朱德志，胡 俊

（1.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240；2. 東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201600）

碳纖維復(fù)合材料由于其高比強度，高比模量等優(yōu)異的機械性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車行業(yè)。如空客A350中復(fù)合材料的比例超過了30%，在波音787中更是高達50%[1]。碳纖維復(fù)合材料由碳纖維和樹脂組成，碳纖維的氣化溫度比樹脂高一個數(shù)量級[2]，由于其具有各向異性以及非均質(zhì)的特性，傳統(tǒng)機械方法很難加工[3]，例如銑削、鉆孔和切割[4-5]都會導(dǎo)致嚴(yán)重的刀具磨損、分層、纖維拔出等問題[6]。有學(xué)者提出了一些非傳統(tǒng)加工方法，如水刀切割[7]，但是加工過程中，水分滲透到復(fù)合材料中，也會導(dǎo)致較差的機械性能。

激光加工作為一種非接觸式加工方法，具有易于控制、沒有機械力和刀具磨損等優(yōu)點[8]。然而，激光加工存在比較顯著的熱影響區(qū)。Yung等研究了激光頻率和功率對復(fù)合材料加工熱影響區(qū)的影響[9]。激光加工過程中，沿碳纖維軸向的熱導(dǎo)率顯著大于其他方向，熱量沿軸向迅速傳遞，當(dāng)還沒到達碳纖維的汽化溫度時，積累的熱量就會導(dǎo)致樹脂熱解，進一步產(chǎn)生過燒現(xiàn)象[10]。因此需通過減少激光與材料的作用時間，抑制熱影響區(qū)。皮秒激光能較大程度減少激光與復(fù)合材料的作用時間，同時可以獲得較小的燒蝕閾值[11]。由于其較高的峰值能量和脈沖重復(fù)頻率，在一些領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[12]。

本文研究意義主要分為以下3部分，針對減少激光加工過程中的熱影響區(qū)，研究了激光功率、掃描速度和填充距離對加工質(zhì)量的影響規(guī)律，從而確定了最優(yōu)的加工工藝參數(shù)。通過分析樣件表面微結(jié)構(gòu)，揭示了碳纖維復(fù)合材料的去除機理。利用深度控制技術(shù)能有效提高工業(yè)生產(chǎn)中激光能量的利用率。

試驗及方法

1 碳纖維復(fù)合材料

試驗中選用的碳纖維復(fù)合材料包括7層結(jié)構(gòu)，總厚度約為1.5mm，最外兩層為編織層，內(nèi)部各層分別沿0°和90°碳纖維方向排列。碳纖維是日本東麗公司生產(chǎn)的T300，體積分?jǐn)?shù)為0.6，樹脂為環(huán)氧樹脂。碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)如表1所示。

2 激光加工系統(tǒng)

試驗采用了Edgewave公司生產(chǎn)的二極管泵浦Nd:YVO4皮秒激光器，波長為355nm，脈寬10ps，重復(fù)頻率400kHz，最大輸出功率24W，聚焦光斑直徑21μm。如圖1所示，激光加工系統(tǒng)由激光光源、掃描頭、F-θ物鏡和運動控制平臺組成。掃描頭具有平面掃描功能，F(xiàn)-θ物鏡可以在加工過程中保持聚焦光斑不變。圖2展示了激光光斑的分布情況，相鄰兩道軌跡間的距離d就是填充間距。

