約50年來,飛機(jī)制造商一直在使用纖維增強(qiáng)塑料(Fiber-Reinforced Plastic, FRP)材料。隨著行業(yè) 對FRP材料優(yōu)點(diǎn)的認(rèn)識越來越深,這種材料的使用率也在逐年穩(wěn)步提高。盡管在最初的時候FRP材料比傳統(tǒng)材料的成本要高一些,但是其在效率、保養(yǎng)和燃料節(jié)省收益上的優(yōu)勢非常明顯,因此這些優(yōu)勢才可以彌補(bǔ)在飛機(jī)初始投資成本較高的劣勢。
圖1、掃描式電子顯微鏡(SEM)下的光纖激光切割表面,顯示出輕微的表面熱損害。圖2、使用光纖激光器切割的纖維,可以看出沒有熱損害。
碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)和玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)由束縛在聚合樹脂里的碳纖維或玻璃纖維基底組成,從而帶來許多滿足需要的特性,最顯著的就是高強(qiáng)度重量比,還有高硬度、低熱膨脹系數(shù)以及優(yōu)異的耐腐蝕性。使用較輕的FRP材料來制造飛機(jī),每年能夠在飛行上節(jié)省幾百萬美元的燃料成本。舉例來說,波音787“夢想客機(jī)”在使用壽命期間節(jié)省的飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)用約為3000萬至4000萬美元之間。FRP材料的優(yōu)點(diǎn)有很多,但眾所周知的是這種材料非常難加工。傳統(tǒng)的加工方法,比如機(jī)械銑削和鉆孔,會引起破片、熱損害、分層、纖維拔出以及對工具的嚴(yán)重磨損。近來,人們研究使用水注切割,但還是會引起纖維分層以及其他的實(shí)用性限制。舉例來說,當(dāng)加工起始的地方不是在材料的邊緣時,就需要鉆一個導(dǎo)向鉆孔。作為一種非接觸式的材料移除工藝,激光加工能夠提供解決上述問題的方案。然而,一直以來,在這種應(yīng)用中,激光和材料之間的相互作用尚沒有得到廣泛理解。針對這個問題,JK Lasers公司聯(lián)合英國利物浦約翰摩爾大學(xué)(John Moores University)一起開展了研究。
為了讓研究人員更加了解激光和材料之間的相互作用,在研究中使用了兩種光束特性不同的激光源來加工。使用帶有鉆孔噴嘴的Nd:YAG激光器JK300D(以光纖傳輸,具有高峰值功率)來進(jìn)行沖擊鉆孔試驗(yàn)。使用帶有切割噴嘴的200瓦單模光纖激光器JK200FL進(jìn)行切割試驗(yàn)。使用配有掃描頭的JK200FL進(jìn)行穿孔和銑削試驗(yàn)。
圖3、機(jī)械切割(左圖,放大500倍)和光纖激光器切割(右圖,放大1200倍)的邊緣切割質(zhì)量比較。
影響FRP加工的主要因素在于碳纖維或玻璃纖維與聚合物基底相比,特性差異極大。汽化纖維要求的激光功率要比汽化聚合物的高很多。
