蔡 頌,宋金潮,王遙遙,陳 達(dá),鄧 凱,湯迎紅,李 琦

(1.武昌工學(xué)院 智能制造學(xué)院,武漢 430065,中國(guó);2.湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,株州 412007,中國(guó))

0 引 言

在當(dāng)今工業(yè)化大發(fā)展的浪潮中,新材料和新技術(shù)不斷涌現(xiàn),在軌道交通領(lǐng)域,復(fù)合材料因其自身輕質(zhì)化等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用;在材料加工領(lǐng)域,激光加工技術(shù)因其高精度、高效率等顯著優(yōu)勢(shì),對(duì)加工后材料的形狀精度具有明顯的提升效果[1-2],作為一種非接觸式的先進(jìn)加工技術(shù),在復(fù)合材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大[3],激光加工碳纖維復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)[4-5]。CFRP具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐輻射、抗化學(xué)腐蝕等良好特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、風(fēng)力發(fā)電、醫(yī)療等國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的重要領(lǐng)域[6]。由于CFRP材料本身層疊、纖維織構(gòu)等特點(diǎn),采用銑削[7-8]等傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝會(huì)導(dǎo)致材料分層,出現(xiàn)梯層形式的損傷、內(nèi)部纖維拔出等棘手問(wèn)題,導(dǎo)致材料本身的力學(xué)性能降低, 使其應(yīng)用發(fā)展受到了限制。

碳纖維作為CFRP材料內(nèi)的增強(qiáng)材料,在傳熱性能、能量吸收率和物質(zhì)相變上與作為基體的環(huán)氧樹(shù)脂存在著巨大的差異。由此激光加工CFRP材料會(huì)出現(xiàn)材料分層、內(nèi)部纖維拔出及燒蝕區(qū)域周圍的熱影響區(qū)(heat affected zone, HAZ)等缺陷,嚴(yán)重影響CFRP的加工質(zhì)量,這對(duì)激光加工CFRP材料的發(fā)展會(huì)有一定的阻礙[9-10]。

本文中采用光纖脈沖紅外激光器對(duì)CFRP材料進(jìn)行燒蝕實(shí)驗(yàn),根據(jù)激光器峰值功率、離焦量、激光掃描速率多種參數(shù)構(gòu)成的組合[11-13],探究不同激光工藝參數(shù)下激光加工CFRP材料質(zhì)量的規(guī)律,優(yōu)化紅外激光加工CFRP材料的加工工藝。

1 納秒脈沖激光加工CFRP材料工藝流程

納秒脈沖激光燒蝕CFRP材料工藝流程圖如圖1所示。激光器產(chǎn)生高能激光束經(jīng)光纖傳導(dǎo),掃描振鏡采用動(dòng)磁式和動(dòng)圈式偏轉(zhuǎn)的工作方式使光纖傳導(dǎo)后的激光束發(fā)生偏轉(zhuǎn),經(jīng)場(chǎng)鏡聚焦照射在CFRP材料板材上,在板材表面激光焦點(diǎn)一定范圍的位置內(nèi),溫度上升,受到燒蝕的CFRP材料板材發(fā)生變化。其中碳纖維在常壓下沒(méi)有液相,氣化碳纖維所需要的能量要比激光蒸發(fā)樹(shù)脂基體需要的能量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)[14-15]。根據(jù)XU等人[16]的研究可知,紅外激光照射在CFRP材料板材過(guò)程中,碳纖維對(duì)紅外激光的吸收約占激光器發(fā)射激光的80%,碳纖維吸收了絕大部分的激光能量,從而發(fā)熱使碳纖維CFRP板材表面的環(huán)氧樹(shù)脂蒸發(fā)。CFRP材料表面樹(shù)脂基體經(jīng)歷了由固相-液相-氣相的轉(zhuǎn)變,表面微量樹(shù)脂基體被蒸發(fā),擴(kuò)散到空氣中,氣體具有一定刺激性和燒焦的氣味。隨著激光功率增加,CFRP材料中的增強(qiáng)材料碳纖維局部燃燒,由固相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?變成氣體擴(kuò)散至空氣中,實(shí)現(xiàn)CFRP材料的燒蝕加工。本實(shí)驗(yàn)中采用的光纖激光打標(biāo)機(jī),其振鏡是由x和y場(chǎng)鏡及驅(qū)動(dòng)器組成,用于激光掃描和定位的局部系統(tǒng),由Ezcad軟件控制輸出伺服信號(hào)控制振鏡偏轉(zhuǎn),以定位x和y平面上的目標(biāo)位置[17],使激光束能照射到目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行燒蝕工作,材料表面將會(huì)出現(xiàn)由振鏡偏轉(zhuǎn)控制激光束燒蝕后留下的痕跡;手動(dòng)控制手輪來(lái)調(diào)整升降軸的高度位置,同時(shí)也調(diào)控CFRP材料表面與振鏡內(nèi)部透鏡焦點(diǎn)位置之間的縱向距離,控制材料表面激光光斑的大小,結(jié)合不同的激光功率密度對(duì)CFRP材料進(jìn)行燒蝕[18]。