3 試驗設(shè)計

3.1 響應(yīng)面試驗設(shè)計

試驗中，在樣件上進行邊長為8mm的正方形區(qū)域激光銑削加工，各個區(qū)域均加工8層。影響材料加工質(zhì)量的因素包括：脈沖重復(fù)頻率、單脈沖能量、掃描速度、填充間距和激光功率等。從光斑排布角度分析，影響因素包括水平光斑間距和垂直光斑間距，其中水平光斑間距由脈沖重復(fù)頻率和掃描速度決定，垂直光斑間距就是填充間距。同時從能量角度分析，激光功率由脈沖重復(fù)頻率和單脈沖能量決定，當(dāng)固定脈沖重復(fù)頻率時，只需要考慮掃描速度、填充間距和激光功率這3個因素。進行單因素篩選試驗，從而得到較優(yōu)的參數(shù)范圍，激光功率（p）的優(yōu)選范圍為7.28～16.24W，掃描速度（v）的優(yōu)選范圍為 2200～2600mm/s，填充間距的優(yōu)選范圍為0.015～0.035mm。在優(yōu)選范圍的基礎(chǔ)上，進行響應(yīng)面分析，采用BBD試驗設(shè)計（Box-Behnken Design），共計15組試驗，其中析因部分試驗次數(shù)為12次，中心點重復(fù)試驗次數(shù)為3次，綜合考慮加工質(zhì)量和加工深度，從而得到最優(yōu)的激光銑削參數(shù)。

3.2 深度控制試驗設(shè)計

試驗在最優(yōu)的銑削參數(shù)（p=11.76W，v=2200mm/s，d=0.015mm）下進行。激光加工過程中應(yīng)使聚焦平面與加工平面重合，激光光束具有一定的聚焦深度，經(jīng)過一定的加工層數(shù)之后，調(diào)整Z軸，保證良好的聚焦環(huán)境，提高能量利用率。本試驗一共3組，每組分別加工5個樣件，掃描層數(shù)分別為 10、20、30、40和50。試驗A中，固定Z軸，即不移動聚焦平面；試驗B中，激光每加工10層，Z軸向下移動0.1mm；試驗C中，激光每加工10層，Z軸向下移動0.2mm,通過分析能量和加工深度之間的關(guān)系，從而確定最優(yōu)的深度控制策略。

表1 碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)

圖1 激光加工系統(tǒng)Fig.1 Draft of laser milling system

圖2 激光光斑分布圖Fig.2 Laser pulses distribution

結(jié)果與討論

1 銑削表面微觀形貌

如圖3所示，選取銑削面中間部分作為觀測區(qū)域，通過掃描電鏡放大1000倍，該樣件加工參數(shù)為p=14.32W，v=2200mm/s，d=0.01mm，由于加工深度小于0.3mm，可以清晰地看到材料表面的編織層。加工過程中能量分布不均，致使顯微圖中出現(xiàn)了大量長短不一的碳纖維，而且填充間距小于聚焦光斑直徑，光斑重疊的區(qū)域能量迅速積累，碳纖維軸向熱導(dǎo)率顯著大于徑向熱導(dǎo)率，熱量沿軸向迅速傳遞，從而導(dǎo)致大部分樹脂熱解退化，產(chǎn)生了較大的熱影響區(qū)，降低了銑削加工質(zhì)量以及能量利用率。

圖4中樣件的加工參數(shù)為p=16.24W，v=2400mm/s，d=0.015mm，相比于納秒激光銑削加工的研究，顯微圖中沒有觀察到明顯的熱影響區(qū)，銑削面保留了較好的原始形貌特征，皮秒激光的脈沖寬度為10ps，一個脈沖周期內(nèi)，加工時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于冷卻時間，從而不會存在較大的熱積累，碳纖維在具有極高能量密度的激光輻射下直接汽化，擴散的能量不足以導(dǎo)致樹脂基體熱解。對于紫外激光加工，樹脂的去除機理是不一樣的，光子的能量足夠打破樹脂間的化學(xué)鍵，直接將樹脂去除，同時也存在部分樹脂熱解，即樹脂的去除過程既包括光化學(xué)作用又包括熱解作用，是一個復(fù)雜的過程。

