车用CFRP脉冲超皮秒激光切割参数优化及质量分析.pdf

第21卷第4期2023年8月Vol.21 No.4Aug.2023中 国 工 程 机 械 学 报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERY车用CFRP脉冲超皮秒激光切割参数优化及质量分析邓彦波1，王峰2，李建国3（1.永州职业技术学院 智能制造与建筑工程学院，湖南 永州 425000；2.长沙理工大学 机械工程学院，湖南 长沙 410114；3.湖南三特机械制造有限公司，湖南 长沙 410114）摘要:依次将激光波长设定在523、785和1 064 nm这3种条件下，对碳纤维复合材料（CFRP）开展切割测试，计算得到切缝的宽度与深度尺寸，并对试样进行微观组织表征，对CFRP激光加工过程的作用机理进行分析。研究结果表明：经比较不同波长，523 nm激光的波长更短，能够产生很高能量的单光子，获得了最平整的切割截面，表现出最优的切割性能。随着扫描速度的提高，形成了更小的热影响范围，降低单位面积的注入能量。提高激光功率后，上切缝宽度与深度增大，促进了侧向与纵向发生更大程度的燃烧，形成更宽与更深的切缝，激光对材料造成了更强烈的作用，扩大了热损伤区。关键词:皮秒激光；波长；激光切割；切缝质量；碳纤维复合材料（CFRP）中图分类号:TN 249 文献标志码:A 文章编号:1672-5581（2023）04-0343-05Parameters optimization and quality analysis of CFRP for car pulsed picosecond laser cuttingDENG Yanbo1，WANG Feng2，LI Jianguo3（1.College of Intelligent Manufacturing and Civil Engineering，Yongzhou Vocational and Technical College，Yongzhou 425000，Hunan，China；2.School of Mechanical Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114，Hunan，China；3.Hunan Sante Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Changsha 410114，Hunan，China）Abstract：In this paper，the laser wavelength was set at 523 nm，785 nm and 1 064 nm，and then the carbon fiber reinforced plastic（CFRP）cutting test was carried out.The width，depth and taper of the slit and the width of the heat affected zone in the surface region were calculated.The samples were characterized by microstructure，and the mechanism of CFRP laser processing was analyzed.The results show that compared with different wavelengths，UV laser UV laser wavelength is shorter，can produce very high energy single photon，get the most flat cutting cross section，show the best cutting performance.As the scanning speed increases，a smaller heat affected area is formed，reducing the injected energy per unit area and forming a heat affected area with a smaller width.After increasing the laser power，the width and depth of the upper slit increase，promote the lateral and longitudinal combustion of a greater degree，the formation of wider and deeper slit，laser has a stronger effect on the material，expand the thermal damage area.Key words：picosecond laser；wavelength；laser cutting；slit quality；carbon fiber reinforced plastic（CFRP）在树脂中加入碳纤维作为增强体制备得到的碳纤维复合材料（CFRP）可以实现高比强度、高比刚度以及优异抗疲劳特性，并且可以根据实际使用要求进行灵活设计，同时还具备优异绝缘性，目前已在汽基金项目：湖南省教育厅科学研究资助项目（21C1514）作者简介：邓彦波（1985），男，讲师。