當(dāng)處理CFRP時,物件的反應(yīng)差異是最明顯的。汽化聚合物僅僅要求少量的熱能,而碳纖維的導(dǎo)熱能力非常好,這也意味著在切割纖維前,大量的能量已經(jīng)被傳導(dǎo)走了。因此,對于高品質(zhì)激光加工來說,必須特別注意管理材料的熱量輸入。在用Nd:YAG激光器進(jìn)行沖擊鉆孔的過程中,使用了兩種不同的輔助氣體:氮?dú)夂投趸肌=Y(jié)果顯示,使用的輔助氣體對孔的質(zhì)量有較大的影響。當(dāng)使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體時,樣本表面上留下了聚合物基底熱分解后的薄層。而使用二氧化碳作為輔助氣體時,處理后FRP的表面質(zhì)量要提高許多。出現(xiàn)這樣的結(jié)果是由于二氧化碳的冷卻質(zhì)量要好一些。當(dāng)使用光纖激光器對FRP材料進(jìn)行切割時,帶來的熱損害很少。這是因?yàn)榧す馄鞯墓獍叱叽绾苄?。圖1和2顯示的是光纖激光器切割表面和帶來熱損害的SEM圖像。從圖像上可以清楚地看到熱損害被限制在復(fù)合材料的單獨(dú)一層上。
這些結(jié)果對于航空和航天工業(yè)來說是非常有利的。因?yàn)椴牧系拇蟛糠植]有受激光加工影響,因此復(fù)合材料依然非常牢固和穩(wěn)定。圖3顯示的是機(jī)械切斷產(chǎn)生的邊緣質(zhì)量同光纖激光切割相比較的情況。在機(jī)械切斷的樣本上,可以看到復(fù)合材料大部分突出纖維,而在激光切割的樣本上可以看到光滑的邊緣。圖4、激光微加工復(fù)合材料表面,速度為200毫米/秒,輔助氣體為空氣(左圖為放大80倍,右圖為放大500倍)。圖5、激光微加工復(fù)合材料表面,速度為250毫米/秒,輔助氣體為二氧化碳(左圖為放大50倍,右圖為放大500倍)。
與在切割試驗(yàn)中取得的結(jié)果類似,激光銑削試驗(yàn)結(jié)果顯示,光纖激光器的小光斑尺寸對銑削應(yīng)用非常有利。激光處理后的纖維并沒有熱損害的痕跡,SEM高倍放大后可看到基底材料只有輕微的熔化痕跡(圖4和圖5)。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了使用光纖激光器對航空和航天復(fù)合材料進(jìn)行銑削的可能性。
同樣還是使用光纖激光器JK200FL在FRP復(fù)合材料上環(huán)鉆2毫米直徑的孔。切割試驗(yàn)表明,對于厚度超過1毫米的復(fù)合材料來說,試圖像處理金屬一樣來處理復(fù)合材料,其切割結(jié)果并不讓人滿意。因此需要稍大的切口使得材料能夠脫離,不讓基底粘附在新的切割面上。這種設(shè)計的策略稱為激光螺旋狀鉆孔。圖6、使用光纖激光器加工的激光螺旋狀鉆孔與使用Nd:YAG激光器鉆出的孔相比,激光螺旋狀鉆孔的熱損害要少一些,表面的邊緣質(zhì)量看上去好一些。頂部表面的回?zé)恐挥袔资⒚?。光纖激光器鉆孔試驗(yàn)的結(jié)果顯示,配有掃描頭的激光加工中,其加工速度與孔的開放式幾何結(jié)構(gòu)相配合,能夠減少FRP復(fù)合材料表面基底材料的損害。圖6顯示的是經(jīng)過激光螺旋狀鉆孔后的GFRP復(fù)合材料的圖像。
使用光纖傳輸?shù)母叻逯倒β实腘d:YAG激光器和200瓦單模光纖激光器的試驗(yàn)結(jié)果表明,激光器能夠提供傳統(tǒng)技術(shù)手段無法提供的加工質(zhì)量。熱管理是加工FRP復(fù)合材料的關(guān)鍵。通過使用如二氧化碳這樣的輔助氣體,能夠極大減少激光光束引起的損害。使用光纖激光器的試驗(yàn)表明,小光斑尺寸以及隨之帶來的精細(xì)定向熱輸入對于加工FRP復(fù)合材料非常有利。擁有高光束質(zhì)量、小光斑尺寸以及可選掃描系統(tǒng)的光纖激光器被證明非常適用于加工這些材料。試驗(yàn)結(jié)果還表明,激光螺旋狀鉆孔在今后的航空航天及汽車領(lǐng)域激光加工應(yīng)用中將扮演重要的角色。