張旖諾，喬紅超，曹治赫，梁金盛，趙吉賓,*

1. 中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽 110016 2. 中國科學(xué)院 機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽 110169 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

隨著飛機飛行性能的進一步提升，要求航空發(fā)動機擁有更大的推力和推重比，這使得航空發(fā)動機必須擁有更優(yōu)異的材料、設(shè)計更好加工質(zhì)量的零部件。在滿足更高的使役要求下，其設(shè)計越來越輕薄。碳纖維增強塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)由于其具有高性能系統(tǒng)所需的輕質(zhì)和耐高溫等特性，對于航空航天領(lǐng)域，特別是發(fā)動機的設(shè)計制造而言越來越重要。但是由于復(fù)合材料纖維層的層間排布不同，基體材料與纖維材料的性質(zhì)差異過大，導(dǎo)致材料表現(xiàn)為各向異性，這就使復(fù)合材料完成高精度的加工變得十分困難。

因此，在解決高精度、高效率加工航空復(fù)合材料方面急需尋找合適的加工方式。魏瑩瑩等研究發(fā)現(xiàn)在加工CFRP時鉆削加工中極易形成分層、撕裂以及毛刺等加工缺陷，而分層對碳纖維層合板構(gòu)件的性能影響最大。分層缺陷是由力熱耦合引起的層間粘結(jié)失效，普遍存在于鉆削加工過程中。由此可見，常規(guī)機械加工帶來材料的力學(xué)損傷較嚴重，如分層、纖維拉出、孔圓度誤差和層間裂紋等。而激光加工技術(shù)由于其具有無機械應(yīng)力、速度快、靈活性好、自動化程度低等優(yōu)點，在加工復(fù)合材料領(lǐng)域逐漸占據(jù)優(yōu)勢。Mishra和Yadava通過建立一種熱力學(xué)有限元模型，模擬和預(yù)測了2種熱物理性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)相差較大的難鉆材料在激光打孔過程中的孔錐度、熱影響區(qū)和材料去除率。研究發(fā)現(xiàn)峰值功率對2種材料的去除率占主導(dǎo)影響。李琳琳通過研究飛秒激光與CFRP作用的能量耦合機制，發(fā)現(xiàn)超短脈沖激光加工也不能避免熱影響區(qū)的產(chǎn)生，當(dāng)加工方向平行于軸向時，熱影響區(qū)范圍比垂直于軸向加工時小，最小熱影響區(qū)為8 μm。章辰利用水射流輔助激光技術(shù)切割CFRP，研究在水射流輔助冷卻與沖蝕作用，表明水射流對復(fù)合旋切孔的熱損傷情況也有較大改善，而孔徑越小材料同一處所受熱損傷越多。綜上所述，降低CFRP加工時材料的熱量積累成為降低性能損傷的關(guān)鍵，但是傳統(tǒng)的激光技術(shù)加工包括超快激光在內(nèi)都無法避免熱影響區(qū)的產(chǎn)生，而使用復(fù)合加工技術(shù)能夠有效降低加工熱損傷，成為工藝研究的趨勢。

水導(dǎo)激光加工技術(shù)是一種復(fù)合型加工技術(shù)，這種現(xiàn)代化加工方式越來越受到精密加工行業(yè)的重視。該技術(shù)是將納秒激光技術(shù)與水射流冷卻技術(shù)相結(jié)合，利用激光在水和空氣中傳播時光學(xué)特性的差異，實現(xiàn)激光束在水中的引導(dǎo)和折線傳輸。在加工過程中，水射流作為光纖將激光傳輸?shù)焦ぜ砻?，利用水流帶走加工中工件表面多余的熱量和殘渣，使切縫干凈整齊，解決了傳統(tǒng)激光加工存在的一些弊端。水導(dǎo)激光加工復(fù)合材料時，環(huán)氧樹脂在達到熔點后會因為水射流的沖擊力而被去除，而碳纖維在達到升華溫度后會升華。高速水射流在加工中起著重要的作用，由于該光源為連續(xù)脈沖激光，可在激光輻照點處溫度迅速提高到分解溫度的同時，在脈沖結(jié)束后由水射流迅速將加工點冷卻，減少因光束在同一加工點的輻照熱積累而導(dǎo)致的熱損傷。對比于傳統(tǒng)的激光加工技術(shù)，水導(dǎo)激光耦合加工技術(shù)有顯著優(yōu)勢，并逐漸應(yīng)用于CFRP材料的加工中。然而，水導(dǎo)激光加工技術(shù)屬于新型加工工藝，其對復(fù)合材料加工機理的研究較少。因此，研究水導(dǎo)激光加工CFRP材料的瞬態(tài)熱影響及其對材料去除的機理，這對提高CFRP加工質(zhì)量和縮小工藝參數(shù)范圍是很有意義的。