E-mail：第21卷中 国 工 程 机 械 学 报车等众多领域发挥了重要作用。考虑到CFRP通常包含了多相、层合以及存在各向异性的特征，利用普通机械方法对其进行加工时，较易造成裂纹、结构分层以及形成毛边的情况，导致产品质量明显下降1。不同于传统形式的加工过程，采用激光加工方法进行处理时呈现非接触特征，因此能够有效避免接触式加工方式面临的问题，使得该方法被广泛应用于纤维增强树脂基复合材料的加工过程。目前已有许多学者针对以上问题开展了深入研究。其中，王含妮等3通过有限元仿真系统为三维脉冲激光辐照CFRP构建了相应的数学模型，由此确定了CFRP温度场与变化特征，通过测试发现，逐渐提高激光功率密度后，会引起CFRP温度的持续上升，可以看到光斑中心区域形成了最高温度，而与中心点相距越远的区域温度也更低。Girish6选功率为250 W的脉冲Nd：YAG激光系统作为测试平台，对厚度达到1.35 mm的T800与玄武岩纤维增强聚合物开展激光切割测试。对激光切割参数进行优化后，可以获得更高的多切口质量。可以使上切缝尺寸、下切缝尺寸、上切缝公差、下切缝公差与切缝深 度 依 次 提 升 11.52%、8.53%、17.58%、15.14%、58.91%。Mishra7选择脉冲 Nd：YAG 激光对包含55%体积比的芳纶纤维（AF）以及厚度为1.92 mm混杂复合板进行切割处理，根据灰色关联的结果，确定了最优切割条件，将输入参数设定在最优值时，切口宽度依次缩小15.3%、12.7%。虽然现阶段已有文献报道采用激光加工方法来实现CFRP材料的加工成型，但针对该材料的加工技术、工艺条件与作用机制方面的研究还是处在初始时期。现阶段，大部分学者都是选择二氧化碳激光与纳秒激光进行CFRP加工。不同于二氧化碳或纳秒激光加工方式，采用皮秒激光进行处理时，可以获得更优精度控制效果，并提升整体加工质量，同时可以通过皮秒激光实现理想的加工性能，以及提升加工效率8-9。目前大部分研究工作基本都是关于以皮秒激光来实现AF增强材料的高效加工方面，重点方向是减缓材料的热损伤程度，从而更好地适应工业应用需求，这也是对纤维增强树脂基复合材料进行激光加工的重点关注内容。根据前期研究可知，控制激光处于较短波长范围内时，可以显著改善复合材料切割质量10-12。本 文 依 次 将 激 光 波 长 设 定 在 523、785 和1 064 nm 这 3 种条件下再对 CFRP 开展切割测试，同时计算得到切缝的宽度与深度尺寸，并对试样进行光学显微镜（OM）与扫描电子显微镜（SEM）表征，再根据表面微观形貌与加工参数，对 CFRP 激光加工过程的作用机理进行分析，并针对各激光波长下形成的切缝微观结构与质量开展深入探讨，由此获得了不同激光扫描速率与功率条件下进行加工的性能。1 实验材料和方法 1.1原材料本实验选择预浸布层压成型加工方法制得厚度为2.5 mm的T800型碳纤维（CF）与E-51型热固性树脂组成的复合板，其中，热固性树脂体积比40%，其余为碳纤维。碳纤维与树脂基体的各项热学特性参数见表1。1.2激光装置和实验本研究采用FemtoYL-100脉冲超皮秒激光器作为测试用激光器，依次设置绿光皮秒、红光皮秒与白光皮秒，将波长控制在 523、785 和 1 064 nm 这3种条件下，具体功率、频率、持续时间以及聚焦光斑尺寸见表2。采用高斯脉冲的形式形成激光束，本实验的加工系统包含了脉冲激光源、光束转换系统、扫描振镜以及控制系统平台。利用夹具将CFRP测试材料固定于X-Y平台上，再利用扫描振镜组实现对激光线路进行折射与聚焦的控制。对激光进行聚焦后使其在 CFRP表面形成高能量密度状态，并根据设定路径进行扫描，由此完成材料的激光加工过程。控制功率依次为 15、20、25、30、35 W，控制扫描速度依次为 10、30、50、70、90 mm/s。对切割试样采用 FE1050 型扫描电镜进行切缝微观结构表征，并表征切缝宽度和深度尺寸。表1材料热学性能参数Tab.1Thermal property parameters of materials参数分解温度/K导热系数/（W m-1 K-1）比热容/（J kg-1 K-1）密度/（kg m-3）T8007400.0241 8001 810E-514200.1351 8601 100表2激光器参数Tab.2Laser parameter参数绿光红光白光功率/W025050075频率/kHz460持续时间/ps18光斑尺寸/m506035452535344第4期邓彦波，等：车用CFRP脉冲超皮秒激光切割参数优化及质量分析2 结果与讨论 2.1波长对CFRP的影响在控制扫描速率保持10 mm/s激光功率20 W的情况下，进行CFRP切割后形成的截面微观结构图如图1所示。结果显示，利用523 nm激光进行试样切割加工时，可以观察到在截面区域形成整齐的纤维，并未对纤维结构造成损伤；以785 nm激光进行切割时，则在截面部位形成长度存在显著差异的纤维，同时发现部分纤维中存在较明显的损伤现象；当采用1 064 nm激光对试样进行切割时，可观察到截面部位的纤维有些沿根部出现断裂，形成了较严重的损伤缺陷。经对比可知，523 nm激光获得了最平整的切割截面，表现出了最优的切割性能。在热固性树脂板进行红外光图测试的结果如图2（a）所示13。结果发现，波长为1 064和785 nm的 2种光有85%以上在热固性树脂中发生了穿透，波长为523 nm的光则几乎全部被吸收。