薛 博,徐潔潔,張寰臻,崔夢(mèng)雅,黃 婷,肖榮詩
(1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部,北京 100124;2.河北工程大學(xué)數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院,河北邯鄲056038 )
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱好、耐腐蝕等特性,廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、風(fēng)能、醫(yī)療器械等工業(yè)領(lǐng)域,尤其在航天領(lǐng)域是制造現(xiàn)有和未來空間飛行器不可或缺的關(guān)鍵材料[1]。傳統(tǒng)刀具加工會(huì)產(chǎn)生纖維拔出、材料分層、刀具磨損等缺陷,激光加工具有與材料非接觸的特點(diǎn),是高性能復(fù)合材料加工的有效手段之一[2],然而復(fù)合材料中纖維與基體較大的熱物理性能差異導(dǎo)致的熱影響區(qū)成為了影響加工質(zhì)量的主要因素[3-4]。納秒激光通過優(yōu)化參數(shù)、采用水射流加工方式可以不同程度地降低熱影響區(qū)尺度,寬度范圍在30~1000 μm[5-9];皮秒或飛秒超短脈沖激光與材料極短的作用時(shí)間可有效抑制熱影響,產(chǎn)生的熱影響區(qū)寬度可小于25 μm[10],這為CFRP 的高質(zhì)量加工帶來可能。目前,皮秒激光切割CFRP 的方式主要有單道、多道直線切割及旋轉(zhuǎn)切割,各種加工方式均由于熱累積效應(yīng)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生影響[11]。
采用皮秒激光單道切割時(shí),脈沖累積和掃描累積產(chǎn)生的熱效應(yīng)是導(dǎo)致熱影響區(qū)的兩個(gè)重要因素,其中單脈沖能量、掃描速度、重復(fù)頻率及光斑直徑是影響脈沖累積的主要因素[12]。Freitag 等[13]采用皮秒激光對(duì)CFRP 進(jìn)行刻蝕試驗(yàn),可獲得20 μm 以下的熱影響區(qū)寬度,掃描次數(shù)、掃描速度、激光功率均會(huì)影響熱影響區(qū)范圍且掃描累積效應(yīng)存在臨界值,大于臨界值時(shí)熱影響區(qū)寬度迅速增加。Kononenko等[14]采用皮秒激光切割CFRP 時(shí)發(fā)現(xiàn),不同氣體環(huán)境、氣體流速下掃描次數(shù)與切縫深度、材料去除率存在影響規(guī)律,氧氣輔助切割可增加切縫深度,但也加劇了熱損傷。Finger 等[15]在皮秒激光多道切割CFRP 工藝試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),增加激光功率、降低掃描速度以及增加脈沖頻率會(huì)導(dǎo)致刻蝕速率增加,降低掃描速度、增加脈沖頻率會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)寬度變大;在低頻脈沖下,激光能量更有效用于對(duì)材料去除,熱影響區(qū)寬度較小。Salama 等[16]通過研究皮秒激光加工CFRP 時(shí)等離子體對(duì)光束的屏蔽效應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn),相對(duì)單道直線切割而言,多道直線切割的切槽更深且隨著激光功率增加切槽傾角減小。朱德志等[17]利用皮秒激光對(duì)CFRP 進(jìn)行銑削試驗(yàn),可得到最小切縫傾角2.6°、最小熱影響區(qū)寬度13 μm,但這兩種最優(yōu)的結(jié)果無法在同一參數(shù)下同時(shí)實(shí)現(xiàn)。蔣翼等[18]利用多道切割的方式,在優(yōu)化工藝下可實(shí)現(xiàn)約5 μm寬度的熱影響區(qū)。葉逸云等[19]利用皮秒激光對(duì)比研究不同功率下激光旋轉(zhuǎn)切割、平行填充切割及十字填充切割3 種不同掃描方式對(duì)加工質(zhì)量的影響,發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切割掃描軌跡最密集,對(duì)CFRP 的材料去除效率最高,且錐度最小、熱影響區(qū)較小。