基于有限元法中的單元生死技術(shù)，建立了非均質(zhì)纖維基體的三維瞬態(tài)溫度場及材料的去除模型。在該模型下，研究了水導(dǎo)激光加工CFRP的去除機制，得到了水射流對材料去除率的影響，并在相同工藝條件下通過實驗對模型進行了驗證。研究表明，在加工過程中水射流對材料的強對流換熱效果顯著，能夠使材料的去除率保持在一個較高的水平，并且切面可以獲得較小的粗糙度和錐度。優(yōu)化掃描軌跡以確保高效的排屑率，以及減少滯止水層的范圍是實現(xiàn)水導(dǎo)激光對CFRP高精度的加工的關(guān)鍵。

1 實驗方法

1.1 實驗過程

實驗使用的激光光源是波長為532 nm的Nd:Yag固體脈沖激光器。其平均功率為50 W，輸出光束呈高斯分布。實驗時輸出頻率為1 000 kHz，脈沖寬度為10 ns，最大輸出功率密度為8 912.7 W/mm。實驗采用自主研發(fā)的水射流導(dǎo)引激光加工實驗平臺，包括水循環(huán)系統(tǒng)和水、激光耦合單元。為了減少水對激光能量的吸收，實驗用水經(jīng)過過濾、去離子和除氣。在實驗中，工件固定在三維平臺的平面上，水、激光耦合單元安裝在軸上。水射流壓力為5 MPa，激光束被聚焦到直徑為0.1 mm的水噴嘴中與水射流耦合，激光能量通過水射流的引導(dǎo)作用到工件上完成對材料的加工。圖1為水導(dǎo)激光加工技術(shù)的原理圖。

圖1 水導(dǎo)激光加工工藝原理圖Fig.1 Schematic diagram of water jet-guided laser machining technology

為了使加工方塊內(nèi)外表面具有相同的加工精度，便于對加工表面進行檢測，實驗使用雙向循環(huán)掃描的加工方式，以拓寬單次掃描通道再逆方向進行循環(huán)掃描，每次拓寬距離為水束耦合后光斑直徑的大小，約0.08 mm，掃描速度為5 mm/s。圖2為水導(dǎo)激光加工示意圖，圖中采取整圈、半圈交替形式的掃描軌跡，能夠避免掃描轉(zhuǎn)向點與掃描起始點重合帶來激光能量的熱積累，以提高加工的精度。

圖2 水導(dǎo)激光加工示意圖Fig.2 Strategies for water jet-guided laser machining

樣品經(jīng)水導(dǎo)激光加工后，用潔凈的壓縮空氣風(fēng)干。為了了解加工表面形貌特征，采用50倍物鏡的Bruker Contour GT-K光學(xué)顯微鏡測量三維表面形貌，表面粗糙度數(shù)據(jù)直接從實測的三維數(shù)據(jù)中獲得。對切割斷面噴金處理后，采用蔡司EVO MA 10/LS 10型掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)對其表面形貌進行了表征。

1.2 實驗材料

實驗采用完全固化層取向為[0°/-45°/90°/45°]的凱夫拉CFRP板材，厚度為10 mm。碳纖維的體積分數(shù)為0.6，環(huán)氧樹脂的體積分數(shù)為0.4。碳纖維和環(huán)氧樹脂的熱性能如表1所示，由于碳纖維是人造石墨，具有六邊形的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因此它呈現(xiàn)出以二維層狀結(jié)構(gòu)分布為主的各向異性的導(dǎo)熱系數(shù)。碳纖維和環(huán)氧樹脂的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的趨勢如圖3所示。

表1 CFRP熱力學(xué)參數(shù)[14-17]Table 1 CFRP thermodynamic parameters[14-17]

