和切割速度；影響溝槽寬度的主要因素是激光功率、脈沖頻率和水射流速度。當(dāng)激光功率從5 .0W增加至15.0 W時(shí)，溝槽深度增大80.3%，寬度增大36.6%；激光功率不變，脈沖頻率從25 kHz降低至5 kHz時(shí)，溝槽深度增大38.9%，寬度增大21.3%；切割速度從20 mm降低至1 mm/s時(shí)，溝槽深度增大72.8%；水射流速度從80 m/s提高至160 m/s時(shí)，溝槽寬度減小39.3%。

（2）激光與材料的相互作用和水射流的沖刷作用是形成溝槽表面熱損傷的主要原因。加工過(guò)程中形成的等離子體吸收激光能量，吸收的能量越多，等離子體的沖擊壓力越大，表層樹脂的熱損傷越嚴(yán)重；水射流速度與切割速度的提高使得水射流沖刷樹脂的動(dòng)能增大，從而導(dǎo)致表層樹脂的熱損加重。

（3）橫截面熱損傷機(jī)理研究結(jié)果表明：橫截面熱影響區(qū)寬度與纖維排布方向有關(guān)。橫截面上熱影響區(qū)寬度是不同取向碳纖維其纖維軸向熱影響區(qū)寬度在橫截面上的投影長(zhǎng)度。90°碳纖維熱影響寬度最小，45°、135°碳纖維熱影響區(qū)寬度次之，并且其熱影響區(qū)寬度相近，0°碳纖維熱影響區(qū)寬度最大。

（4）提高水射流速度有利于抑制熱影響區(qū)寬度的擴(kuò)展。水射流速度提高，水的對(duì)流換熱能力提高，則冷卻材料的效果更顯著。水射流速度由80 m/s提高至120 m/s時(shí)，熱影響寬度減小35.7%。

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（編輯? 袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：

陳忠安，男，1998年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樗畬?dǎo)激光精密加工。E-mail：chenzhongan@nimte.ac.cn。

張廣義（通信作者），男，1988年生，副研究員。研究方向?yàn)樗畬?dǎo)激光加工技術(shù)及應(yīng)用。E-mail：zhangguangyi@nimte.ac.cn。