超短脈沖激光在CFRP 加工方面的報(bào)道多集中于皮秒激光,采用飛秒激光加工少有報(bào)道且主要使用近紅外波長(zhǎng)飛秒激光器。已有研究表明,較短的波長(zhǎng)和脈寬加工CFRP 可實(shí)現(xiàn)更小的熱損傷和更高的切割效率[20]。Fujita 等[21]采用1030 nm 波長(zhǎng)飛秒激光切割高模量CFRP,熱影響區(qū)寬度為11.95 μm。本文采用515 nm 波長(zhǎng)飛秒激光對(duì)CFRP 進(jìn)行切割工藝研究,利用短波長(zhǎng)脈沖產(chǎn)生高能量光子誘導(dǎo)材料多光子吸收,使用飛秒脈寬壓縮脈沖與材料作用時(shí)間盡可能消除熱影響,借助高速旋轉(zhuǎn)振鏡與高重頻、高瞬時(shí)功率脈沖結(jié)合實(shí)現(xiàn)加工效率、加工效果的寬范圍可調(diào);此外,研究切割方向與纖維方向的夾角大小對(duì)產(chǎn)生熱影響區(qū)寬度的影響規(guī)律[22-24]。
試驗(yàn)所用CFRP 是一種由碳纖維和環(huán)氧648 樹脂組成的衛(wèi)星用典型熱固性材料。材料性能見表1。材料厚度為0.4 mm,最外兩層為極薄編織層,內(nèi)四層為碳纖維單向排列,排列方向見圖1。
表1 碳纖維與樹脂基基本材料性能參數(shù)
圖1 纖維取向排列示意圖
圖2 是激光加工裝置和激光掃描路徑示意圖,表2 是試驗(yàn)采用的參數(shù)表。試驗(yàn)采用飛秒激光器搭配掃描振鏡對(duì)材料進(jìn)行逐層去除,用金相顯微鏡檢測(cè)切縫截面的熱影響區(qū)寬度及切縫錐角,用三維表面結(jié)構(gòu)測(cè)量?jī)x測(cè)量切縫的表面粗糙度,用掃描電鏡觀察切縫截面和切縫面的形貌。
圖2 激光加工裝置和激光掃描路徑示意圖
表2 激光參數(shù)
脈沖光斑重疊率overlap 計(jì)算方法如下:
式中:Δx為相鄰光斑的重疊寬度;Dl為焦斑直徑;v為激光掃描速度;f 為脈沖頻率。
由于存在光斑重疊率,材料同一位置連續(xù)接收脈沖數(shù)目記為有效脈沖數(shù)Np:
因材料要進(jìn)行多遍切割才能切透,因此掃描速度與實(shí)際切透所用遍數(shù)N 比值定義為等效切割速度V:
此切割試驗(yàn)中,每一組參數(shù)重復(fù)三次,每條切縫長(zhǎng)度為1 cm,每間隔2 mm 抽樣一次切縫截面和切縫面。圖3 是熱影響區(qū)和切縫錐角的示意圖,在激光照射下,由于碳纖維的導(dǎo)熱性良好,大量熱量沿著碳纖維軸向切縫周圍擴(kuò)散,并傳遞至碳纖維周圍的樹脂中,使樹脂受到一定的熱損傷,工藝研究中的熱影響區(qū)寬度設(shè)定為切縫中最大值,所得的切縫呈倒錐角形,錐角為切縫壁夾角的一半。
圖3 熱影響區(qū)和切縫錐角測(cè)量示意圖
設(shè)定激光功率50 W、掃描速度3000 mm/s、脈沖頻率600 kHz,將激光聚焦于材料中間部位、切割方向與表層碳纖維方向垂直,對(duì)CFRP 進(jìn)行直線軌跡單向多次掃描,改變掃描次數(shù)得到不同深度切縫橫截面,每個(gè)橫截面每層選取3 個(gè)測(cè)量點(diǎn),測(cè)量熱影響區(qū)的寬度,所得結(jié)果見圖4??煽闯?,隨著掃描次數(shù)增加,切縫深度逐漸增大,上表面切縫寬度變化不明顯,每一層中切縫寬度、熱影響區(qū)寬度隨深度增加而減??;此外,不同分層由于層間纖維走向變化會(huì)造成熱堆積,出現(xiàn)層-層交界處熱影響區(qū)增大,當(dāng)CFRP 完全切透后該現(xiàn)象消失。
