碳纤维增强复合材料皮秒激光加工的缺陷研究

殷赳 范彬

摘 要 碳纤维增强复合材料由于具有密度小、比强度高、韧性高以及化学稳定性好等优越的性能，在航空航天、汽车和民用消费品等领域应用越来越广泛。本文结合试验研究分析皮秒激光加工碳纤维增强复合材料过程中的熔渣、切缝锥度、变质层等一系列缺陷及其产生的机理，并在此基础上提出工艺参数优化的具体措施，提高材料的加工质量。

关键词 碳纤维增强复合材料;皮秒激光;变质层;工艺参数优化

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastic，简称CFRP）是以环氧树脂材料为基体，以碳纤维或纤维织物为增强体固化成型的复合材料，是一种应用广泛的先进复合材料。CFRP由于具有密度小、比强度高、韧性高以及化学稳定性好等一系列优越的性能，在航空航天、汽车和民用消费品等领域的轻量化中应用越来越广泛。据统计，波音公司的787客机整个机身、机翼、尾翼等部件都大量采用碳纤维复合材料，大幅减轻了重量，有效提高了续航能力。汽车也大量采用CFRP材料来实现轻量化，例如雷克萨斯豪华汽车RC F碳纤维板选用了大量的碳纤维材质，包括引擎盖、车顶以及尾翼等部件，这些碳纤维材质使得其整备质量减少了数十千克。CFRP的推广应用对于运载工具的轻量化、减少碳排放和促进绿色发展有着重要意义。

1 皮秒激光加工CFRP的机理

CFRP材料的分子结构介于石墨与金刚石之间，具有硬度高、韧性强、导热性差以及各向异性等特性，属于典型的难加工材料。CFRP在传统的切削、钻削等机械加工过程中刀具磨损快、耐用度低，且易产生撕裂、分层、拉丝、毛刺等缺陷，会导致工件加工表面粗糙度较大，甚至导致工件报废[1]。因此，传统的机械加工方式越来越难满足CFRP高质量加工的要求，亟须探究一种既保证加工质量，又兼顾加工效率的CFRP加工新方法。

激光加工是将具有高能量密度的激光束辐照到工件的表面，通过熔化、汽化等机制去除材料。非接触式的激光加工能有效避免传统加工带来的一系列缺陷，没有刀具磨损，可以大大降低加工成本。激光光斑小，切缝窄，加工精度高，可实现任意形状切割。采用连续或长脉冲激光加工时，主要是通过热效应使局部材料熔化或者气化从而去除材料，这种加工方式会引起热损伤，形成热影响区[2]。而皮秒级超短脉冲激光由于脉宽极短，能量密度极高，传递和累积到周围材料的热量较少，可以有效避免材料的热损伤和机械残余应力。利用皮秒激光加工技术有望减少连续激光或长脉宽激光加工所产生的变质层、残余应力等缺陷，可实现CFRP材料的高精度、高质量加工，同时保证较高的加工效率。

根据经典的双温模型，在皮秒激光与CFRP相互作用时，首先是光子与电子之间的耦合作用，使电子在极短的时间内达到很高的温度，然后电子与晶格之间互相耦合，实现能量向晶格的传递。尽管一般认为皮秒脉冲激光可以实现材料的“冷加工”，但这只针对脉冲作用时间内的情况，当脉冲作用结束后，晶格内部残余的能量仍会引起热损伤。因此，皮秒激光加工CFRP尽管可以降低对材料的热影响，但无法完全避免CFRP的热损伤缺陷[3]。本文结合试验研究分析皮秒激光加工CFRP过程中的一系列缺陷及其产生的机理，并在此基础上提出工艺参数优化的具体措施，提高CFRP材料的加工质量。

2 皮秒激光加工CFRP的常见缺陷

2.1 熔渣

根据前述皮秒激光去除加工CFRP材料的机理分析，在CFRP皮秒激光加工过程中，存在热作用，由于能量累积效应，材料表面和内部温度升高，达到甚至超过碳纤维的烧蚀阈值，实现材料的去除。在强烈的烧蚀作用下，烧蚀阈值较低的环氧树脂基体先产生熔化，部分熔化的環氧树脂基体残留在纤维之间或材料表面，形成熔渣，如图1所示。