圖3 CFRP中碳纖維和環(huán)氧樹脂的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的趨勢[19]Fig.3 Variation of anisotropic thermal conductivity of carbon fiber and epoxy resin in CFRP with temperature[19]

2 有限元建模

2.1 幾何模型

為了保證仿真模型的可靠性，將纖維與環(huán)氧樹脂分別進行模型的細化，建立非勻質(zhì)具有各向異性的溫度場模型，以便得到較準確的仿真結(jié)果。由于仿真模擬旨在研究水導(dǎo)激光加工CFRP材料的加工機理與傳熱過程，所以模型以四層纖維層為單位建立，考慮了水射流作為強對流冷卻系數(shù)的冷卻效果。設(shè)定模型尺寸為0.2 mm×0.2 mm×0.06 mm, 這能將激光束單次脈沖作用于材料后形成的溫度梯度分布涵蓋其中。纖維的排列被簡化為均勻的，直徑為0.01 mm，間距為0.005 mm，模型的深度為0.06 mm。激光能量作用在模型上表面，光斑直徑為0.08 mm。激光能量傳遞方向與軸平行，且與碳纖維鋪層方向垂直。圖4為仿真模型中纖維的層間排列，每層纖維與三維坐標中軸的層取向為[0°/-45°/90°/45°]，層間填充為樹脂。

圖4 CFRP幾何建模Fig.4 CFRP geometric modeling

為了模擬瞬態(tài)熱反應(yīng)和材料的去除，采用了ANSYS有限元分析軟件中的單元生死技術(shù)。由于材料的去除條件對仿真精度有很大的影響，模型中關(guān)于材料去除的假設(shè)包括： ①隨著溫度的升高，環(huán)氧樹脂達到熔點會發(fā)生熔融和熱解。考慮到水射流的沖擊力，環(huán)氧樹脂應(yīng)該在達到熔體溫度后被沖走。②由于加工過程中材料始終在水射流覆蓋的環(huán)境中，且本實驗中采用去離子超純水，碳纖維的去除環(huán)境始終無氧，所以隨著溫度的升高，碳纖維的去除形式為氣化，取升華溫度作為去除溫度。③在經(jīng)過每一個時間步計算后, 對工件上的每一個單元的溫度進行檢測, 一旦單元的溫度達到材料的去除溫度, 就將其刪除, 這個單元在下個時間步開始時不再參與計算, 同時形成了新邊界, 并重新設(shè)定邊界條件，此時熱流將應(yīng)用于活元素表面。

2.2 控制方程

考慮瞬態(tài)熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式，納秒脈沖激光作用于材料表面，材料吸收激光能量，表面溫度迅速上升，采用熱傳導(dǎo)偏微分方程分析得

(1)

(2)

(3)

=0,=

(4)

式中：為激光在材料內(nèi)的作用深度；為激光的峰值功率密度；為激光器的輸出功率；為材料表面反射率；為激光的光斑面積；為材料的初始溫度。

因此，解得方程為

(5)

式中：為材料的熱擴散率。

高斯補誤差函數(shù)定義為

誤差函數(shù)定義為

設(shè)激光脈沖寬度為，得到解析解為

(,)=

(6)

由于激光通過耦合裝置之后，耦合進入水柱之中。激光在水柱與空氣表面發(fā)生全反射，激光能量存在損耗，在水柱截面的激光能量分布幾乎是均勻的。則以面載荷的方式加載激光能量，即在模型表面加載熱流密度。熱流密度載荷計算公式為

(7)

水射流的強對流冷卻效應(yīng)是提高水導(dǎo)激光加工精度的關(guān)鍵。激光作用區(qū)域以及材料與激光接觸面均受到高壓水射流的對流冷卻作用。如圖5所示，當(dāng)射流抵達被沖擊物體的壁面后，流體向著四周沿壁面散開，形成貼壁射流區(qū)，為層流區(qū)的半徑。被沖擊的壁面正對噴嘴的區(qū)域為滯止區(qū)，與射流中心對應(yīng)的點稱為滯止點，這里的局部傳熱強度最高。隨著的增加，局部傳熱系數(shù)從滯止點的最高值向四周單調(diào)的下降，最終下降趨勢逐漸減緩。水射流接觸材料初期形成層流換熱區(qū)的范圍計算公式為

