纖維復(fù)合材料激光加工進(jìn)展及航天應(yīng)用展望

張加波，張開虎，范洪濤，路明雨，高澤，張孝輝

中國空間技術(shù)研究院 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094

結(jié)構(gòu)輕量化、結(jié)構(gòu)-功能一體化需求已成為空間飛行器、飛機(jī)、坦克、風(fēng)力發(fā)電、汽車等軍民產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，尤其是在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行器逐漸朝向大尺寸、高承載、長壽命的趨勢發(fā)展，這些需求日益突出。產(chǎn)品復(fù)合材料化成為解決上述需求的理想途徑之一，特別是纖維復(fù)合材料以其輕質(zhì)、高模量、高強(qiáng)度、低膨脹、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)成為各類復(fù)合材料中應(yīng)用最廣泛和最重要的復(fù)合材料之一。在民用航空領(lǐng)域，為滿足不斷提升的低能耗、高抗疲勞等力學(xué)特性需求，纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例已成為飛機(jī)先進(jìn)程度的標(biāo)志之一；在航天領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料很早就用于衛(wèi)星、深空探測器等空間飛行器的主體結(jié)構(gòu)(如衛(wèi)星的外殼、中心承力筒和儀器安裝結(jié)構(gòu)板，探測器被罩)、功能結(jié)構(gòu)(如太陽電池陣結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu))、防護(hù)結(jié)構(gòu)和輔助結(jié)構(gòu)，是應(yīng)用比例最高的材料之一，并在空間飛行器的升級換代過程中不斷提高應(yīng)用比例，成為制造現(xiàn)有和未來空間飛行器不可或缺的關(guān)鍵材料。如今，纖維復(fù)合材料的應(yīng)用范圍已從衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品拓展到機(jī)構(gòu)、熱控產(chǎn)品，取代了越來越多的鋁合金、鈦合金、純銅等傳統(tǒng)承載或熱控材料，其應(yīng)用水平和規(guī)模甚至已關(guān)系到空間武器裝備跨越式提升和型號研制的成敗。例如對于機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，為滿足太空冷熱交變環(huán)境下新一代遙感、偵查等衛(wèi)星有效載荷高指向精度的需求，天線展開臂等支撐結(jié)構(gòu)在軌變形量應(yīng)該控制在10℃量級，因此利用具有近零膨脹特性的碳纖維復(fù)合材料幾乎已成為必由之路。

近幾十年來激光制造技術(shù)和復(fù)合材料技術(shù)二者在各自的領(lǐng)域發(fā)展迅速，并在其交集領(lǐng)域，即復(fù)合材料激光加工領(lǐng)域催生了一批科學(xué)、技術(shù)和工藝問題，涉及材料的分離、連接、表面處理等眾多方面。纖維復(fù)合材料制品雖然力求一次成形到位，但切割、制孔等減材加工依然是多數(shù)產(chǎn)品制造過程中不可避免的環(huán)節(jié)。尤其是隨著復(fù)合材料功能的拓展帶來了更高的加工要求，例如材料應(yīng)用由結(jié)構(gòu)件擴(kuò)展到機(jī)構(gòu)件，帶來了高精度與低損傷的加工需求。然而纖維與基體迥異的力、熱、電、光等物理性質(zhì)使力、熱、電、光等加工能量場與纖維和基體同時(shí)作用時(shí)，二者在細(xì)觀尺度上往往難以均勻去除，造成加工損傷和缺陷突出、加工精度受限等問題，使纖維復(fù)合材料成為一種典型的難加工材料。目前考慮到接觸式加工(如機(jī)械式切削)的一些固有優(yōu)勢，實(shí)際生產(chǎn)中依然普遍采用這一加工方法。但隨制造需求的不斷提升，接觸式加工存在的加工損傷、精度、尺度(例如微細(xì)結(jié)構(gòu))、效率方面等一系列問題推動了人們對新工藝的探索，如傳統(tǒng)激光加工、電加工、磨粒水射流加工等單能量場特種加工，超聲振動輔助切削加工、水射流輔助激光加工等復(fù)合能量場特種加工。激光加工具有以下優(yōu)勢：① 在加工柔性方面，可控性較強(qiáng)且可實(shí)現(xiàn)車、銑、鉆、拋、切割等幾乎所有常見工種，尤其適合微細(xì)或薄壁結(jié)構(gòu)加工、表面工程領(lǐng)域；② 在效率和成本方面，沒有刀具磨損、加工效率可以很高，且在加工經(jīng)濟(jì)性方面被證明是最優(yōu)的工藝之一；③ 在熱損傷與缺陷方面，由于激光加工過程無接觸應(yīng)力，可有效避免接觸加工出現(xiàn)的分層、崩邊、纖維破碎等加工損傷和缺陷問題，且研究表明在目前的幾種加工方法(銑削、水射流加工和激光加工)中，激光加工對纖維復(fù)合材料疲勞強(qiáng)度影響最小、對拉伸強(qiáng)度的影響與其他方法相當(dāng)(即使所用為熱效應(yīng)突出的紅外連續(xù)激光且引入了厚度超過幾十微米的熱影響區(qū))。

對于復(fù)合材料的激光加工，既存在挑戰(zhàn)，也存在可突破的機(jī)遇，更具備拓展新型加工工藝、滿足新需求的潛力。一方面，對于連續(xù)激光、毫秒至納秒量級的長脈沖激光等傳統(tǒng)激光，雖激光燒蝕的邊緣熱影響區(qū)(一般為焦糊狀)對材料力學(xué)性能的影響是幾種特種加工方法中最小的，但其不僅影響外觀質(zhì)量，而且會嚴(yán)重影響被加工結(jié)構(gòu)的幾何精度、表面粗糙度等精度指標(biāo)；另一方面，對于皮秒激光、飛秒激光等具有極端物理特性的超快激光，不僅有望最大限度地克服傳統(tǒng)激光在加工精度和損傷方面的不足，更有望在復(fù)合材料表面工程、微納制造等方面實(shí)現(xiàn)表面清洗與活化、表面金屬化等制造方法，滿足連接或功能表面制備等新需求。尤其是將航天領(lǐng)域纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的特點(diǎn)(多為薄壁結(jié)構(gòu))、現(xiàn)有或潛在加工需求、激光加工的能力與優(yōu)勢三者聯(lián)系起來，不難發(fā)現(xiàn)激光加工(尤其是超快激光加工)具有良好的應(yīng)用前景。

根據(jù)美國國家航空航天局(NASA)的分類標(biāo)準(zhǔn)，若按復(fù)合材料基體劃分，航空航天所用的各種復(fù)合材料一般分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及碳/碳復(fù)合材料等；按增強(qiáng)或增韌相的形態(tài)劃分，纖維復(fù)合材料占絕對主導(dǎo)地位，其增強(qiáng)纖維通常包含碳纖維(Carbon Fiber)、玻璃纖維(Glass Fiber)和芳綸纖維(Aramid Fiber)。本文針對幾類典型纖維復(fù)合材料的激光加工綜述實(shí)驗(yàn)與理論方面的研究進(jìn)展、工藝及應(yīng)用研究進(jìn)展，并面向航天產(chǎn)品在材料的分離、連接、表面處理等方面的應(yīng)用需求展望制造工藝和裝備的發(fā)展。