圖4 不同掃描次數(shù)下的切縫橫截面形貌
圖5 是圖4 所示部分截面的掃描電鏡放大圖。由于碳纖維熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于樹脂,激光能量在纖維中沿軸向快速傳播[17],周圍樹脂受到熱損傷發(fā)生氣化,出現(xiàn)碳纖維裸露的熱影響區(qū),熱影響區(qū)寬度和切縫寬度在同一層中均表現(xiàn)為上寬下窄。當(dāng)激光束切割深度達(dá)到層間交界時(shí),如從第1 層進(jìn)入第2 層、第3層進(jìn)入第4 層時(shí),光束切割方向與纖維軸向夾角分別由90°變?yōu)?5°、由-45°變?yōu)?°。由于碳纖維軸向熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于徑向熱導(dǎo)率,激光能量向切縫兩側(cè)傳播速度減小,能量在切縫邊緣積累、去除材料增多,于是出現(xiàn)切縫底部變寬、熱影響區(qū)寬度增大的現(xiàn)象。當(dāng)切割深度由第2 層進(jìn)入第3 層時(shí),光束切割方向與纖維軸向夾角由45°變?yōu)?45°,未發(fā)現(xiàn)切縫底部寬度及熱影響區(qū)寬度增加。
圖5 不同掃描次數(shù)的切縫橫截面微觀形貌
設(shè)定脈沖頻率600 kHz,將激光聚焦于材料中間部位,切割方向與表層碳纖維方向垂直。選取激光功率分別為20、30、40、50、60 W,掃描速度分別為500、1500、2500 mm/s,對(duì)材料進(jìn)行多遍掃描切割直至將材料切開。取樣分別測(cè)出不同參數(shù)下的熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度進(jìn)行切割質(zhì)量評(píng)估,結(jié)果見圖6。
圖6 不同激光功率、掃描速度下的切割表面質(zhì)量
通過圖6 可看出,隨著激光功率增加,熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度值均不斷增加;隨著掃描速度越快,熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度值均越小,從而提高加工質(zhì)量。此外,熱影響區(qū)寬度受掃描速度的影響顯著,在掃描速度為500 mm/s 時(shí)切割呈現(xiàn)的熱影響區(qū)寬度明顯增大;僅增加激光功率時(shí),熱影響區(qū)寬度隨功率增加趨緩,呈飽和趨勢(shì)。通過對(duì)比加工質(zhì)量變化規(guī)律,采用小功率、高速掃描可獲得更優(yōu)的加工效果,在激光功率20 W、掃描速度2500 mm/s、脈沖頻率600 kHz時(shí),可得到熱影響區(qū)寬度10 μm 下、切縫錐角2°下、切割表面粗糙度值小于Ra2.5 μm 的切割效果。
通過式(3)計(jì)算材料切透的等效切割速度,獲得其隨激光功率、掃描速度的變化規(guī)律見圖7。結(jié)果顯示,掃描速度越快,將材料切透所需的掃描次數(shù)越多,等效切割速度越低,相應(yīng)的切割時(shí)間增加,這種差異在低功率時(shí)影響較小,隨著激光功率的增加而增大。對(duì)比圖6 切割質(zhì)量與圖7 加工速率結(jié)果可知,采用低功率、高速掃描可獲得更好的切割質(zhì)量,且低功率下等效切割速度的差異不大,對(duì)切割效率的影響不明顯,因此下文將對(duì)低功率和高掃描速度參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步工藝優(yōu)化。
圖7 激光功率、掃描速度對(duì)等效切割速度的影響