圖1 激光加工CFRP材料過(guò)程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the process of laser processing CFRP materials

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)中采用的CFRP材料是平紋啞光碳板,其增強(qiáng)材料為3K花紋,即單束由3000根單紗正交排布組成后的單位最小的網(wǎng)格,其基體為耐溫、耐腐蝕、高電絕緣的環(huán)氧樹(shù)脂,長(zhǎng)300 mm,寬200 mm,厚度0.5 mm±0.1 mm,纖維體積含量占總板材的60%以上,纖維鋪層的鋪設(shè)方向?yàn)?°(橫束)和90°(縱束),加表面編制布料一起共3層。激光波長(zhǎng)為1064 nm。將材料放置在工作臺(tái),高能量激光束場(chǎng)鏡聚焦后照射在碳纖維板上,在控制器軟件上設(shè)定程序使激光在操作臺(tái)2維x軸和y軸[19]確定的平面上掃描移動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)CFRP材料的激光燒蝕。

加工完成后,碳纖維板材表面一定會(huì)有影響實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果的碳纖維殘?jiān)?、灰塵等雜質(zhì),故需要在觀察材料表面形貌前,對(duì)碳纖維板材進(jìn)行一定的清洗,考慮到材料的特點(diǎn),一般選用超聲波清洗機(jī),使其在純凈水中清洗。打開(kāi)加熱開(kāi)關(guān),設(shè)置加熱溫度為35 ℃,實(shí)際溫度到達(dá)設(shè)置溫度的1 min左右,同時(shí)采用最高檔位5檔的超聲功率,約900 W。脈沖激光燒蝕CFRP材料板材后,表面的雜質(zhì)與板材脫離進(jìn)入水中。板材經(jīng)清洗后,進(jìn)行干燥處理。最后采用超景深3維顯微系統(tǒng)觀察脈沖激光燒蝕后的CFRP材料板材表面的形貌,獲得刻蝕線線寬等數(shù)據(jù)[20]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 線寬隨離焦量變化的寬窄演變規(guī)律

本實(shí)驗(yàn)中選用的CFRP板材表面由碳纖維束呈90°橫縱交錯(cuò)的網(wǎng)格組成,縱束網(wǎng)格相對(duì)橫束網(wǎng)格較為凸起。離焦量的選定決定了激光刻蝕能量的利用效率,操控激光器的手輪,使振鏡在升降軸上調(diào)整z軸的高度,以完成激光器的調(diào)焦[21]。用激光器在CFRP材料板上刻蝕線條,由于材料表面環(huán)氧樹(shù)脂含量在橫束和縱束單位網(wǎng)格之間交界處較網(wǎng)格中心區(qū)域更多,分布不均。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,故選擇從正方形網(wǎng)格左邊長(zhǎng)中點(diǎn)開(kāi)始,終止于接近橫向第6個(gè)網(wǎng)格右側(cè)邊長(zhǎng)中點(diǎn)位置,實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。