1 共性基礎(chǔ)問題

金屬、半導(dǎo)體和光學(xué)玻璃是研究激光與物質(zhì)相互作用的傳統(tǒng)對象。但隨著應(yīng)用的深入，激光與復(fù)合材料相互作用逐漸成為一項(xiàng)重要的研究課題。到目前為止，中國的復(fù)合材料激光加工技術(shù)總體處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚未大量應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中；對于國外，在德國、日本、美國等發(fā)達(dá)國家該技術(shù)已處于實(shí)驗(yàn)室研究和產(chǎn)業(yè)化并存的階段，某些技術(shù)分支已處于成熟應(yīng)用階段。因此激光加工復(fù)合材料的基礎(chǔ)研究工作仍在大量開展，雖國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域纖維復(fù)合材料的種類繁多，但涉及的纖維種類很有限——碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維這3類纖維為最常見的纖維，其中又以碳纖維為主導(dǎo)；材料涉及的基體組分以各類樹脂基體為最常見。由此產(chǎn)生了以碳纖維/樹脂(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)、玻璃纖維/樹脂(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)和芳綸纖維/樹脂(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)為典型的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP)。

針對其中應(yīng)用最廣的材料CFRP，英國謝菲爾德大學(xué)和埃及的學(xué)者統(tǒng)計(jì)了截止到2018年底其激光加工研究內(nèi)容分布(如圖1所示)，可見激光加工的研究焦點(diǎn)集中在以熱影響區(qū)(Heat-Affected Zone，HAZ)為代表的熱損傷與缺陷問題，其次是以切縫深度及材料去除率為代表的加工效率問題及以切縫寬度和斷面傾角為代表的精度問題。圖1中針對CFRP的研究內(nèi)容也是針對其他纖維復(fù)合材料的一個(gè)縮影。

圖1 激光加工CFRP不同方面研究的貢獻(xiàn)度[10]Fig.1 Percentage of contributions of research in different aspects of CFRP laser machining[10]

針對這些研究內(nèi)容的重點(diǎn)共性問題，經(jīng)系統(tǒng)分析與梳理綜述其典型進(jìn)展、研究特點(diǎn)、問題與挑戰(zhàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1.1 傳統(tǒng)激光及其復(fù)合能場加工

由于熱影響區(qū)往往伴隨著材料力學(xué)性能退化及加工壁面粗糙度、結(jié)構(gòu)顏色外觀改變等問題，因此熱影響區(qū)的問題成為激光加工能否用于相應(yīng)場合的首要問題，也是歷來最受關(guān)注的核心。如圖2所示，熱影響區(qū)本質(zhì)上可視為材料被去除區(qū)域(例如切縫)與遠(yuǎn)離能場的材料本征性質(zhì)區(qū)域之間的過渡區(qū)域。

圖2 激光加工FRP的邊緣熱影響區(qū)Fig.2 Laser processing induced heat-affected zone of FRP

在減小加工邊緣熱影響區(qū)尺度方面，研究發(fā)現(xiàn)至少可考慮兩類原理來應(yīng)對：① 縮短激光與材料相互作用的時(shí)間，其原理為通過縮短作用時(shí)間對抗熱擴(kuò)散效應(yīng)、抑制有助于熱影響區(qū)形成的熱擴(kuò)散長度；② 通過外界環(huán)境(例如冷卻液體的沖刷)對流冷卻加工區(qū)域，抑制達(dá)到熱損傷的溫度等條件。具體地，原理①在工程實(shí)際中通常為激光干式加工，大致衍生出兩類方法：改變“激光刀”本身——將連續(xù)激光轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖激光，并不斷降低脈沖的持續(xù)時(shí)間；或不改變“激光刀”本身，而是通過改變激光加工頭的形態(tài)(如圖3所示)實(shí)現(xiàn)光束末端軌跡速度的變化——將傳統(tǒng)的氣體輔助加工(Gas-Assisted Processing)轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)程激光加工(Remote Laser Processing)模式，從而將光束掃描速度由0.01～1 m/s量級大幅提升到1～100 m/s量級，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料由“一次猛切到位”到“少量多次刻蝕以逐漸去除”的加工效果。

圖3 激光干式加工的加工頭Fig.3 Processing head for laser dry processing

圖4 水射流輔助激光加工原理Fig.4 Principle for laser-water jet hybrid machining

對于基于原理②的方法，其典型代表是瑞士Richerzhang于20世紀(jì)90年代末將水射流技術(shù)與傳統(tǒng)形式的激光直接加工方法結(jié)合提出的水導(dǎo)激光加工技術(shù)，其基本原理如圖4所示。與原理①衍生出的方法(即激光干式加工)相比，該類方法是典型的濕式加工法。作為一種復(fù)合能場加工技術(shù)，利用水流的沖刷、冷卻作用和等效長焦的特點(diǎn)，在降低熱損傷、增加切削深度、降低對昂貴激光器(例如超快激光器)依賴性方面有其獨(dú)有的優(yōu)勢。在水導(dǎo)激光加工技術(shù)領(lǐng)域，Richerzhang創(chuàng)辦的Synova公司在世界上具有引領(lǐng)優(yōu)勢，在面向不同領(lǐng)域的高水壓大功率激光-水射流復(fù)合加工系統(tǒng)方面占據(jù)了大量市場。近幾年針對CFRP材料，江南大學(xué)、清華大學(xué)、內(nèi)蒙古科技大學(xué)等高校開展了相關(guān)研究，如發(fā)現(xiàn)將納秒激光干式切割中幾百微米的熱影響區(qū)通過水射流輔助激光切割降低為僅一百甚至僅幾十微米；對于幾毫米厚的材料，單邊錐度可減小11.8%至2°～3°左右。由于航天領(lǐng)域纖維復(fù)合材料存在基體吸濕、潮解等傾向及水殘留的太空揮發(fā)等問題，正式產(chǎn)品加工一般禁止涉水加工，故本文主要針對激光干式加工展開。隨著未來纖維復(fù)合材料耐濕熱性的不斷提升，水射流輔助激光加工仍然是具有較好應(yīng)用前景的加工技術(shù)。

對于激光干式加工產(chǎn)生的熱影響區(qū)問題，近期國內(nèi)外研究(如圖5所示，圖中方框區(qū)域代表可達(dá)區(qū)域，圓點(diǎn)代表典型尺度；以切削法導(dǎo)致的損傷層厚作為參考)表明，使用連續(xù)激光(包含連續(xù)模式運(yùn)行的二氧化碳激光和光纖激光)對CFRP材料進(jìn)行切割或打孔，產(chǎn)生的熱影響區(qū)厚度一般在毫米量級，毫秒至微秒脈沖激光產(chǎn)生的熱影響區(qū)厚度可減半，納秒激光在10～10μm量級(通過優(yōu)化激光波長至短波及其他工藝參數(shù)，可減小至幾十微米)。熱影響區(qū)可視為激光加工的損傷層，與之對應(yīng)的機(jī)加工也有加工損傷層。在中國具有代表性的工作之一是大連理工大學(xué)通過相應(yīng)的切削損傷抑制原理與刀具設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合控溫切削工藝和逆向冷卻工藝可將切削損傷由厘米級降低至0.1 mm以內(nèi)，相關(guān)成果獲得2017年國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。圖5將這一損傷尺度與各種激光加工的熱影響區(qū)尺度作了對照。