圖5 水射流沖擊壁面形成的貼壁射流區(qū)流場示意圖Fig.5 Schematic diagram of flow field in wall jet area formed by water jet impacting wall

(8)

的經(jīng)驗公式為

(9)

在流體黏性逐漸增大的區(qū)域，水射流與材料表面換熱的能力也隨之改變。的計算公式為

=

(10)

(11)

水射流接觸材料充分換熱后最終形成湍流換熱區(qū)，該區(qū)域的范圍計算公式為

(12)

湍流區(qū)的經(jīng)驗公式為

(13)

由于模擬的材料厚板材，模型表面除了激光作用面以外，其余的表面在加工時均被水流覆蓋，換熱形式為水的自然對流，對流系數(shù)的取值范圍為1 000～15 000 W/(m·K)。

3 結(jié)果與討論

3.1 仿真結(jié)果

仿真模擬采用與實驗相同的工藝參數(shù)(重復(fù)頻率為1 000 kHz，脈寬為10 ns，平均激光功率為50 W，峰值功率密度為8 912.7 W/mm，水流壓力為5 MPa，掃描速度為5 mm/s)。為簡化仿真計算過程，采用單道次掃描的加工路徑，加工起始時刻的溫度分布如圖6所示。

圖6 水導(dǎo)激光加工初期材料的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of materials in initial stage of water jet-guided laser processing

在激光作用初期，基體迅速升溫，激光能量在基體中以球狀的形式向四周進行熱輻射。碳纖維導(dǎo)熱較快，脈沖結(jié)束后積累的最高溫度為基體的1/2；其中沿著纖維棒的方向熱導(dǎo)率較高，傳熱性能較好，而垂直于鋪層方向?qū)崧瘦^低，熱量傳遞速率僅為順向纖維的3/5。圖7為水導(dǎo)激光加工CFRP時碳纖維體的去除形狀仿真模擬結(jié)果。從圖中可以看出激光能量作用在每層纖維層上熱量傳遞總是優(yōu)先沿著纖維生長的方向，而垂直于鋪層方向由于相鄰的纖維棒之間結(jié)合強度小使熱量傳遞受到限制從而優(yōu)先發(fā)生熱消融。這種由于碳纖維層間排布不同引起的纖維層熱力學(xué)性能表現(xiàn)為各向異性是導(dǎo)致加工中切面橫向的去除深度出現(xiàn)尺寸偏差的原因之一，尤其是纖維鋪層方向與掃描進給同方向時，相鄰纖維棒之間的熱量傳遞方向由激光掃描方向主導(dǎo)，與進給方向順向的纖維分散熱量較多，所以該層出現(xiàn)纖維裸露的現(xiàn)象，切面橫向去除尺寸偏差加劇。

圖7 CFRP中碳纖維材料的加工過程Fig.7 Processing of carbon fiber materials in CFRP

為了研究水導(dǎo)激光加工對碳纖維和樹脂2種材料的加工差異，分別對2種材料的升溫機制和去除形狀進行了仿真模擬，如圖8所示。從圖8(a)中可以看出在加工時，材料表面溫度在脈沖激光輻照期間迅速上升，脈沖結(jié)束后溫度又迅速下降。這是由于在水導(dǎo)激光脈沖輻照時，激光能量僅沉積在表面很薄的一層材料中，使得表面溫度升高很快；在脈沖間隔時間內(nèi)，由于持續(xù)的水冷作用使這層材料內(nèi)的能量通過熱傳導(dǎo)的方式迅速向材料四周擴散，使得表面溫度快速下降，因此材料表面溫升曲線呈鋸齒狀。由于兩種材料熱導(dǎo)率的不同，樹脂比碳纖維獲得更高的升溫比，升溫時達到分解溫度之后被去除將不再繼續(xù)吸熱；在冷卻過后，樹脂能迅速降溫，為下一次脈沖獲得較低的初始溫度。

圖8 水導(dǎo)激光加工CFRP的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of CFRP processed with water jet-guided laser