圖2 刻蝕線在材料上的位置Fig.2 Position of the etching line on the material

首先,選取用來(lái)刻蝕線段的激光掃描速率,對(duì)應(yīng)器材說(shuō)明書,將偏振鏡與移動(dòng)軸的連接部件高度到工作臺(tái)的距離稱為升降軸刻度h,選取在聚集激光較強(qiáng)范圍內(nèi)的升降軸刻度7.4 cm,在CFRP材料板子上分別以激光掃描速率為30 mm/s、50 mm/s、70 mm/s、90 mm/s、110 mm/s刻蝕線段,如圖3所示。圖3a～圖3e分別對(duì)應(yīng)激光掃描速率為30 mm/s、50 mm/s、70 mm/s、90 mm/s、110 mm/s時(shí),CFRP材料板刻蝕線。由此可看出,對(duì)應(yīng)70 mm/s的激光掃描線條較其它線條連續(xù)性好,刻蝕線條沒(méi)有明顯的單位網(wǎng)格邊緣環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)致的中斷部分存在,故選取70 mm/s 作為在不同離焦量下刻蝕線條的激光掃描速率。

圖3 脈沖激光不同速率下的刻蝕線Fig.3 Etching lines at different speeds of pulsed laser

以升降軸上的刻度“h=5 cm”為下限、“h=10 cm”為上限,旋轉(zhuǎn)手輪,每次控制振鏡向上移動(dòng)1 cm,重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次,確保穿過(guò)透鏡的激光在聚焦后的焦點(diǎn)處于劃定的上下限范圍內(nèi),如圖4所示。圖4a～圖4f分別對(duì)應(yīng)升降軸刻度h為5 cm、6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm時(shí),CFRP材料板刻蝕線。其中,7 cm和8 cm刻度處刻蝕線線寬最細(xì),并且是連續(xù)的線段,而其它線條幾乎都有斷點(diǎn),且刻蝕深度不明顯,故確定0 mm離焦量的位置就在升降軸刻度7 cm與8 cm之間。以7 cm為起點(diǎn)0.2 cm為步長(zhǎng),在CFRP材料板上刻蝕線條,直至到達(dá)升降軸8 cm刻度處,按表1中的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行脈沖激光線段刻蝕后的CFRP材料板材如圖5所示。圖5a～圖5e分別對(duì)應(yīng)升降軸刻度h為7.0 cm、7.2 cm、7.4 cm、7.6 cm、7.8 cm、8.0 cm時(shí),CFRP材料板刻蝕線。觀察到圖中7.6 cm的刻蝕線條較細(xì)且較為連貫,為保證在CFRP材料板材找到激光光斑最小的離焦量位置刻度,故將振鏡在7.6 cm處沿著升降軸上下各移動(dòng)1 mm的距離,取升降軸刻度7.5 cm、7.7 cm,測(cè)量該刻度處激光刻蝕線條的寬度。

圖4 1 cm升降軸刻度跨度的刻蝕線Fig.4 Etching lines for the span of 1 cm lifting axis

圖5 0.2 cm升降軸刻度跨度的刻蝕線Fig.5 Etching lines for the span of 0.2 cm lifting axis

本實(shí)驗(yàn)中采用超景深3維顯微鏡系統(tǒng)(70倍)觀察激光刻蝕后的線條在CFRP材料板材的橫束和縱束碳纖維網(wǎng)格上的表面形貌,并測(cè)量刻蝕線的寬度?？紤]到材料有一定的密度缺陷,刻蝕線段在CFRP材料上的形狀會(huì)有差異。因此,為減小實(shí)驗(yàn)的誤差,保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)謹(jǐn),應(yīng)測(cè)量網(wǎng)格上較寬的線段寬度來(lái)確定0 mm離焦量在z軸上的位置,刻蝕線寬度b1和b2于不同升降軸刻度h下的橫束單位網(wǎng)格及縱束單位網(wǎng)格線寬規(guī)律圖如圖6所示。環(huán)境、儀器等多方面因素導(dǎo)致誤差產(chǎn)生,其誤差范圍為5%。