對于其他纖維復(fù)合材料，如玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯(GFPP)或環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料、高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)或玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料、芳綸纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(AFRP)和碳纖維增強(qiáng)陶瓷基體復(fù)合材料(如C/SiC)，雖然由于材料性質(zhì)、激光加工參數(shù)及激光加工頭形式(見圖3)的不同會產(chǎn)生不同尺度的熱影響區(qū)，但均在10～10μm量級，因此使用傳統(tǒng)激光很難滿足10 μm量級及以下熱影響區(qū)尺度的低損傷加工要求。在加工斷面傾角方面，對于幾毫米厚的CFRP和GFRP材料，經(jīng)過加工優(yōu)化產(chǎn)生的雙邊傾角最小可在2°～3°左右。

圖5 紅外激光脈沖寬度對加工CFRP的熱影響區(qū)尺度的影響Fig.5 Influence of pulse duration on size of heat-affected zone induced by infrared laser processing for CFRPs

1.1.2 超快激光直接加工

對于材料的考慮，雖然纖維復(fù)合材料品類眾多，但目前研究高度集中在高強(qiáng)型(亦即低熱導(dǎo)率)CFRP材料，其次為C/SiC和SiC/SiC等耐熱纖維增強(qiáng)陶瓷基材料。對于其他纖維復(fù)合材料，如AFRP、GFRP、聚對苯撐苯并雙惡唑(PBO)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、高模量CFRP(即高熱導(dǎo)率CFRP，亦即石墨纖維/樹脂復(fù)材)，僅有非常零星的報(bào)道。

對于激光的選擇，中國研究前期更偏重使用連續(xù)激光，但后期逐步開始使用長脈沖激光；而國外已開始側(cè)重于超快激光加工的研究及應(yīng)用。

在國外，針對高強(qiáng)度CFRP(主要用于航空等領(lǐng)域)的研究主要集中在以德國和俄羅斯為代表的少數(shù)幾個(gè)國家，針對加工閾值、加工深度、熱影響區(qū)(或樹脂氣化區(qū))等指標(biāo)通過不同超快激光參數(shù)(脈寬、脈沖能量、重復(fù)頻率、掃描速度、掃描次數(shù))下的實(shí)驗(yàn)研究形成了一定成果。2017年，葡萄牙研究人員開始通過試驗(yàn)研究超快激光加工CFRP表面微納結(jié)構(gòu)的效果。

在中國，超快激光加工纖維復(fù)合材料的研究總體處于剛起步的試驗(yàn)研究階段。針對高強(qiáng)型CFRP，自2014年起哈爾濱工業(yè)大學(xué)、湖南大學(xué)、上海交通大學(xué)與東華大學(xué)和天津工業(yè)大學(xué)率先開展了超快激光加工的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究；針對極具行業(yè)特色的高模量CFRP(主要用于航天領(lǐng)域)和高模量AFRP，北京衛(wèi)星制造廠有限公司自2015年底起開展了超快激光加工的研究和應(yīng)用，如通過外延法較為系統(tǒng)地測定了兩類高模量CFRP的加工閾值和孵化效應(yīng)曲線，探尋了波長和脈寬對加工效率、加工熱損傷的影響規(guī)律，結(jié)果表明雖然短波長和短脈寬均有利于低損傷和高精度加工，但對于AFRP波長比脈寬具有更大的權(quán)重——將超快激光倍頻為短波是實(shí)現(xiàn)外觀無焦糊碳化的必要條件(如圖6所示，以機(jī)械銑邊(箭頭所指處)的典型形貌作為參照)，而對于CFRP材料則不必；湖南大學(xué)的皮秒激光刻蝕高強(qiáng)型CFRP加工試驗(yàn)表明，通過合理調(diào)整加工參數(shù)可實(shí)現(xiàn)小至5 μm左右的熱影響區(qū)，但不合適的參數(shù)會引起100 μm量級的HAZ尺度；上海交通大學(xué)與東華大學(xué)使用皮秒激光切割1.5 mm厚的高強(qiáng)度型CFRP，得到了最小單邊傾角2.60°、最小HAZ厚度13 μm的加工效果(但最小HAZ與最小單邊傾角往往無法兼顧，如13 μm的HAZ尺度伴隨的是最大傾角7.13°、最大HAZ尺度44 μm對應(yīng)著最小傾角2.60°)。

總之，經(jīng)過近些年國內(nèi)外研究人員的探索，已積累了較多的研究成果，共識與分歧并存。以圖5為例，國內(nèi)外的研究表明通過激光參數(shù)和加工軌跡優(yōu)化(如多道次刻蝕)，皮秒激光、飛秒激光

圖6 紅外飛秒激光與紫外皮秒激光切割A(yù)FRP 板孔的對比[34]Fig.6 Comparison of holes in AFRP plates cut by IR femtosecond laser and UV picosecond laser[34]

等超快激光加工纖維復(fù)合材料的HAZ尺度可小至5～10 μm量級，但不合適的激光參數(shù)也會使熱影響區(qū)尺度與傳統(tǒng)激光無異，達(dá)10μm量級，這意味著盡管超快激光加工通常具有“冷”加工效果，但其加工的熱缺陷尺度可能達(dá)到傳統(tǒng)激光的熱缺陷尺度?？傮w來看，國內(nèi)外的研究共識主要體現(xiàn)在：① 為實(shí)現(xiàn)微米級(微米級粗糙度及熱影響區(qū))精度的刻蝕與切割，超快激光幾乎是唯一可能的光源選擇；② 利用“縮短激光與材料相互作用的時(shí)間”這一基本原理，通過圖3(b)中的遠(yuǎn)程激加工頭模式、采用“小切縫深度、快掃描”走刀方式，可發(fā)揮出超快激光低熱加工的優(yōu)勢，否則超快激光本身具有的“可縮短激光與材料相互作用的時(shí)間”的優(yōu)勢將被不當(dāng)走刀軌跡導(dǎo)致的熱積累效應(yīng)抵消、覆蓋掉，這很可能是解釋分歧(即不同課題組報(bào)道的超快激光加工產(chǎn)生的HAZ值存在數(shù)量級差異，見圖5)的一個(gè)參考；③ 綠光、紫光、紫外光等倍頻后的短波激光較其原始波長(即紅外光)在低熱損傷加工方面具有明顯優(yōu)勢；④ HAZ尺度等制造指標(biāo)、綜合最優(yōu)時(shí)的波長等需求指標(biāo)為依賴材料的種類參數(shù)，CFRP、AFRP、GFRP等常見纖維復(fù)合材料的需求往往是不同的。在分歧方面，主要是一些纖維復(fù)合材料加工指標(biāo)定量的分歧，如某一加工參數(shù)范圍的HAZ大小、HAZ極小值、錐度值等。分析其原因，主要是由材料參數(shù)的不同和(或)加工參數(shù)的不盡相同造成的，例如，即使波長、通量、脈寬、光斑重疊率等參數(shù)完全相同，如果光斑尺寸不同(應(yīng)當(dāng)比較歸一化值)、加工深度不同或材料參數(shù)不完全相同，那么加工指標(biāo)也是不具有可比性的。因此從這個(gè)意義上講，對于很多外在看似分歧的結(jié)果，如果折算成某種等效當(dāng)量比較時(shí)又是兼容的。總體而言，作為國內(nèi)外一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)，到目前為止，超快激光加工纖維復(fù)合材料的研究共識多于分歧。