圖5中樣件的加工參數(shù)為p=7.28W、v=2400mm/s、d=0.035mm，在該組參數(shù)的作用下，平均8層銑削深度是20μm，是試驗中加工深度最小的一組樣件，在體視顯微鏡的觀測下，加工表面凹凸不平，編織層比較明顯。選取銑削面邊緣部分作為觀測區(qū)域，在顯微圖中可以看到大量的殘余短纖維，根據(jù)試驗掃描策略，纖維間的溝壑是激光掃描軌跡，短纖維是掃描軌跡間未加工的材料，由于填充間距為0.035mm，大于聚焦光斑直徑0.021mm，掃描軌跡間的能量不足以剝蝕去除大量碳纖維，同時也可以觀察到，邊緣銑削加工質(zhì)量較差，殘余短纖維更加顯著，主要由于邊緣能量聚集較小，而且該組試驗激光功率較低。針對殘余短纖維現(xiàn)象，可以采用交叉掃描策略，一層水平掃描加工，一層垂直掃描加工，交替加工進行，從而減少由掃描軌跡導(dǎo)致的加工不均勻現(xiàn)象。

2 材料去除過程

碳纖維復(fù)合材料由碳纖維和環(huán)氧樹脂組成，具有不均勻性和各向異性，碳纖維的熱導(dǎo)率顯著大于樹脂的熱導(dǎo)率，同時其氣化溫度比樹脂的氣化溫度大一個數(shù)量級，較少的能量就能將樹脂去除，對于碳纖維，軸向的熱導(dǎo)率大于徑向的熱導(dǎo)率，這一特性決定了能量主要沿軸向傳遞。根據(jù)上一部分闡述，碳纖維復(fù)合材料的去除包括熱解作用和光化學(xué)作用，同時也包括力學(xué)剝蝕作用。試驗過程中，有一組加工參數(shù)填充間距為0.025mm，大于聚焦光斑的直徑，但是在掃描軌跡間并沒有發(fā)現(xiàn)殘余短纖維，激光加工過程中，掃描軌跡間的材料，由于熱量積累，樹脂基體熱解產(chǎn)生大量氣體，在多孔隙碳纖維骨架中流動，較大的氣體壓力將殘余碳纖維剝蝕而出，顯著提高了能量利用率和加工質(zhì)量。相比于長波長納秒脈沖激光加工研究，皮秒激光加工采用較高的脈沖重復(fù)頻率，提高了激光光斑的重疊率，同時紫外波長相比于其他波長，能直接將樹脂基體光解，此時力學(xué)剝蝕作用不太顯著。紫外皮秒激光加工碳纖維復(fù)合材料是一個作用時間短、區(qū)域小、變化快的動態(tài)物理過程，材料的去除機理包含熱解、光解和力學(xué)剝蝕等多種機理混合作用。

圖3 銑削表面中間部分微結(jié)構(gòu)（p=14.32W, v=2200mm/s, d=0.01mm）Fig.3 Microstructure of the middle pat of milled surface （p=14.32W, v=2200mm/s,d=0.01mm）

圖4 銑削表面中間部分微結(jié)構(gòu)（p=16.24W, v=2400mm/s, d=0.015mm）Fig.4 Microstructure of the middle part of milled surface（p=16.24W, v=2400mm/s, d=0.015mm）

圖5 銑削表面邊緣部分微結(jié)構(gòu)（p=7.28W, v=2400mm/s, d=0.035mm）Fig.5 Microstructure of the marginal part of milled surface（p=7.28W, v=2400mm/s, d=0.035mm）

圖6 激光功率和掃描速度對銑削深度的影響Fig.6 Effect of laser power and scanning speed on milling depth

圖7 填充間距和掃描速度對銑削深度的影響( p=11.76W)Fig.7 Effect of hatch distance and scanning speed on milling depth ( p=11.76W)

圖8 激光功率和填充間距對銑削深度的影響 (v=2200mm/s)Fig.8 Effect of laser power and hatch distance on milling depth (v=2200mm/s)