圖6 單位網(wǎng)格線寬隨激光器升降軸刻度變化規(guī)律圖Fig.6 Line width of the unit grid changes with the scale of the laser lift axis

由圖6可知,當(dāng)激光器升降軸刻度h由7.0 cm逐漸增加至7.6 cm時(shí),即從下離焦區(qū)向中離焦變化時(shí),刻蝕線線條在縱束單位網(wǎng)格上的寬度從537.001 μm減少到330.024 μm,此時(shí)刻蝕線線條在橫束單位網(wǎng)格上的線寬從324.000 μm減少到239.017 μm,且到達(dá)最小橫束碳纖維網(wǎng)格線寬;當(dāng)由7.6 cm增加至8.0 cm,即從中離焦向上離焦區(qū)變化時(shí),刻蝕線線條在縱束單位網(wǎng)格上的寬度先從7.6 cm刻度的330 μm減小到7.7 cm刻度的302 μm,再?gòu)脑摽潭染€寬增加到8.0 cm刻度的383 μm,其中在7.7 cm刻度的縱束碳纖維單位網(wǎng)格刻蝕線的線寬最小;與此同時(shí),刻蝕線線條在橫束單位網(wǎng)格上的線寬從239 μm增加到305 μm。圖7a～圖7f所示是升降軸刻度h分別為7.4 cm、7.5 cm、7.6 cm、7.7 cm,7.8 cm、8.0 cm時(shí)的CFRP材料板表面形貌圖。此時(shí)激光峰值功率為20 W,激光掃描速率為70 mm/s。

圖7 脈沖激光燒蝕CFRP復(fù)合材料表面形貌圖Fig.7 Topographic map of the surface of the CFRP composite by pulsed laser ablation

碳纖維單位網(wǎng)格中橫束碳纖維線寬與縱束網(wǎng)格中碳纖維線寬最小值并不在同一升降軸刻度上。故本實(shí)驗(yàn)中的CFRP復(fù)合材料板材橫縱束的碳纖維網(wǎng)格表面材料并不在同一平面上,如圖8所示。

圖8 CFRP復(fù)合材料板材剖面圖Fig.8 Sectional view of CFRP composite sheets

橫束和縱束碳纖維網(wǎng)格上的最小線寬并不是由同一激光器升降軸刻度下的激光所產(chǎn)生的。為找到激光器升降軸刻度的最佳位置,即實(shí)驗(yàn)中所用的最小離焦量,不能只考慮刻蝕線線寬,要將激光能量密度納入考慮的范疇。激光峰值功率恒定,不同升降軸刻度的激光能量密度如表2所示。

表2 單位網(wǎng)格不同線寬對(duì)應(yīng)激光功率密度Table 2 Different line widths per unit grid correspond to laser power density

激光能量密度計(jì)算公式為[22]:

Pav=Ppeakfτ

(1)

Ep=Pavt/S

(2)