1.2 理論與仿真研究

針對以CFRP、AFRP和GFRP為代表的纖維復(fù)合材料，國內(nèi)外數(shù)十家研究機(jī)構(gòu)基于平衡態(tài)熱擴(kuò)散方程、傅里葉定律、能量守恒定律，結(jié)合材料光學(xué)性質(zhì)等參數(shù)的測定，在模擬激光誘導(dǎo)復(fù)合材料溫度場和熱應(yīng)力分布、加工質(zhì)量與形貌預(yù)測等方面開展了大量工作(見表1分析)。由于傳統(tǒng)激光與材料相互作用的光學(xué)、熱學(xué)、流體學(xué)特性，使得這些理論建模仿真可很好地適應(yīng)傳統(tǒng)激光加工復(fù)合材料的特點(diǎn)。

表1 激光加工纖維復(fù)合材料理論研究特點(diǎn)及趨勢

光吸收率是研究激光加工復(fù)合材料的一個(gè)重要理論研究內(nèi)容。美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室和德國研究人員基于菲涅耳公式，通過考慮光束在多層理想分布的碳纖維之間的多次反射(忽略樹脂的吸收，見圖7)研究了偏振態(tài)垂直或平行于碳纖維方向時(shí)基態(tài)CFRP的平均吸收率。中國東華大學(xué)考慮了碳纖維隨機(jī)分布時(shí)基態(tài)CFRP的吸收率，以模擬更真實(shí)的材料情況。

圖7 激光在CFRP內(nèi)的傳播模擬[56]Fig.7 Simulation of laser propagation within CFRP[56]

由于超快激光的極端特性，存在與傳統(tǒng)激光不同的光吸收機(jī)制和蝕除機(jī)制。適用于傳統(tǒng)激光加工的線性吸收模型、均化的吸收特性和基態(tài)的光學(xué)性質(zhì)已無法適用于超快激光與纖維復(fù)合材料相互作用的描述，需要發(fā)展新模型。

1.3 存在的問題及挑戰(zhàn)

綜上可知，纖維復(fù)合材料激光加工的試驗(yàn)和理論研究存在以下共性問題和挑戰(zhàn)。

1.3.1 各向異性、非均質(zhì)材料吸收超快激光的理論描述鮮有報(bào)道

一方面，在現(xiàn)有理論或仿真研究中，纖維復(fù)合材料的光吸收、反射率、熱導(dǎo)率、熱容多考慮為復(fù)合材料的整體均化性質(zhì)(即將材料等效為均質(zhì)體)，其計(jì)算的空間分辨率在十微米到毫米量級——這足以適應(yīng)傳統(tǒng)激光加工纖維復(fù)合材料的精度特點(diǎn)。但如表2所示，纖維復(fù)合材料的基體(如環(huán)氧樹脂)及纖維(如碳纖維、芳綸纖維)具有迥異的熱物理特性。因此當(dāng)考慮的材料去除分辨率為微米級或更高(這已小于纖維的典型尺寸)時(shí)，選用整體均化性質(zhì)會產(chǎn)生較大的誤差。超快激光亞微米加工分辨率的特性及材料微米級精度的精加工需求，決定了研究該類吸收超快激光的過程需充分考慮激光與非均質(zhì)且各向異性材料的相互作用，及基體材料與纖維材料之間的光學(xué)、熱力學(xué)傳遞特性。

表2 典型FRP基體及纖維組分的熱物理特性[62-63]Table 2 Thermo-physical properties of matrix and fiber components typically used in FRPs[62-63]

另一方面，由于超快激光能量的極端特性，現(xiàn)有描述傳統(tǒng)激光與復(fù)合材料相互作用的線性、靜態(tài)吸收率與反射率的理論和模型已不能適應(yīng)超快激光與材料相互作用中非線性吸收、瞬變光學(xué)性質(zhì)、局域化的特點(diǎn)，需建立合適的理論描述。尤其材料切割過程中的光吸收過程，可能涉及隧穿電離等非線性電離過程，需尋求合適的理論描述。

1.3.2 各向異性、非均質(zhì)材料的高精度刻蝕方法亟待揭示

目前，針對超快激光加工復(fù)合材料的研究主要限于試驗(yàn)層面，即從試驗(yàn)出發(fā)，通過加工參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)加工現(xiàn)象的優(yōu)化。解決這些問題的過程為依賴試驗(yàn)參數(shù)研究現(xiàn)象，因此亟待從更深層次揭示纖維復(fù)合材料的激光精密刻蝕機(jī)制。由于纖維復(fù)合材料基體相和纖維相在熱學(xué)、光學(xué)方面的性質(zhì)存在巨大差異，因此材料的細(xì)觀蝕除一般是非均勻的。需要研究可通過什么方式、采用什么原理對刻蝕參數(shù)和刻蝕過程進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)非均質(zhì)材料的細(xì)觀均勻去除或表面選擇性去除，服務(wù)于精密切割、制孔、高性能膠結(jié)或焊接表面制備等制造需求。

1.3.3 較高通量下復(fù)合材料的低損傷、高效率加工方法有待進(jìn)一步研究

理論和實(shí)踐表明超快激光雖具低熱加工效果，但在較高能量通量下(如切割一般使用較高通量)依然可能會有較明顯的熱損傷，這對纖維復(fù)合材料的低熱損傷加工提出了挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)兼顧高精度、高效率的加工方法有待進(jìn)一步的研究，尤其是對于超快激光，加工效率的提升幾乎是其實(shí)現(xiàn)廣泛工程應(yīng)用的必由之路。

針對絕緣體、半導(dǎo)體、金屬等單質(zhì)材料，國內(nèi)外前期研究表明通過改進(jìn)或考慮非線性的瞬時(shí)局部光學(xué)、熱力學(xué)理論描述，可極大提高超快激光作用下的材料損傷閾值及蝕除形狀、蝕除深度的預(yù)測精度；通過整形超快激光可極大改變光場與材料相互作用的物理、化學(xué)等過程，從而產(chǎn)生可控可調(diào)的加工效果，這有望為復(fù)合材料的精密切割、刻蝕提供一條參考思路。但纖維復(fù)合材料由于材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對于理論描述和調(diào)控方法明顯提出了更高要求，需要新的探索。

2 工藝及應(yīng)用基礎(chǔ)

2.1 激光切割與制孔

激光切割作為一種成熟的加工工藝，目前已應(yīng)用于大量金屬和非金屬材料的加工。對于復(fù)合材料，雖自20世紀(jì)80年代中期起便開始將其應(yīng)用于二維CFRP材料的加工研究，但應(yīng)用面有限。這是由于復(fù)合材料，尤其是碳纖維增強(qiáng)樹脂基、陶瓷基或碳基等非金屬復(fù)合材料，因性能和成本原因主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和民用高端裝備。在激光器的選擇上，不僅有紅外固態(tài)激光器，還有遠(yuǎn)紅外波段的CO氣體激光器；在復(fù)合材料的選擇上有多種強(qiáng)化纖維類型，包括碳纖維、芳綸、E級玻璃纖維、S級玻璃纖維，基體材料基本都是環(huán)氧樹脂。換言之，材料種類集中于纖維/樹脂基復(fù)合材料，而鮮有纖維/陶瓷、纖維/碳等其他纖維復(fù)合材料。