3 銑削參數(shù)影響規(guī)律

在響應(yīng)面試驗設(shè)計中，銑削工藝參數(shù)包括激光功率、填充間距和掃描速度，響應(yīng)指標(biāo)主要是銑削深度和加工質(zhì)量。試驗中一共15個樣件，每個樣件經(jīng)過8層激光掃描加工，用三維形貌儀測量加工深度，通過掃描顯微鏡觀測熱影響區(qū)，進行銑削深度和工藝參數(shù)間的多項式擬合，建立可預(yù)測數(shù)學(xué)模型，通過方差分析，發(fā)現(xiàn)多因素的交互作用對銑削深度的影響比較顯著。固定一個銑削工藝參數(shù)，分析其他兩個因素對響應(yīng)指標(biāo)的交互作用。

如圖6（a）所示，固定填充間距為0.015mm，分析激光功率和掃描速度對銑削深度的影響，可以發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)每一組激光功率，都會存在一個最優(yōu)的掃描速度，使得加工深度最大，而且通過減小掃描速度，增加激光功率，可以提高加工深度。6（b）顯示了填充間距為0.025mm時，激光功率和掃描速度對銑削深度的影響規(guī)律，綜合圖6可得，填充間距對加工深度的影響比較顯著，隨著填充間距的增加，整體加工深度有下降的趨勢，主要是因為掃描軌跡間的材料在較大的填充間距情況下，積累的熱量不足以將其去除。

圖7顯示了激光功率為11.76W時，掃描速度和填充間距對加工深度的影響，固定填充間距，掃描速度對其的影響比較平緩，近似水平關(guān)系。如圖8所示，較小的填充間距和較大的激光能量可以得到較大的加工深度，當(dāng)加工參數(shù)分別為p=16.24W，v=2200mm/s，d=0.015mm 時，得到最大的加工深度，但是加工質(zhì)量卻不是最好，由于較大能量聚集，導(dǎo)致樹脂退化，出現(xiàn)纖維裸露現(xiàn)象。最淺的加工樣件是在參數(shù)為p=7.28W、v=2600mm/s、d=0.035mm 時得到，在不同參數(shù)的組合下，可以得到相同的加工深度，但是表面質(zhì)量差異較大，為了得到最優(yōu)的加工參數(shù)，需要同時考慮銑削深度和加工質(zhì)量，當(dāng)加工參數(shù)為p=11.76W、v=2200mm/s、d=0.015mm時，加工表面沒有明顯的缺陷，并且可以得到110μm的銑削深度。

4 深度控制技術(shù)

在激光銑削試驗中，對于固定的一組工藝參數(shù)，每層的去除深度是一定的，但是層與層之間的熱積累影響都會導(dǎo)致多層加工之后達不到設(shè)定的深度值，同時激光加工過程中的離焦現(xiàn)象也降低了能量的利用率。通過深度控制試驗，從而分析皮秒激光加工復(fù)合材料過程中的熱積累影響規(guī)律以及深度控制策略。

如圖9所示，試驗B較其他兩組試驗，具有較大的銑削深度值，說明通過試驗B的深度控制策略可以得到較好的聚焦環(huán)境，可以發(fā)現(xiàn)在該組試驗中，銑削深度和激光能量成線性關(guān)系，即單位能量的材料移除量是一個固定值，說明紫外皮秒銑削過程中，每10層之間的熱積累影響比較小，同時也可以說明，聚焦光斑在具有一定聚焦深度的情況下較好的保持在被加工面上。試驗A和試驗C中的銑削深度隨著加工層數(shù)的增加，上升趨勢減緩，試驗C中的Z軸伴隨下降值大于聚焦深度，出現(xiàn)正離焦現(xiàn)象，被加工表面的能量密度小于聚焦光斑的能量密度，燒蝕深度減小，試驗A產(chǎn)生了負(fù)離焦現(xiàn)象，從而得到最小的加工深度，隨著激光加工的進行，銑削深度將保持不變。