式中:Ep為脈沖激光能量密度;Ppeak為激光峰值功率;Pav為激光平均功率;t為激光掃描時(shí)間;S為激光掃描面積;f為重復(fù)頻率。

隨著b1從537 μm減小至302 μm時(shí),Ep從0.01062 J/mm2增加至0.01614 J/mm2,此時(shí)激光能量密度最大,并且激光在縱束單位網(wǎng)格上的刻蝕線線寬最小,然而刻蝕線橫束線寬僅次于激光能量密度為0.01606 J/mm2時(shí)的刻蝕線橫束線寬,此外橫束單位網(wǎng)格中的碳纖維與激光掃描方向相差0°,因此在該角度下碳纖維材料上幾乎沒(méi)有熱影響區(qū);雖然刻度7.7 cm處的激光能量密度大于刻度7.6 cm處的激光能量密度,但是二者的激光能量密度約10-4J/mm2的差距,可忽略不計(jì)。此外碳纖維橫束與縱束單位網(wǎng)格上的線寬差最小,根據(jù)JIANG等人[9]的研究,在激光加工CFRP材料過(guò)程中,激光掃描與碳纖維夾角0°時(shí),幾乎沒(méi)有熱影響區(qū),故確定激光光斑直徑為239 μm最為精確,確定升降軸刻度7.6 cm處為0 mm離焦量。

3.2 激光刻蝕線條的斷線現(xiàn)象

如圖9所示,是以功率2 W、頻率0.2 MHz、300 mm/s的速率對(duì)材料進(jìn)行線刻蝕,材料表面由電腦設(shè)定的線條程序經(jīng)激光器在CFRP材料板材上刻蝕后并不是連續(xù)的,會(huì)在單位網(wǎng)格之間發(fā)生中斷。這種現(xiàn)象不僅與基體和增強(qiáng)材料的相變溫度有關(guān),也與CFRP的制造工藝有關(guān)。首先碳纖維比環(huán)氧樹(shù)脂的氣化溫度高,其次碳纖維對(duì)紅外光的吸收率要比環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)紅外光的吸收率大得多,碳纖維吸收了絕大部分的激光能量,從而使碳纖維CFRP板材表面的環(huán)氧樹(shù)脂基體蒸發(fā)。CFRP材料是由多束碳纖維紡絲、碳化、編織、鋪疊、層壓[23]填充并由環(huán)氧樹(shù)脂粘合,碳纖維在樹(shù)脂中正交分布,在單位碳纖維束網(wǎng)格之間,由于相鄰網(wǎng)格是呈90°橫縱排布,其中縱束網(wǎng)格凸起,因此環(huán)氧樹(shù)脂在縱束和橫束網(wǎng)格間高度差的縫隙處堆積。在激光劃線過(guò)程中,基質(zhì)環(huán)氧樹(shù)脂的激光吸收率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳纖維的激光吸收率,網(wǎng)格中間部分的環(huán)氧樹(shù)脂較薄,碳纖維吸收的能量會(huì)很快地將環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行蒸發(fā),使其在短時(shí)間內(nèi)完成由固相到液相進(jìn)而到氣相的轉(zhuǎn)化。對(duì)于較厚樹(shù)脂層的網(wǎng)格交界位置,當(dāng)用較小的激光刻蝕后,堆積環(huán)氧樹(shù)脂下的碳纖維吸收的能量會(huì)迅速傳播到堆積的環(huán)氧樹(shù)脂層,然而積累的能量不足以融化該位置處的環(huán)氧樹(shù)脂,故不會(huì)在該位置留下刻蝕痕跡。

圖9 激光刻蝕CFRP復(fù)合材料中刻蝕線的斷線區(qū)域Fig.9 Broken area of etching line in laser-etching CFRP composites

在此激光刻蝕線條的基礎(chǔ)上增加一定能量時(shí),網(wǎng)格中心位置依然會(huì)在該功率下發(fā)生變化,而在網(wǎng)格交界位置,表面的環(huán)氧樹(shù)脂會(huì)受其下面的碳纖維導(dǎo)入能量表現(xiàn)熔融的狀態(tài),并沒(méi)有達(dá)到該位置熔化的溫度閾值,因此激光依然不會(huì)在該位置留下痕跡。