2008年，沙特阿拉伯的Al-Sulaiman等針對AFRP板，使用較低功率(500～2 000 W)的CO激光進(jìn)行了切割實(shí)驗(yàn)；對于這種高強(qiáng)度、高韌性的復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)采用激光加工盡管會產(chǎn)生輕微的熱變質(zhì)層，但可以避免機(jī)械鉆頭鉆孔產(chǎn)生的孔口毛邊問題(如圖8所示)。

圖8 AFRP的CO2激光切割與機(jī)械加工效果對比[66]Fig.8 Comparison of effect between CO2 laser cutting and mechanical drilling of AFRP[66]

2014年，德國Herrmann等基于YS80氰酸酯和T700環(huán)氧樹脂兩種CFRP的鉆孔需求研究了掃描振鏡、開孔頭和光學(xué)衍射元器件等光束傳輸系統(tǒng)各自的加工效果(如圖9所示)，發(fā)現(xiàn)掃描振鏡式掃描速度快、靈活性高、纖維和基體材料的損傷較小，但鉆孔的幾何精度與錐度難以精確控制；而光學(xué)衍射元件使用較為簡便，能容易地集成到實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，配合高功率的超快激光器可大幅提高CFRP的鉆孔效率。

2019、2020年，針對航天領(lǐng)域典型高模量CFRP和AFRP的制孔需求，北京衛(wèi)星制造廠有限公司報(bào)道了使用多種激光源開展的切割式與銑削式制孔應(yīng)用(如圖10所示)，發(fā)現(xiàn)使用皮秒激光、飛秒激光等超快激光進(jìn)行宏觀切割時(shí)切割邊緣熱影響區(qū)至少可控制在10～10mm量級，且邊緣光滑，無表皮撕裂、分層等接觸式加工極易出現(xiàn)的缺陷。因此有望滿足航天領(lǐng)域薄板復(fù)合材料的精密切割、制孔需求，并在有更高質(zhì)量和精度需求的場合替代相應(yīng)的傳統(tǒng)接觸式加工。

作為世界上激光制造技術(shù)研究和應(yīng)用的先進(jìn)國家，德國、俄羅斯和日本已開展大量應(yīng)用基礎(chǔ)研究，部分成果已可向工程化應(yīng)用轉(zhuǎn)化，激光切割技術(shù)在CFRP產(chǎn)品中的應(yīng)用如圖11所示。2016年，德國Herzog等針對2 m×1 m汽車門切割開展了示范應(yīng)用，根據(jù)目前光纖激光器水平、掃描振鏡加工的效率可知，使用激光機(jī)器人切割高檔汽車碳纖維復(fù)合材料零件已具備產(chǎn)業(yè)應(yīng)用水平；2018年，德國漢諾威激光中心的Bluemel等報(bào)道了使用六自由度機(jī)器人和三維可編程聚焦光學(xué)(3D Programmable Focusing Optic，I-PFO)、搭載平均功率為1.5 kW的近紅外納秒激光器，其面向的切割對象是厚度最大達(dá)5 mm的空間曲面CFRP材質(zhì)汽車結(jié)構(gòu)；當(dāng)切割厚度不大于2 mm時(shí)，熱變質(zhì)層厚度在0.1 mm以下，而有效切割速度約為20 mm/s。

圖9 CFRP的皮秒激光鉆孔[64]Fig.9 Picosecond laser hole-drilling of CFRPs[64]

圖10 激光切割在空間飛行器FRP板及在產(chǎn)品中的應(yīng)用Fig.10 Laser cutting of FRP plates and products used in spacecraft

圖11 激光切割技術(shù)在CFRP產(chǎn)品中的應(yīng)用Fig.11 Applications of laser cutting technology for CFRP products

2019年，針對航空發(fā)動機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料制孔需求，沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司的劉瑞軍等比較了使用長脈沖、超短脈沖激光、電火花、水射流切割的結(jié)果(如圖12所示)，發(fā)現(xiàn)超短脈沖激光對材料損傷程度最小，可打穿孔徑范圍為0.2～1.6 mm，深徑比達(dá)10∶1，質(zhì)量狀態(tài)良好，基體無重熔層、微裂紋、崩齒等缺陷，氣膜孔內(nèi)腔表面粗糙度可達(dá)0.27 μm。

2.2 激光銑削

復(fù)合材料的精密微銑削具有重要工程意義，如在航天器發(fā)動機(jī)上的復(fù)合材料表面加工小尺寸盲孔、航天器熱控結(jié)構(gòu)微槽道加工等。傳統(tǒng)激光由于其本身制造精度較低且熱效應(yīng)比較明顯，使采用傳統(tǒng)激光對復(fù)合材料進(jìn)行精密銑削非常困難，因此一般需使用超快激光進(jìn)行精密銑削。

2016年，英國曼徹斯特大學(xué)Salama等研究了使用超快激光精密銑削CFRP的可能性，實(shí)現(xiàn)了較高精度的微小盲槽制備(如圖13所示)。

2016年，西北工業(yè)大學(xué)超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王晶等研究了用于制造航空渦輪整體葉盤、發(fā)動機(jī)調(diào)節(jié)片等精密構(gòu)件、航空發(fā)動機(jī)燃燒室火焰筒和渦輪葉片的重要材料——碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC，包含SiC/SiC和C/SiC兩種材料)，通過比較CMC-SiC材料的傳統(tǒng)加工和特種加工工藝指明超快激光是適合微小結(jié)構(gòu)精密加工需求的(如圖14所示)。

圖12 不同工藝方法切割陶瓷基復(fù)材斷口掃描電鏡照片[72]Fig.12 Scanning electron microscope photographs of cutting cross-sections with different processing techniques for ceramic matrix composites[72]

圖13 超快激光在CFRP上的銑槽效果[74]Fig.13 Effect of ultrafast laser milling of grooves on CFRPs[74]

圖14 不同加工功率P的C/SiC皮秒激光加工微孔形貌[76]Fig.14 Morphology of hole-drilling with different processing power P in C/SiC by picosecond laser[76]

2.3 表面處理與連接

表面主要涉及激光清洗、激光微織構(gòu)(或毛化)等表面減材處理和與之密切相關(guān)的連接(焊接與膠接)技術(shù)。在激光連接技術(shù)中，激光作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)不同的方面：① 連接前的界面預(yù)處理作用。為保證或增強(qiáng)界面連接強(qiáng)度和耐久性，通過激光清洗和(或)微織構(gòu)(或毛化)等方法可實(shí)現(xiàn)樹脂的物理清洗、增大有效連接面積和(或)化學(xué)活化等效果。到目前為止，國內(nèi)外研究涉及的纖維復(fù)合材料種類幾乎全部集中在CFRP材料上，且既包含具有熱塑性的CFRTP(Carbon Fiber-Reinforced Thermoplastic Polymer)，又包含具有熱固性的CFRTS (Carbon Fiber-Reinforced Thermosetting Polymer)。② 激光能量直接用于復(fù)合材料與其他材料的連接問題，即激光焊接問題，涉及的材料種類依然高度集中在CFRP，且具體是CFRTP材料。無論是纖維復(fù)合材料的激光清洗和織構(gòu)還是其連接技術(shù)，近些年已成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)方向，目前國內(nèi)外已開展較多的研究工作。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國已有幾十家科研和應(yīng)用單位報(bào)道了相關(guān)研究。