2.2 切缝锥度

皮秒激光切割具有一定厚度的CFRP板材时，由于所采用的皮秒激光器聚焦之后的有效焦深约为0.6mm，且加工过程中激光焦点高度位置保持不变，当加工的CFRP板厚超过焦深范围时，在加工去除掉一定厚度的材料后，激光继续烧蚀去除下一层材料，而此时为正离焦的加工模式，有效光斑直径变大，能量密度变小，再加上上层材料和热影响区的遮蔽效应，会导致底部材料的切缝宽度逐渐减小，形成一定的锥角，如图2所示。

2.3 变质层

试验研究表面，由于热效应引起得加工区域变质层是CFRP材料皮秒激光加工中最显著的加工缺陷。在CFRP材料中，碳纤维的汽化温度超过4000K，而环氧树脂基体在700K左右即可产生汽化;此外，这两种材料的热传导率也有很大的差异，碳纤维的热导率是环氧树脂基体的500倍。加工采用的皮秒激光光束呈高斯分布，即光斑中心能量密度最高，而边缘能量密度逐渐减小。CFRP皮秒激光加工过程中，由于碳纤维和树脂基体材料之间存在巨大的热学性能差异，在光斑边缘处较低的激光能量密度使得树脂发生气化而不能去除碳纤维，且热量在高热导率的碳纤维中沿着纤维快速传递，继续引起纤维方向上的树脂基体气化，从而增大热影响区的宽度，如图3所示。在热影响区，随着基体材料的去除，残余的纤维材料就形成了变质层，其物理力学性能都受到极大的破坏，需要尽量避免。

3 提高CFRP加工质量的方法

为减少皮秒激光加工CFRP的加工缺陷，提高加工质量，进行了一系列的工艺试验。基于试验研究得出了激光平均功率、激光重复频率、激光扫描速度等工艺参数对加工质量的影响规律。

皮秒激光加工过程中，CFRP切缝边缘的微观不平度和变质层宽度均随激光平均功率的增大而呈现出先减小后增加的趋势。对于所采用的皮秒激光器，最优的激光平均功率为60W。如果激光功率过大，CFRP材料切缝边缘由于积累过多的热量而导致树脂基体过度破坏，形成热影响区。而当激光平均功率较小时，脉冲能量不足以充分去除CFRP材料烧蚀区域的碳纤维，增大变质层的范围。

激光脉冲重复频率同样会影响CFRP的加工质量。CFRP切缝边缘的微观不平度和变质层宽度随激光重复频率的增大而逐渐增加。这主要是由于激光重复频率决定了单脉冲能量，当激光重复频率为0.4MHz时可实现变质层最小化。

激光扫描速度对CFRP切缝处微观不平和度变质层宽度的影响规律与激光平均功率类似，即呈先减小后增大的趋势。当激光扫描速度为1m/s时，可获得较优的加工质量。

4 结束语

本文结合试验研究分析了皮秒激光加工CFRP材料过程中的熔渣、切缝锥度、变质层等一系列缺陷及其产生的机理，并在此基础上提出激光平均功率、激光重复频率、激光扫描速度等工艺参数优化的具体措施，为CFRP材料的高质量、高效率加工提供参考。

参考文献

[1] 花银群，肖淘，薛青，等.激光切割碳纤维复合材料的实验研究[J].激光技术，2013，37（5）：565-570.

[2] 于冬洋，王续跃.激光同向切割单层碳纤维复合材料的温度场模拟[J].激光与光电子学进展，2017，54（4）：210-218.

[3] 蒋翼，陈根余，周聪，等.碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究[J].激光技术，2017，41（6）：821-825.

*[课题项目] 课题来源：益阳市科技计划项目2017YZ11;湖南省教育厅科学研究项目18B449。