當(dāng)激光能量超過(guò)碳纖維網(wǎng)格交界的環(huán)氧樹(shù)脂熔化的溫度閾值,交界處周圍的碳纖維吸收一定能量加熱該處的環(huán)氧樹(shù)脂,接近碳纖維部分的環(huán)氧樹(shù)脂先熔化蒸發(fā),橫縱束單位網(wǎng)格交界處樹(shù)脂層最厚,達(dá)到熔化閾值,交界處的環(huán)氧樹(shù)脂熔化,但由于本實(shí)驗(yàn)中所用材料在厚度上有限,所以再次增加激光的功率只能在一定程度上使二者刻蝕深度接近,不能完全抹去刻蝕深度的差距。

3.3 CFRP復(fù)合材料燒蝕質(zhì)量演變規(guī)律

為提高脈沖激光燒蝕CFRP材料的效率,選取激光器升降軸刻度7.6 cm及0 mm離焦量,此處激光光斑面積最小,在橫束碳纖維單位網(wǎng)格刻蝕線寬最小。激光加工工藝參數(shù)如表3所示。

表3 激光加工工藝參數(shù)Table 3 Laser processing process parameters

在CFRP材料板材上燒蝕如圖10所示的六邊形,考慮到材料的厚度及碳纖維復(fù)合材料的特性等因素,已知激光器額定功率20 W,選取10%、20%、30%、40%、50%時(shí)的激光功率,即2 W、4 W、6 W、8 W、10 W。燒蝕后的CFRP材料板材如圖11所示。圖11a～圖11e分別對(duì)應(yīng)激光功率為2 W、4 W、6 W、8 W、10 W時(shí),燒蝕后的CFRP材料板材。

圖10 激光燒蝕CFRP材料圖形Fig.10 Pattern of laser ablation CFRP material

圖11 燒蝕后的CFRP材料板材Fig.11 CFRP material sheets after laser ablation

CFRP材料由碳纖維與有機(jī)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合而成,不同激光參數(shù)銑削后留下痕跡的形貌、層次、紋理有所不同,因此可引入表面粗糙度Ra對(duì)激光刻蝕后的痕跡進(jìn)行評(píng)價(jià)。表面粗糙度是指材料加工后其表面不規(guī)整形貌的峰谷間距及同平面高低差[24],Ra越小,測(cè)量目標(biāo)表面更平整。納秒脈沖激光的波長(zhǎng)為1064 nm的紅外激光。由分散碳纖維組成的微結(jié)構(gòu)有效地提高了激光表面吸收率,其中碳纖維多重反射影響著碳纖維材料的吸收率,這使得碳纖維復(fù)合材料相對(duì)于均勻材料的吸收率較高,并且增強(qiáng)材料碳纖維的比熱容相對(duì)于基質(zhì)材料環(huán)氧樹(shù)脂的比熱容較小,所以CFRP材料表面的環(huán)氧樹(shù)脂并不是直接吸收激光能量蒸發(fā),而是由于碳纖維發(fā)熱,表面環(huán)氧樹(shù)脂被蒸發(fā)。在碳纖維增強(qiáng)材料的激光加工過(guò)程中,激光功率導(dǎo)致的激光光斑不同,會(huì)受到吸收漲落效應(yīng)的影響,而部分功率確定的激光光斑的直徑與少數(shù)纖維直徑一樣大,因此在不同的位置吸收率可能不同,這也是影響材料表面形貌的不均勻的因素。采用不同的激光功率對(duì)CFRP復(fù)合材料的燒蝕質(zhì)量進(jìn)行探究,與此同時(shí)使用便攜式表面粗糙度測(cè)量?jī)x,該儀器通過(guò)光切法測(cè)量光纖脈沖激光燒蝕后的CFRP材料的表面粗糙度質(zhì)量。隨著測(cè)量點(diǎn)數(shù)增多,Ra的測(cè)量精度越精準(zhǔn),故選取燒蝕區(qū)域的4個(gè)測(cè)量點(diǎn),如圖12所示。測(cè)試點(diǎn)1和3由左向右進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試點(diǎn)2和4由右向左進(jìn)行測(cè)量,以4個(gè)粗糙度為1個(gè)六邊形的1組數(shù)據(jù),取平均值。