在激光清洗方面，美國、德國等少數(shù)幾個(gè)國家率先開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究，并已實(shí)現(xiàn)了纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的激光清洗應(yīng)用。如美國海軍H-53、H-56直升機(jī)螺旋槳葉片和F16戰(zhàn)斗機(jī)平尾等復(fù)合材料表面均已實(shí)現(xiàn)激光脫漆應(yīng)用(如圖15所示)。中國由于復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用較晚，因此此類研究尚不多見。

圖15 激光去除系統(tǒng)對F-16戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行激光除漆[77]Fig.15 Laser paint removal of F-16 fighter by laser cleaning system[77]

采用激光清洗對纖維復(fù)合材料膠接或焊接前接頭處做表面處理以提高接頭強(qiáng)度是當(dāng)前的研究重點(diǎn)，如圖16所示。2016年，德國研究人員采用納秒紫外激光對膠接前的CFRP材料進(jìn)行表面清洗以去除表面油污，激光功率為30 W時(shí)的清洗效率可達(dá)9.6 m/h，根據(jù)研究結(jié)果可計(jì)算出當(dāng)批量生產(chǎn)加工時(shí)若采用600 W功率激光器，預(yù)計(jì)清洗效率可達(dá)到58.3 m/h。2018年，意大利研究人員研究了Yb:YAG光纖激光清洗高強(qiáng)度CFRP表面的效果，用激光輔助連接法將碳纖維連接到聚碳酸酯板中，對環(huán)氧樹脂接頭的強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明激光預(yù)處理能夠顯著增加接頭的強(qiáng)度。

圖16 CFRP表面的激光清洗及其在CFRP-聚碳酸酯焊接中的應(yīng)用Fig.16 Laser cleaning of CFRP surface and its application in CFRP-polycarbonate welding

在中國，以南京航空航天大學(xué)、上海衛(wèi)星裝備研究所和東華大學(xué)為代表的單位對CFRTS材料膠接需求涉及的激光清洗和微織構(gòu)(或毛化)技術(shù)開展了大量研究，證實(shí)了這些表面處理對于提高膠接性能的有效性。針對CFRTP材料的焊接需求，以中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所和清華大學(xué)為代表的單位開展了包括激光清洗和微織構(gòu)(或毛化)等焊前處理、激光連接等焊中處理的研究，取得了大量研究成果。如中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所針對輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接從理論建模與工藝仿真、工藝試驗(yàn)、應(yīng)用探索等方面進(jìn)行了研究，建立了輕質(zhì)合金-CFRTP激光焊接數(shù)學(xué)模型，提出通過在輕質(zhì)合金表面構(gòu)建微織構(gòu)(從而提高焊接界面潤濕性和機(jī)械嵌合性)同時(shí)在焊接界面填充聚酰胺(PA)樹脂以提高焊接強(qiáng)度的方法，以及通過高速激光旋轉(zhuǎn)焊抑制樹脂基體熱分解缺陷的方法；2022年，針對輕質(zhì)合金-CFRTS激光焊接技術(shù)又提出了“CFRTS表面清洗+焊接界面PA樹脂填充”的焊接方法。

在工藝應(yīng)用方面，2018年，德國以寶馬7系車型的原裝零部件(如圖17所示)為基礎(chǔ)，驗(yàn)證了激光連接處理在全新輕量化產(chǎn)品中的可行性；其中的纖維復(fù)合材料與金屬件的連接處并未采用傳統(tǒng)的粘合劑和鉚接方式，而改用了激光連接法；該頂梁采用纖維增強(qiáng)塑料條及兩塊與之相連的鋼板，可利用激光點(diǎn)焊方式將該部件安裝到車身上；為提高點(diǎn)焊后的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使用了另一種激光(即超快速激光)預(yù)先毛化金屬表面。

圖17 激光連接技術(shù)制造的頂梁[92]Fig.17 Back timber made by laser bonding technology[92]

總體來看，纖維復(fù)合材料的激光清洗、激光織構(gòu)等表面減材處理和與之密切相關(guān)的連接(焊接與膠接)技術(shù)取得了較快的研究進(jìn)展，工程化應(yīng)用趨勢日益明顯，國外研究和應(yīng)用進(jìn)度總體快于中國。對于其中的激光清洗技術(shù)，雖傳統(tǒng)均質(zhì)材料的清洗技術(shù)已經(jīng)日臻成熟(2021年4月激光清洗的首個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)已在武漢啟動編制)，但作為細(xì)觀非均質(zhì)材料的纖維復(fù)合材料清洗研究與應(yīng)用方興未艾。

2.4 激光輔助成形

激光輔助成形工藝將樹脂基復(fù)合材料自動化成形技術(shù)和固化方式集成為一體，采用分層固化工藝替代傳統(tǒng)的固化設(shè)備(例如熱壓罐)中的一次固化工藝，具有能耗小、靈活性強(qiáng)、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，激光原位成形工藝可將高效的固化方式與纖維鋪放、纖維纏繞等工藝結(jié)合，進(jìn)而顯著降低樹脂基復(fù)合材料制造成本，在大尺寸和厚樹脂基復(fù)合材料零件制造中具有很大優(yōu)勢。

圖18 激光加熱輔助熱塑性復(fù)合材料成形系統(tǒng)Fig.18 Laser heating assisted thermoplastic composite forming system

目前，歐美利用激光輔助成形技術(shù)已成形出熱塑性復(fù)合材料平板、曲面板和簡單回轉(zhuǎn)體(如圖18所示)，正在探索研究利用該技術(shù)成形復(fù)合材料發(fā)動機(jī)殼體，而中國僅有少量關(guān)于激光原位成形制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料的研究報(bào)道。如德國在2018年已開發(fā)出激光輔助熱塑性帶材自動纏繞技術(shù)，先用激光加熱融化熱塑性帶材，然后由高度自動化的機(jī)械手臂進(jìn)行精確纏繞作業(yè)，從而使帶材直接完成表面的“熔合”。在中國，2019年上海飛機(jī)制造有限公司、西安航天復(fù)合材料研究所報(bào)道了激光原位成形制備連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料，涉及溫度場仿真、原位成形工藝參數(shù)的研究，研究結(jié)果有利于拓展熱塑性復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

總體而言，國內(nèi)外在激光輔助纖維復(fù)合材料成形技術(shù)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用方面存在較大成熟度差異：國外已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，而中國尚處于起步階段。

3 航天應(yīng)用展望

以航天器中的空間飛行器為例，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料幾乎遍布各個(gè)分系統(tǒng)，如有效載荷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、電子與能源系統(tǒng)。這些系統(tǒng)相應(yīng)產(chǎn)品面臨著各種各樣的加工需求，涉及大部分制造工藝門類。激光宏觀制造(切割、銑削、連接等)、激光微細(xì)與微納制造均可與之有較好的契合點(diǎn)。尤其是超快激光等精密制造光源，由于可滿足眾多高質(zhì)量制造需求，是通過制造手段滿足設(shè)計(jì)需求、提升產(chǎn)品性能的理想工具之一。