熱影響區(qū)的產(chǎn)生除了受激光直接作用材料時(shí)間(即脈寬)影響外,還存在熱量累積因素。當(dāng)脈沖頻率越高,前后兩個(gè)脈沖的時(shí)間間隔越短,激光輻照材料引起的熱累積效應(yīng)越顯著;此外由公式可知,脈沖頻率越高或掃描速度越慢,光斑重疊率增加,一方面會(huì)造成有效脈沖數(shù)增多、熱累積效果加劇,另一方面會(huì)增加光致等離子體與次脈沖作用概率。目前,熱累積已成為影響超短脈沖激光加工精度的直接原因和主要原因。
為此,設(shè)定激光功率20 W、脈沖頻率600 kHz、掃描速度2500 mm/s、光斑重疊率91.7%,保持激光功率、掃描速度不變,單一改變脈沖頻率,通過縮短脈沖間隔、減小光斑重疊率進(jìn)行工藝優(yōu)化,所得結(jié)果見圖8。對(duì)比圖6 所示飛秒激光切割后CFRP 材料的熱影響區(qū)寬度、切縫錐角和切縫表面粗糙度發(fā)現(xiàn),三種參量均隨著脈沖頻率減小而減小,加工質(zhì)量得到優(yōu)化。當(dāng)脈沖頻率由600 kHz 降至50 kHz時(shí),通過降低光斑重疊率、延長(zhǎng)脈沖間隔,切縫的熱影響區(qū)寬度由7 μm 降至2 μm、錐角由2°降至1.5°、表面粗糙度值由Ra2.4 μm 降至Ra1.6 μm,切割精度進(jìn)一步提高。
圖8 不同脈沖頻率下的切割質(zhì)量評(píng)價(jià)
圖9 是優(yōu)化后的切縫切面和截面的SEM 掃描圖像,可看到切縫切面光滑,切縫截面周圍幾乎無熱影響區(qū),纖維層間過渡區(qū)無熱累積缺陷。目前使用皮秒激光、飛秒激光等超短脈沖激光切割CFRP時(shí),切割邊緣熱影響區(qū)寬度可控制在5~10 μm[18]。本研究獲得了更小的熱影響區(qū),且切割邊緣光滑,未見表皮撕裂、分層剝離等缺陷。
圖9 參數(shù)優(yōu)化后的切縫切面和截面
目前超短脈沖激光加工材料仍存在熱影響,主要來源于熱量累積效應(yīng),采用高頻、低速加工參量會(huì)導(dǎo)致光斑重疊率增加,有效脈沖數(shù)增多,且相鄰脈沖時(shí)間間隔縮小,熱累積效應(yīng)顯著。圖10 是在掃描速度2500 mm/s、功率20 W 的優(yōu)化工藝下得到的相鄰脈沖時(shí)間間隔、光斑重疊率、有效脈沖數(shù)隨脈沖頻率變化規(guī)律曲線??煽闯?,脈沖頻率的減小可使脈沖時(shí)間間隔反比率增加,從而增加脈沖作用材料后的冷卻時(shí)間;脈沖頻率的減小可使光斑重疊率降低,并且頻率越低下降速度顯著加快;脈沖頻率的減小可使有效脈沖數(shù)線性下降。當(dāng)脈沖頻率由600 kHz 降至50 kHz 時(shí),光斑重疊率從91.7%降到0,此時(shí)同一位置只接收一次脈沖輻照,相鄰脈沖時(shí)間間隔20 μs,熱累積效應(yīng)相對(duì)于其他工藝優(yōu)化參量時(shí)得到明顯抑制,因此可獲得較高的加工質(zhì)量。
圖10 不同脈沖頻率下的相鄰脈沖時(shí)間間隔、光斑重疊率及有效脈沖數(shù)曲線
采用515 nm 波長(zhǎng)飛秒激光對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行切割研究,得到以下結(jié)論:
(1)多遍切割過程中,當(dāng)激光束切割深度恰位于層間交界時(shí),由于層間纖維走向變化會(huì)造成熱累積,出現(xiàn)切縫底部材料蝕除量增多、切縫寬度及熱影響區(qū)增大,多遍切割直至材料切透后可消除。
(2)當(dāng)增加激光功率時(shí),熱影響區(qū)寬度、切縫錐角、切割表面粗糙度值均不斷增大;提高掃描速度時(shí),相應(yīng)的加工質(zhì)量也相應(yīng)提高。
(3)降低脈沖頻率,可使光斑重疊率降低、相鄰脈沖時(shí)間間隔增大、有效脈沖數(shù)減小,飛秒激光加工時(shí)熱累積效應(yīng)減弱。采用優(yōu)化工藝下進(jìn)行切縫試驗(yàn),可得到熱影響區(qū)寬度2 μm、切縫錐角1.5°、切割表面粗糙度Ra1.6 μm 的切縫。