圖12 表面粗糙度測(cè)量示意圖Fig.12 Schematic diagram of surface roughness measurement

分別選定激光功率2 W,4 W,6 W,8 W,10 W及激光掃描速率為220 mm/s和300 mm/s進(jìn)行組合實(shí)驗(yàn),燒蝕完成后采用超聲波清洗機(jī)清洗,待干燥后使用表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量表面粗糙度值,如表4所示。

表4 清洗后表面粗糙度數(shù)據(jù)表Table 4 Surface roughness data sheet after cleaning

如表4中的數(shù)據(jù)所示,在激光束移動(dòng)速度恒定時(shí),激光峰值功率由2 W增加到10 W過(guò)程中,表面粗糙度先增加后減少,二者都在激光功率6 W時(shí),達(dá)到最大值。激光功率一定時(shí),降低激光掃描速率,會(huì)降低燒蝕后的材料表面粗糙度,5種激光功率對(duì)應(yīng)降低激光束掃描速率后,表面粗糙度降低的幅度分別為24.79%,60.68%,30.05%,7.64%,24.16%,激光掃描速率增加,激光光斑與材料接觸時(shí)間減少,材料吸收激光的時(shí)間減少。不同情況下的測(cè)試點(diǎn)2和4表面粗糙度值均大于測(cè)試點(diǎn)1和3的表面粗糙度值,可見(jiàn)激光燒蝕過(guò)程有一定不穩(wěn)定性,故引入方差來(lái)衡量數(shù)據(jù)波動(dòng)和離散性的指標(biāo),數(shù)據(jù)波動(dòng)越小,離散程度越小,燒蝕穩(wěn)定性越好。根據(jù)粗糙度數(shù)據(jù),求出4組數(shù)據(jù)的平均值,求出樣本方差S2來(lái)判定,能直觀反應(yīng)數(shù)據(jù)的離散情況,計(jì)算公式為[25]:

(3)

式中:Ra和Ra,av、n分別為表面粗糙度、表面粗糙度平均值和測(cè)量次數(shù),本文中取n=4。

當(dāng)激光功率為2 W時(shí),樣本方差S2分別為0.951 μm2(v=300 mm/s)和0.142 μm2(v=220 mm/s);當(dāng)激光功率為4 W時(shí),樣本方差S2分別為3.238 μm2(v=300 mm/s)和0.473 μm2(v=220 mm/s);當(dāng)激光功率為6 W時(shí),樣本方差S2分別為2.015 μm2(v=300 mm/s)和0.821 μm2(v=220 mm/s);當(dāng)激光功率為8 W時(shí),樣本方差S2分別為1.144 μm2(v=300 mm/s)和0.176 μm2(v=220 mm/s);當(dāng)激光功率為10 W時(shí),樣本方差S2分別為0.697 μm2(v=300 mm/s)和0.133 μm2(v=220 mm/s)。清洗后的表面粗糙度和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性樣本方差隨激光功率和激光掃描速率的演變規(guī)律如圖13所示。

圖13 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性樣本方差S2變化規(guī)律Fig.13 Variation of sample data stability variance S2

考慮到測(cè)量數(shù)據(jù)量較大,故選擇相同條件下的最大值Ra,max、最小值Ra,min、平均值Ra,av。數(shù)據(jù)越小,材料表面越光滑。如圖14所示,當(dāng)v一定時(shí),Ra,max、Ra,min、Ra,av隨著激光功率先增大后減小。其中在v=220 mm/s的情況下,粗糙度在P=6 W處取最大值,在P=10 W處取最小值;在v=300 mm/s的情況下 ,粗糙度在P=4 W處取最大值,在P=10 W處取最小值;兩者取最大值時(shí)激光功率并不相等,然而同在P=10 W處得到最優(yōu)粗糙度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性樣本方差,數(shù)據(jù)波動(dòng)最小和離散程度最小,穩(wěn)定性最好。