圖8(b)為單次掃描線中點位置橫截面的溫度梯度曲線。研究發(fā)現(xiàn)在復(fù)合材料加工中碳纖維增強體在熱導(dǎo)率、氣化溫度等熱力學(xué)性能方面與基體存在巨大差異，使得CFRP中2種材料的去除機制與去除量不一致?；w熱量堆積嚴重最先發(fā)生熱解并不斷向材料內(nèi)部傳導(dǎo)，大部分熱量到達纖維層后沿著纖維生長方向逃逸，使激光作用區(qū)域熱量積累較少，導(dǎo)致基體橫向去除量大于纖維橫向去除量。但是由于仿真過程是一個脈沖循環(huán)的加熱和持續(xù)水射流強冷卻的過程，加工區(qū)域邊緣溫度接近室溫，幾乎不存在熱量的殘留，所以隨著加工深度的遞進，基體與纖維層去除量保持恒定，具有豎直的加工壁面。由此可見，在保證材料去除熱效率的前提下，增加脈沖周期內(nèi)水射流換熱的時間可以有效降低激光熔蝕界面處基體的溫度疊加，從而控制溫度場空間分布的不均勻性和熱應(yīng)力的積累，這對于減小熱影響區(qū)和提高加工切面的平整性是非常有利的。

3.2 實驗結(jié)果

3.2.1 表面形貌特征

對水導(dǎo)激光加工CFRP矩形塊的不同切面進行表面形貌檢測，圖9(a)和圖9(b)分別為對矩形塊長邊與短邊錐度的測量。結(jié)果表明切割長邊的錐度為2.90°，短邊錐度為3.37°。并對切割面同一坐標位置進行近光源區(qū)域、遠光源區(qū)域表面粗糙度測量，如圖10所示。

研究發(fā)現(xiàn)在相同掃描軌跡切割時長邊錐度小于短邊錐度，近光源區(qū)域(淺槽)表面粗糙度小于遠光源區(qū)域(深槽)表面粗糙度。這種現(xiàn)象可以歸因于在水導(dǎo)激光加工時，激光功率密度分布均勻，與高斯分布不同的是，均勻分布中的任意一點都具有相同的功率密度，燒蝕能力在任意點的水射流截面是相同的，這導(dǎo)致了當(dāng)加工深度較淺或直線掃描軌跡較長時，激光刻蝕過程不受水射流對壁面的沖擊模式影響，對同種材料在任意區(qū)域的去除量相同，具有相對豎直的壁面。此時對于加工區(qū)域粗糙度的影響僅來自于復(fù)合材料各向異性的熱力學(xué)性能，這與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了模型的有效性。然而，隨著槽深不斷加深或直線掃描軌跡變短，水射流在微槽內(nèi)排出困難，在底部沿著側(cè)壁會出現(xiàn)水流滯止區(qū)，滯止水流的速度為0，而壓力較高。當(dāng)水導(dǎo)激光受到滯止水流的干擾后，激光能量無法完全傳遞到槽底面，部分能量沿著槽壁面向材料內(nèi)部橫向傳遞，這就導(dǎo)致了切面熱量積累加重，出現(xiàn)粗糙度增大、錐度增加等表面形貌特征。由于仿真模型中忽略了水射流的流動形態(tài)導(dǎo)致?lián)Q熱率降低的因素，使加工過程始終處于強對流換熱狀態(tài)，所以切面去除量保持恒定，因此仿真與實驗結(jié)果在去除量方面出現(xiàn)誤差。針對水射流流動形態(tài)對CFRP加工的影響在3.2.2節(jié)中詳細闡述。

圖9 水導(dǎo)激光加工矩形塊切面錐度Fig.9 Taper of cross-section of rectangular block by water jet-guided laser processing

3.2.2 層間損傷演化機制

由3.1節(jié)仿真結(jié)果可知，纖維鋪層方向與掃描進給方向同向時更容易發(fā)生纖維裸露，所以本節(jié)重點對該區(qū)域進行研究論證。在水導(dǎo)激光對CFRP切割過程中時，存在多種去除機制共同作用，包括熱解作用、光化學(xué)作用和力學(xué)剝蝕作用。材料被去除后的熔融產(chǎn)物經(jīng)水射流沖刷排出，熔融物的排屑效率會影響母材切面的熱積累過程，導(dǎo)致出現(xiàn)加工損傷。其中纖維層間出現(xiàn)損傷主要來源于兩個方面，首先是水射流在深槽內(nèi)的約束形態(tài)對切面表層纖維傳熱過程的部分屏蔽作用。