3.1 制造方法與工藝

3.1.1 宏觀切割、銑削與制孔

以空間飛行器為代表的航天器纖維復(fù)合材料產(chǎn)品(如圖19所示)面臨大量的切邊、開孔需求。傳統(tǒng)機(jī)械加工最大的問題是加工損傷和缺陷嚴(yán)重，如AFRP材料存在嚴(yán)重的加工邊緣拉絲現(xiàn)象。因此對于制造損傷和精度控制要求嚴(yán)格且材料壁厚不超過幾毫米的產(chǎn)品，采用超快激光光源加工將具有明顯優(yōu)勢。

圖19 航天器FRP典型產(chǎn)品Fig.19 Typical space products made of FRPs

此外在現(xiàn)有的接觸式加工模式下，由于需要穩(wěn)定裝夾，大量平面類薄壁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的加工需使用鉆模、環(huán)氧玻璃布壓板等工裝。衛(wèi)星單件小批量的生產(chǎn)模式導(dǎo)致這些工裝通常是一次性使用的，大大增加了生產(chǎn)成本。超快激光加工由于不存在接觸應(yīng)力，因此裝夾過程可大幅簡化，且可免去鉆模、環(huán)氧玻璃布壓板等工裝的加工。這不但可省去鉆模加工環(huán)節(jié)，從而縮短生產(chǎn)流程，而且還可通過簡化裝夾壓縮加工前的裝夾準(zhǔn)備工作，因此非常有利于生產(chǎn)效率的提高和成本的降低。隨著國內(nèi)外千瓦級高功率皮秒激光器的誕生，超快激光加工技術(shù)除保持現(xiàn)有的加工精度與質(zhì)量方面的優(yōu)勢外，在加工效率、可加工尺度(如厚度較大的復(fù)合材料板)等方面也有望得到重大改觀。

3.1.2 表面清洗與活化

纖維復(fù)合材料激光清洗技術(shù)有望用于航天制造領(lǐng)域的以下4個(gè)方面。

1) 纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)涂裝、鍍覆前的清洗與活化。深空探測進(jìn)入艙、月球探測新一代多功能飛船等航天器涉及大尺寸CFRP結(jié)構(gòu)的表面高可靠熱控涂層涂裝需求(如圖20所示)，激光清洗不僅可以去除纖維復(fù)合材料表面的污染物，還能通過潛在的光效應(yīng)改變材料表面樹脂基團(tuán)活性和纖維表面特性，從而大幅提高熱控涂層的結(jié)合力。

圖20 具有表面涂裝前清洗需求的典型FRP產(chǎn)品Fig.20 Typical FRP products with potential need of laser cleaning before surface painting

這對處于太空冷熱交變環(huán)境下的航天器具有價(jià)值，有望大幅降低宇航型號中曾出現(xiàn)的涂層鼓泡甚至脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

2) 纖維復(fù)合材料表面金屬化(如圖21所示)前的預(yù)處理，以制備高結(jié)合力金屬化鍍覆層。NASA對纖維復(fù)合材料表面金屬化開展了多年研究，并形成了大量宇航應(yīng)用，如天線波導(dǎo)。中國也將應(yīng)用于空間飛行器相關(guān)重要產(chǎn)品。

圖21 FRP表面金屬化產(chǎn)品Fig.21 Surface metallization products of FRP

3) 纖維復(fù)合材料膠接或焊前表面預(yù)處理。表面預(yù)處理是航空航天樹脂基復(fù)合材料膠接中的重要工序，經(jīng)過預(yù)處理的功能表面性能將直接影響膠接界面結(jié)合強(qiáng)度，同樣對釬焊等焊接表面的焊前清洗也是十分必要的。激光清洗有望為纖維復(fù)合材料膠接或焊前表面清洗提供支持。

4) 纖維復(fù)合材料成形模具的清洗。纖維復(fù)合材料具有比殷鋼材料還低的熱膨脹系數(shù)，是未來精密成形大尺寸復(fù)雜形狀復(fù)合材料產(chǎn)品的理想工裝材料。采用激光清洗可充分利用激光清洗無接觸應(yīng)力、清洗效率高、方便清理不易清除的死角部位等優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。

3.1.3 微細(xì)結(jié)構(gòu)加工

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能(高強(qiáng)度、高硬度)在給產(chǎn)品使用性能帶來便利時(shí)，也給微細(xì)加工帶來挑戰(zhàn)。微細(xì)刀具弱剛度與材料力學(xué)性能之間的矛盾使現(xiàn)有接觸式加工低效、高成本的問題非常突出，很多微細(xì)結(jié)構(gòu)若采用傳統(tǒng)接觸式加工將導(dǎo)致加工效能很低，甚至無法加工。

如對于某航天器CFRP蒙皮阻尼結(jié)構(gòu)需要在4 cm×4 cm范圍內(nèi)加工大量微小孔，目前機(jī)加工不僅效率低，而且損傷大、精度低——多數(shù)微孔周邊出現(xiàn)撕裂、跳絲等加工缺陷；又如某些衛(wèi)星需在厚度僅為0.25 mm的CFRP波紋板(如圖22所示)上進(jìn)行數(shù)以百計(jì)的?0.2 mm斜微孔加工，尺度的微小性、斜交孔接觸式加工的困難性使傳統(tǒng)的鉆削、銑削等接觸式加工變得困難；再如SiC/SiC和C/SiC復(fù)合材料能提高零件的耐高溫性能和推重比，適用于航天發(fā)動機(jī)熱端部件，已開始應(yīng)用于大推力液體火箭發(fā)動機(jī)噴管延伸段和姿軌發(fā)動機(jī)推力室身部的制造，SiC/SiC和C/SiC復(fù)合材料也面臨著微孔加工需求。

圖22 待打微孔的CFRP波紋板Fig.22 CFRP corrugated plates in need of micro-hole processing

根據(jù)孔尺度和精度的需求，可考慮激光切割式、激光鉆孔式、激光銑削式等制孔方式，實(shí)現(xiàn)航天器纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的微孔加工。對于微縫隙、微槽道、微腔體，可采取相應(yīng)的激光切割或銑削方法。但考慮到纖維復(fù)合材料的傳統(tǒng)激光加工極易出現(xiàn)加工熱影響區(qū)突出等問題，其微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工一般需采用超快激光光源。

3.1.4 連接與原位成形

目前航天領(lǐng)域(尤其是空間飛行器領(lǐng)域)所用纖維復(fù)合材料以熱固性纖維復(fù)合材料為主，熱塑性纖維復(fù)合材料由于蠕變等特性，不利于空間飛行器相關(guān)高剛度、高穩(wěn)定功能結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較少。但熱塑性復(fù)合材料有其固有優(yōu)勢，如相比熱固性復(fù)合材料更容易通過焊接等工藝實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，更容易通過激光輔助加熱鋪絲/鋪帶技術(shù)實(shí)現(xiàn)大尺寸結(jié)構(gòu)的原位制造。熱塑性纖維復(fù)合材料的這一特性有望在未來在軌制造(含修復(fù))方面占有一席之地，也有望為纖維復(fù)合材料的在軌激光焊接、在軌激光輔助成形等激光加工技術(shù)提供良好的平臺。