結(jié)論

圖9 3組不同聚焦策略試驗Fig.9 Three groups of experiments with different focal planes

試驗研究了紫外皮秒激光銑削工藝參數(shù)對加工質(zhì)量和加工深度的影響規(guī)律，在優(yōu)化的銑削條件下，加工樣件表面沒有明顯的熱影響區(qū)，通過分析樣件微觀形貌，對紫外皮秒激光加工碳纖維復(fù)合材料的去除機理進行了研究，同時也提出了深度控制技術(shù)，研究得出的主要結(jié)論如下：

（1）激光加工碳纖維復(fù)合材料是一個復(fù)雜的過程，在該組試驗中得到的最優(yōu)工藝參數(shù)分別為p=11.76W、v=2200mm/s、d=0.015mm，相比于納秒激光加工，皮秒激光加工能更有效的抑制熱影響區(qū)，并且通過改變水平脈沖間距和垂直脈沖間距可以獲得較高的光斑重疊率。

（2）碳纖維復(fù)合材料的去除機理包括熱解作用，光化學(xué)作用和力學(xué)剝蝕作用，在較高的光斑重疊率下，力學(xué)剝蝕作用不太顯著。

（3）通過深度控制技術(shù)的試驗，分析銑削深度隨能量的變化規(guī)律，當(dāng)兩者成線性關(guān)系時，得到了最優(yōu)的深度控制策略，從而可以提高激光加工碳纖維復(fù)合材料在工業(yè)應(yīng)用中的能量利用率。

[1]KATNAM K B, SILVA L F M D,YOUNG T M. Bonded repair of composite aircraft structures: a review of scientific challenges and opportunities[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2013,61: 26-42.

[2]TAGLIAFERRI V, ILIO A D, VISCONTI C. Laser cutting of fibrereinforced polyesters[J].Composites, 1985, 16(4):317-325.

[3]G O E K E A, EMMELMANN C.Influence of laser cutting parameters on CFRP part quality[J]. Physics Procedia, 2010, 5: 253-258.

[4]HU N S, ZHANG L C. Some observations in grinding unidirectional carbon fibre-reinforced plastics[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 152(3): 333-338.

[5]BHATNAGAR N, RAMAKRISHNAN N, NAIK N K, et al. On the machining of fiber reinforced plastic (FRP) composite laminates[J]. International Journal of Machine Tools &Manufacture, 1995, 35(5): 701-716.

[6]KRISHNARAJ V, PRABUKARTHI A, RAMANATHAN A, et al. Optimization of machining parameters at high speed drilling of carbon fiber reinforced plastic (CFRP)laminates[J]. Composites Part B: Engineering,2012, 43(4): 1791-1799.

[7]SRINIVASU D S, AXINTE D A.Mask-less pocket milling of composites by abrasive waterjets: an experimental investigation[J]. Journal of Manufacturing Science &Engineering, 2014, 136(4): 041005.

[8]AL-SULAIMAN F A, YILBAS B S, AHSAN M, et al. Laser Hole drilling of composites and steel workpieces[J]. Lasers in Engineering, 2006, 16(1): 105-120.

[9]YUNG K C, MEI S M, YUE T M. A study of the heat-affected zone in the UV YAG laser drilling of GFRP materials[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2002, 122(2-3): 278-285.

[10]DAVIM J P, BARRICAS N,CONCEI??O M, et al. Some experimental studies on CO2, laser cutting quality of polymeric materials[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 198(1-3): 99-104.

[11]WOLYNSKI A, HERRMANN T,MUCHA P, et al. Laser ablation of CFRP using picosecond laser pulses at different wavelengths from UV to IR[J]. Physics Procedia, 2011, 12(1):292-301.

[12]SUGIOKA K, CHENG Y. Ultrafast lasers—reliable tools for advanced materials processing[J]. Light Science & Applications,2014, 3(4): 1-12.