在加工中水射流流動形態(tài)與槽深的關(guān)系為

(14)

式中：為材料的加工深度；、為自定義系數(shù)；為材料的泊松比；為材料的拉伸強度；為沖擊波在水中的傳播速度；為沖擊波在材料中的傳播速度。

水射流與壁面的沖擊狀態(tài)可劃分為沖擊階段與滯止階段。在沖擊階段初期，水射流尖端撞擊材料表面，其引導(dǎo)的激光束在材料表面散射，在極短的時間內(nèi)材料吸熱發(fā)生光熱轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生等離子體，由于等離子體的反沖壓力向材料深部傳播，從而實現(xiàn)材料的熱消融。此時水射流的傳播速度遠大于水射流被材料壁面約束后橫向擴展的速度，因此在加工初始時刻熔融物受到極大的沖擊力，去除率和排屑率保持在一個較高的水平。隨著去除深度的增加，水射流沿著槽底面的流動受到壁面的制約。在深槽內(nèi)的加工過程如圖11所示。材料受到的沖擊力迅速降低為滯止壓力，此時水射流沖擊形態(tài)進入第2個階段，即滯止階段。在水射流的持續(xù)作用下，在槽底部形成具有一定厚度的滯止區(qū)，滯止水層的厚度由槽內(nèi)水射流的逃逸速度與加工時掃描的進給速度決定，此時水射流的沖擊壓力略高于滯止壓力，激光能量在滯止水層內(nèi)多次反射衰減，材料的去除率與排屑率降低，水射流對加工區(qū)域的換熱率降低。尤其是纖維鋪層方向與加工掃描方向同向時切面裸露的表層纖維受到熱應(yīng)力集中，所以極易出現(xiàn)裂紋甚至纖維斷裂的現(xiàn)象。其中水射流在該纖維層的流動狀態(tài)與加工后對切面形貌檢測如圖12所示。裸露的纖維在水射流的沖擊作用下首端部分被拉出，末端部分與基體粘結(jié)，這會導(dǎo)致切面底端的強度損傷。

圖10 矩形塊切面表面粗糙度Fig.10 Surface roughness of rectangular block cross-section

圖11 水導(dǎo)激光加工復(fù)合材料深槽的加工過程Fig.11 Process of water jet-guided laser machining of composite deep groove

圖12 水射流在不同纖維鋪層方向內(nèi)的流動形態(tài)對切面形貌的影響Fig.12 Influence of water jet flow morphology on section morphology in different fiber layout directions

其次是基體樹脂在濕熱環(huán)境中的熱解會氣蝕切面表層碳纖維。在水射流的強換熱區(qū)域樹脂被等離子體燒蝕去除后，邊緣溫度很低存在較大的溫度梯度，燒蝕邊界周圍的材料甚至達不到樹脂的熱解溫度，樹脂熱解區(qū)域非常小，所以對纖維層的損傷極小。隨著加工深度的增加水射流換熱能力下降，激光能量衰減嚴重，樹脂并不能完全被等離子體燒蝕去除，部分樹脂達到玻璃轉(zhuǎn)化溫度后發(fā)生相變以熱解的形式被去除。樹脂熱解釋放大量氣體，熱解氣流在結(jié)合界面的多孔隙碳纖維骨架中流動，形成力學(xué)剝蝕效應(yīng)，纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表層斷裂的現(xiàn)象。而深槽底部滯止水層的形成使基體在脈沖時間內(nèi)處于濕熱環(huán)境，由于樹脂基體及界面均有吸水特性，吸水后引起基體的物理變化，層間剪切強度下降，與纖維層的結(jié)合力下降，加快了熱解氣流氣蝕過程。其中，纖維鋪層方向與切割進給方向同向時，鋪層間的結(jié)合強度相對較弱，碳纖維出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象較嚴重，因此深槽底部纖維會出現(xiàn)斷裂及部分脫落現(xiàn)象如圖13(a)所示。為了進一步研究深槽中水流流動特性對加工壁面形貌的影響， 進行了改變掃描深寬比(Depth/Width,)的對比實驗。研究發(fā)現(xiàn)減小掃描深寬比切面纖維損傷逐漸減少。當(dāng)掃描寬度由原來的0.8 mm增加至1.6 mm時，即加工微槽深寬比由12.5變?yōu)?.25時，水射流在槽底形成滯止水層的范圍削減，纖維脫落區(qū)域減少，如圖13(b)所示，加工表面纖維損傷區(qū)域縮小46%。