3.2 激光制造裝備發(fā)展展望

3.2.1 傳統(tǒng)數(shù)字化制造裝備

考慮到傳統(tǒng)激光加工纖維復(fù)合材料突出的熱效應(yīng)與航天產(chǎn)品損傷控制和外觀質(zhì)量控制的沖突，采用低熱效應(yīng)的超快激光或短波納秒激光是必要的。因此在現(xiàn)有成熟數(shù)控機(jī)床技術(shù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展基于超快激光或短波納秒激光源的數(shù)控加工設(shè)備。機(jī)械部分采用龍門構(gòu)型、激光加工頭采用三維五軸加工頭配合掃描振鏡和場鏡的形式(如圖23所示)有望更好地實(shí)現(xiàn)圖3(b)中的遠(yuǎn)程激光加工模式。該種構(gòu)型有望滿足大尺寸、三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)航天產(chǎn)品的切割、刻蝕、銑削、焊接等高性能制造需求。

圖23 加工頭形式Fig.23 Configuration of laser head

目前，超快激光數(shù)控機(jī)床已開始走進(jìn)航天、航空、兵器系統(tǒng)多家相關(guān)單位，但受限于激光器較低的平均功率，其應(yīng)用仍以激光微細(xì)加工為主，激光宏觀加工應(yīng)用(如圖10(a)所示)尚處于“萌芽”狀態(tài)。雖然傳統(tǒng)激光制造仍穩(wěn)固占據(jù)激光宏觀制造領(lǐng)域，但尚鮮見其應(yīng)用于航天領(lǐng)域纖維復(fù)合材料產(chǎn)品宏觀結(jié)構(gòu)加工的報(bào)道。

然而，隨著近幾年工業(yè)化超快激光器技術(shù)的突飛猛進(jìn)，在中國其光源的平均功率已迅速從十年前的10 W量級向幾千瓦量級穩(wěn)步邁進(jìn)，而在國外多年前已成熟實(shí)現(xiàn)千瓦量級的水平(這已與許多傳統(tǒng)激光的功率相當(dāng))。因此可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，超快激光加工技術(shù)將不斷涉入更多的激光宏觀制造領(lǐng)域，且可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的宏觀或微細(xì)制造效果。超快激光器及其數(shù)控裝備的發(fā)展將為開拓超快激光加工技術(shù)在纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的應(yīng)用提供廣大的空間。

3.2.2 機(jī)器人化制造裝備

隨航天器朝大尺寸和超大尺寸發(fā)展(如圖24所示)，衛(wèi)星載荷產(chǎn)品(如固面反射天線)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)產(chǎn)品(如衛(wèi)星天線展開臂、中心承力筒)等纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的尺寸已迅速增大，甚至已呈現(xiàn)出倍數(shù)增加的趨勢。傳統(tǒng)加工機(jī)床有限的臺面尺寸與產(chǎn)品日益增大的尺寸之間矛盾日益突出，亟待發(fā)展一類面向大尺寸和超大尺寸被加工產(chǎn)品的裝備，解決相應(yīng)的加工需求。

激光易于導(dǎo)向和聚焦，能很好地與工業(yè)機(jī)器人組合，因而在汽車制造等領(lǐng)域早已形成了諸如傳統(tǒng)激光焊接機(jī)器人、切割機(jī)器人的先例。但因傳統(tǒng)激光加工熱損傷等原因，這些激光加工機(jī)器人無法用于航天纖維復(fù)合材料產(chǎn)品。

可移動式加工機(jī)器人(如圖25所示)作為一種大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造裝備，有望解決傳統(tǒng)大行程數(shù)控機(jī)床尺寸大、造價(jià)昂貴、場地占用大等問題。

圖24 大尺寸CFRP零件Fig.24 Large size parts made of FRPs

圖25 構(gòu)建激光加工機(jī)器人的可移動式平臺Fig.25 Mobile platform for building laser processing robot

目前航天系統(tǒng)相關(guān)單位(如北京衛(wèi)星制造廠有限公司、北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所)和華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等單位在研發(fā)或應(yīng)用移動機(jī)器人制造系統(tǒng)方面具有較好的基礎(chǔ)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院沈陽自動化研究所等單位也在從事機(jī)器人加工技術(shù)研究，這可為激光加工機(jī)器人裝備的研制和應(yīng)用落地提供良好的環(huán)境和條件。

在目前可移動式機(jī)械加工機(jī)器人的基礎(chǔ)上，可移動式超快激光加工機(jī)器人的發(fā)展值得期待，它有望為解決航天器大尺寸纖維復(fù)合材料的加工提供保障，克服超快激光傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床因行程有限導(dǎo)致的加工結(jié)構(gòu)尺寸受限這一不足，滿足大尺寸纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的表面清洗、宏觀切割等需求(如圖26所示)。同時(shí)利用超快激光加工本身具有的跨尺度制造特點(diǎn)，結(jié)合可移動式激光加工機(jī)器人機(jī)械本體，有望實(shí)現(xiàn)從亞微米到數(shù)十米結(jié)構(gòu)的纖維復(fù)合材料產(chǎn)品跨尺度制造。

圖26 基于超快激光的可移動式機(jī)器人加工 FRP零件的構(gòu)想Fig.26 Prospects for ultrafast laser-based mobile robot processing of FRP parts

構(gòu)建可移動式超快激光加工機(jī)器人需重點(diǎn)解決超快激光能量的光纖化傳輸問題。隨超快激光技術(shù)日新月異地發(fā)展，目前國產(chǎn)化光纖傳輸超快激光器已經(jīng)問世，其單脈沖持續(xù)時(shí)間為亞皮秒且平均功率已達(dá)幾十瓦。隨光纖傳輸超快激光器性能(如平均功率和可靠性)的進(jìn)一步提升，具備纖維復(fù)合材料優(yōu)良加工能力的可移動式超快激光加工機(jī)器人的應(yīng)用將指日可待。

4 結(jié) 論

纖維復(fù)合材料產(chǎn)品加工效能的提升需求、國內(nèi)外激光(特別是超快激光)加工研究與應(yīng)用的迅速發(fā)展催生了二者交集領(lǐng)域(即纖維復(fù)合材料激光加工技術(shù))的蓬勃發(fā)展，并已開始向航天、航空、汽車領(lǐng)域高端產(chǎn)品的高性能制造滲透。發(fā)展纖維復(fù)合材料激光切割、鉆孔、銑削、清洗、焊接等加工技術(shù)是提升制造效能的重要手段，也是解決航天領(lǐng)域現(xiàn)有傳統(tǒng)加工方式面臨相關(guān)瓶頸或問題的一種有效方法。

本文對國內(nèi)外纖維復(fù)合材料激光加工研究的共性基礎(chǔ)問題從實(shí)驗(yàn)研究、理論與仿真研究等方面進(jìn)行了綜述，分析指出了其研究熱點(diǎn)、特點(diǎn)及發(fā)展趨勢、存在的問題及挑戰(zhàn)等；回顧了纖維復(fù)合材料激光切割與制孔、激光銑削、激光表面工程等方面的典型工藝及應(yīng)用案例；面向航天器(特別是空間飛行器)的發(fā)展需求，結(jié)合典型產(chǎn)品需求提出了纖維復(fù)合材料激光宏觀加工、激光微細(xì)制造、激光連接技術(shù)的潛在應(yīng)用方向，展望了將上述工藝實(shí)現(xiàn)應(yīng)用所需發(fā)展的傳統(tǒng)數(shù)字化制造裝備和機(jī)器人化制造裝備，以期為后續(xù)纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的高性能制造提供參考。