在碳纤维进行FTIR表征得到的曲线如图2（b）所示14。结果显示，碳纤维对波长为523、785和1 064 nm的3种激光透射率都在20%以内，此时大部分光已被吸收。上述结果表明，热固性树脂板具备更优的523 nm激光吸收效果，此外523 nm激光的波长更短，能够产生很高能量的单光子，本次测试设定激光波长为523 nm时，对应的单光子能量是3.49 eV，已经超过碳纤维与热固性树脂的 CC键能 3.32 eV和 CN键能3.17 eV，从而实现碳纤维分子与热固性树脂分子发生化学键断裂的效果。2.2扫描速度的影响在功率30 W时，经测试获得不同扫描速率，其各波长切缝宽度与深度曲线如图3所示。结果显示，提高激光扫描速率后，切缝宽度与深度均出现了降低的趋势。这是因为提高激光扫描速率后，将会形成更小的光斑重叠率，从而降低了单位面积中的注入能量，由此形成更小的切缝宽度与深度。在激光波长为785 nm的情况下，分别设置2种扫描速度时形成的切缝宽度微观组织，如图 4 所示。结果显示，在保持其他各项参数一致的条件下，随着扫描速度的提高，形成了更小的热影响范围。引起上述热损伤宽度差异的因素主要包括以下两方面：激光脉冲属于一种高斯脉冲类型，在聚焦光斑的中心区域形成很高的能量密度，随着与中心点之间的距离增大后，发生了能量密度的快速减小，剩余能量将以热能状态散失到环境中。随着扫描速度的提高，形成了更小重叠率的光斑，同时降低了单位面积的注入能量。受切缝宽度制约以及形成切割锥角时，随着切割到达某一深度时，新射入的激光会被前道激光形成的废气阻挡造成折射现象，从而对激光以及材料之间的相互作用造成影响，形成屏蔽作用，或者在切割截面中被吸收，导致脉冲能量无法使材料发生气化而引起热量被传导至树脂基体内，形成更明显的热累积效应15。图13个波长下CFRP切缝微观形貌Fig.1Microstructure of CFRP slit at three wavelengths图2材料的FTIR图谱Fig.2FTIR atlas of materials345第21卷中 国 工 程 机 械 学 报提高激光扫描速率后，会降低单位面积的注入能量，因此在单位面积中形成的脉冲能量无法对材料起到应有的气化效果而减弱了屏蔽作用。2.3功率的影响经研究可知，各波长下调整激光功率后对切缝形貌产生了相同的影响，因此该部分只探讨激光波长为 523 nm 的条件下设定不同激光功率时引起的上切缝宽度与深度变化。经计算得到的各激光功率下形成的上切缝宽度与深度结果如图 5所示。结果显示，提高激光功率后，上切缝宽度与深度都发生了增大的现象。这是因为提高激光功率的过程中，随着材料内注入更高能量后，能够使材料被更高效去除，形成了更宽与更深的切缝。进行激光切割时，切口部分开始释放出氧气并引起氧化燃烧现象，随着功率的提高，促进了侧向与纵向发生更大程度的燃烧，从而形成更宽与更深的切缝16。在523 nm激光波长下以不同功率处理时形成的切缝宽度微观组织，如图6所示。结果发现，保持其他参数一致的条件下，随着激光功率的提高，切缝受到激光损伤程度也更明显。引起上述现象的原因是：首先，提高激光功率后，更多能量被用于材料的去除过程，从而形成更宽的切口。同时产生了更高比例的无法使材料去除的剩余能量，促使剩余能量发生扩散而产生更大范围的热影响区；其次，当激光功率提高后，激光对材料造成了更强烈的作用，由此形成更多废气而增强了屏蔽作用，从而扩大了热损伤区。经对比可知，激光束扫描速率比功率更容易引起切缝深宽比的变化。对于实际工程应用而言，可利用适当减小激光扫描速率的方法来促进切缝深宽比的提升。图3不同超皮秒激光下切缝参数与切割速度关系Fig.3Relationship between slit parameters and cutting speed under different ultra-picosecond laser图4不同扫描速度下材料切缝微观组织Fig.4Microstructure of material slit at different scanning speeds图5切缝参数与功率关系Fig.5Relationship between slit parameters and power346第4期邓彦波，等：车用CFRP脉冲超皮秒激光切割参数优化及质量分析3 结论（1）碳纤维对波长为 523、785 和 1 064 nm 的3种激光透射率都在20%以内，大部分光已被吸收。相比较不同波长，523 nm激光的波长更短，能够产生很高能量的单光子，获得了最平整的切割截面，表现出了最优的切割性能。（2）随着扫描速度的提高，形成了更小的热影响范围，降低单位面积的注入能量，在单位面积中形成的脉冲能量无法对材料起到应有的气化效果而减弱了屏蔽作用。（3）提高激光功率后，上切缝宽度与深度增大，促进了侧向与纵向发生更大程度的燃烧，形成更宽与更深的切缝，激光对材料造成了更强烈的作用，形成更多废气而增强了屏蔽作用，从而扩大了热损伤区。参考文献：1石文天，刘玉德，张永安，等.碳纤维复合材料切削加工研究进展 J.表面技术，2016，45（1）：28-35.SHI W T，LIU Y D，ZHANG Y A，et al.Research progress in cutting of 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