圖13 改變加工時掃描槽深寬比(D/W)對切面底部纖維形貌的影響Fig.13 Influence of scanning groove depth-width ratio (D/W) on bottom carbon fiber morphology of cross-section

圖14為改變掃描深寬比對加工表面精度的影響趨勢，發(fā)現(xiàn)隨著掃描深寬比的減小，表面粗糙度、切面錐度、纖維損傷范圍均呈線性波動下降，其中纖維損傷范圍的變化最為明顯。

圖14 不同掃描深寬比對加工精度的影響Fig.14 Influence of different scanning depth-width ratio on machining accuracy

由此可見降低掃描深寬比可以有效減少深槽壁面的損傷范圍，提高切面的精度。研究中發(fā)現(xiàn)雖然在切面底端存在纖維部分斷裂等損傷，但是只發(fā)生在表層微米深度范圍內(nèi)，增加水射流的排屑率是減少纖維損傷的有效途徑。因此實現(xiàn)水導(dǎo)激光對CFRP高精度的加工，優(yōu)化掃描軌跡以確保高效的排屑率，以及減少滯止水層的范圍是關(guān)鍵。

圖15為水導(dǎo)激光加工矩形槽切面的SEM形貌圖。由圖可見斷面纖維排列緊密，未出現(xiàn)末端膨脹，表面沒有熔融物粘附，纖維形狀幾乎沒有惡化。在基體與纖維層界面存在少量孔隙，未觀察到分層現(xiàn)象，展現(xiàn)出水導(dǎo)激光加工CFRP材料良好的應(yīng)用前景。隨著高精度激光加工技術(shù)的發(fā)展，特別是對降低復(fù)合材料熱損傷的要求提高，利用水導(dǎo)激光加工技術(shù)將會成為未來碳纖維復(fù)合材料加工備受青睞的發(fā)展方向。

圖15 水導(dǎo)激光加工矩形槽切面形貌SEM圖Fig.15 SEM of cross-section morphology of rectangular groove processed by water jet-guided laser processing

4 結(jié) 論

1) 水導(dǎo)激光加工技術(shù)對CFRP進行加工時，激光能量在基體中以球狀的形式向四周進行熱輻射。由于碳纖維以鋪層方式排列，沿碳纖維方向的聯(lián)通性高，垂直于鋪層方向存在結(jié)合間隙，熱傳導(dǎo)的通道被阻斷熱導(dǎo)率較低，熱量傳遞表現(xiàn)為各向異性，因此切面的橫向去除深度相異。

2) 切面形貌受水射流的流動形態(tài)影響。在水射流流動形態(tài)受切割壁面約束較小時，水射流的傳播速度遠大于水射流被材料壁面約束后橫向擴展的速度，熔融物受到極大的沖擊力，去除率和排屑率保持在一個較高的水平，切面可以獲得較小的粗糙度和錐度。

3) 當(dāng)加工進入深槽階段時，水射流沿壁面的逃逸過程受到壁面的制約，在槽底形成一定厚度的滯止水層，此時材料的去除率降低，基體與樹脂層間結(jié)合變差。同時樹脂熱解產(chǎn)生的氣泡對裸露的表層碳纖維進行氣蝕，纖維結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表層斷裂的現(xiàn)象。降低掃描深寬比能有效減少深槽處的纖維損傷，當(dāng)深寬比減小1倍時，損傷區(qū)域縮小46%。

4) 確保水射流高效的排屑率可以實現(xiàn)水導(dǎo)激光高精度的加工。切割斷面纖維排列緊密，未出現(xiàn)末端膨脹，表面沒有熔融物粘附，纖維形狀幾乎沒有惡化。在基體與纖維層界面未觀察到分層現(xiàn)象，展現(xiàn)出水導(dǎo)激光加工CFRP材料良好的應(yīng)用前景。