圖14 表面粗糙度變化規(guī)律Fig.14 Change law of surface roughness

脈沖激光燒蝕CFRP材料板材過(guò)程中,隨著入射激光功率增加,材料吸收的能量增加。當(dāng)P=2 W時(shí),材料表面的單位網(wǎng)格中間小部分的環(huán)氧樹(shù)脂蒸發(fā),其周圍受到掃描的區(qū)域受到一定的熱影響,顏色加深。經(jīng)測(cè)量得到該激光功率下的Ra,av為7.06 μm和5.25 μm。當(dāng)激光功率一定程度加大時(shí),碳纖維吸收的激光能量進(jìn)一步增加,對(duì)單位網(wǎng)格表面的環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)一步加熱,蒸發(fā)的環(huán)氧樹(shù)脂區(qū)域由中間向四周大幅度延伸,接近網(wǎng)格邊界。由于碳纖維升溫較快,板材表面的環(huán)氧樹(shù)脂單體受熱飛濺,增加了表面的粗糙度;同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂鋪在碳纖維上,由于整體加熱,厚度較大的環(huán)氧樹(shù)脂層受熱不均,加熱后與碳纖維局部分離,這影響了材料表面粗糙度,如P=4 W處,Ra,av=13.20 μm(v=300 mm/s);當(dāng)P=10 W時(shí),CFRP材料板材表面溫度非常高,此時(shí)碳纖維吸收激光能量的密度非常大,大部分環(huán)氧樹(shù)脂被下層的碳纖維蒸發(fā)掉,部分碳纖維被激光束燒蝕,發(fā)生化學(xué)變化,產(chǎn)生CO2,因此CFRP材料板材表面較光滑,Ra,av在此處最小,分別為5.34 μm(v=300 mm/s)和4.05 μm(v=220 mm/s)。

此外,如圖14所示,在激光掃描速率不同的情況下,達(dá)到表面粗糙度峰值的激光功率不同。當(dāng)v=300 mm/s時(shí),表面粗糙度在P=4 W處取峰值;當(dāng)v=220 mm/s時(shí),表面粗糙度在P=6 W處取峰值,這是因?yàn)榧す馐诓牧仙系鸟v留時(shí)間比v=300 mm/s的駐留時(shí)間長(zhǎng),板材的吸收能量已經(jīng)提前達(dá)到環(huán)氧樹(shù)脂層與碳纖維增強(qiáng)材料部分分離的閾值。

綜上所述,當(dāng)P=10 W、v=220 mm/s時(shí),粗糙度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性最好,絕對(duì)值最小,表面形貌最光滑。

4 結(jié) 論

本文中綜合了激光峰值功率、激光掃描速率、激光束的離焦量等工藝參數(shù)對(duì)脈沖激光燒蝕CFRP材料的加工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

(a)對(duì)CFPR材料單位網(wǎng)格中刻蝕線斷線現(xiàn)象的產(chǎn)生進(jìn)行了探究。碳纖維單位網(wǎng)格之間堆積的環(huán)氧樹(shù)脂被吸收激光能量的碳纖維加熱,激光掃描后,環(huán)氧樹(shù)脂積累的能量達(dá)不到蒸發(fā)閾值,因此不會(huì)蒸發(fā),然而,網(wǎng)格其它部分的環(huán)氧樹(shù)脂層較薄,蒸發(fā)閾值較小,激光掃描后,環(huán)氧樹(shù)脂被蒸發(fā)掉,因此板材表面產(chǎn)生局部斷線的現(xiàn)象。

(b)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同激光掃描速率,達(dá)到材料燒蝕后,表面粗糙度峰值的激光功率不同。設(shè)定激光掃描速率為220 mm/s和激光功率為10 W時(shí),可得到大小為3.50 μm 的CFRP復(fù)合材料最小表面粗糙度平均值,其中粗糙度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性樣本方差最佳,約為0.133 μm2,在此條件下可以得到良好的加工表現(xiàn)。