在交通運輸行業(yè)中，由于對提高燃料效率和降低碳排放量有著強烈的需求，因而極大地推動了碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）在各種飛機和汽車零部件制造中的應(yīng)用。隨著這種材料的成本持續(xù)下降，對它的需求和使用將進一步加強。碳纖維增強復(fù)合材料是一種輕質(zhì)、經(jīng)久耐用的材料，具有良好的耐腐蝕性和抗振性，因而可取代許多金屬零部件。優(yōu)化設(shè)計的碳纖維增強復(fù)合材料零部件比鋼能的質(zhì)量輕70%，比鋁則輕了30%，這些優(yōu)點使其對許多非交通運輸相關(guān)行業(yè)也極具吸引力，例如風(fēng)能發(fā)電中使用的零部件、運動器材、石油勘探設(shè)備和消費類電子產(chǎn)品。
但是這些優(yōu)點在讓碳纖維增強復(fù)合材料成為一種獨特而有用的材料的同時，也使得難以對其進行高質(zhì)量的加工。在其產(chǎn)品中使用碳纖維增強復(fù)合材料的制造商也在尋求降低制造成本的方法。由于刀具磨損以及操作成本很高，常規(guī)的機械和磨料水射流切割技術(shù)的成本高昂，并且加工過程中的纖維斷裂和材料分層情況很常見，因而造成了成品率損失。而使用激光加工的方法能提供諸多優(yōu)點，例如非接觸式的加工過程以及在當(dāng)前的生產(chǎn)環(huán)境下容易實現(xiàn)自動化。激光加工避免了刀具磨損以及機械技術(shù)引起的質(zhì)量逐步下降，并且能降低操作成本。此外還可以減少或消除加工過程中的纖維損傷和材料分層情況。不過，對于激光加工碳纖維增強復(fù)合材料來說，一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)就是同時實現(xiàn)高的生產(chǎn)率以及在材料中形成最小的熱影響區(qū)（HAZ）。
脈沖紫外激光器的功能
高功率連續(xù)波（CW）紅外（IR）激光器（千瓦功率級）能以更高的速度來加工碳纖維增強復(fù)合材料，但是在材料上會留下難以接受的大量的熱影響區(qū)。另一方面，超快激光器可以帶來低的熱影響區(qū)，但通常加工材料的速度會比較慢。因此，所面臨的挑戰(zhàn)就是找到一個能實現(xiàn)速度和質(zhì)量的良好平衡的激光源和工藝。脈沖納秒激光器具有良好的加工速度和質(zhì)量，波長往往會對最后的結(jié)果產(chǎn)生重大影響。特別是，在紫外（UV）波長的較強吸收能實現(xiàn)高質(zhì)量的加工。Spectra-Physics的高功率Quasar紫外激光器和TimeShift脈沖整形技術(shù)非常適合碳纖維增強復(fù)合材料的燒蝕、切割和鉆孔，并且不會破壞纖維，同時能實現(xiàn)高的速度和質(zhì)量。
為了展示Quasar紫外激光器的能力，我們對厚度為250μm的基于聚丙烯腈（PAN）的碳纖維增強復(fù)合材料板材進行加工（圖1）。我們使用了不同的脈寬、功率、重復(fù)頻率和掃描速度。我們還測試了Quasar技術(shù)所進行的脈沖串加工的性能。我們對比了各種情況下的切割速度和熱影響區(qū)（在這里是指沿著切割路徑暴露的纖維的平均長度）。
圖1：在~1mm厚的碳纖維增強復(fù)合材料板材上切割出Spectra-Physics的標(biāo)志
實驗結(jié)果
結(jié)果顯示，這種激光器能實現(xiàn)良好的加工速度與質(zhì)量。使用2ns脈沖能得到最小的熱影響區(qū)~15μm（圖2）。這是在多個加工條件下得到的平均值，在某些情況下熱影響區(qū)實際上為零。脈沖串加工是很有優(yōu)勢的，在相同的平均功率下能提高20–50%的切割速度（圖3）。通過進行額外的工藝研發(fā)和優(yōu)化，這種激光器現(xiàn)在能以70mm/s的速度來切割250μm厚度的碳纖維增強復(fù)合材料板材，同時熱影響區(qū)小于15μm（圖4）。
圖2：脈沖持續(xù)時間對熱影響區(qū)的影響
圖3：功率、重復(fù)頻率、脈沖持續(xù)時間（包括脈沖串）對切割速度的影響
除了切割和鉆孔，碳纖維增強復(fù)合材料零部件的粘接和焊接也是非常重要的，因為傳統(tǒng)的鉚接和其他類型的緊固技術(shù)需要在材料上鉆孔，在鉆孔過程中對纖維的損傷會破壞零部件的強度。因此，膠粘劑粘結(jié)是一種合適并且常用的連接碳纖維增強復(fù)合材料零部件的技術(shù)。不過需要清洗成型過程中在零部件表面上的殘留物和碎片。對零部件進行徹底的清潔和表面織構(gòu)，同時又不破壞纖維，這對于實現(xiàn)更高的連接強度至關(guān)重要。
圖4 ： 一份碳纖維增強復(fù)合材料樣本的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像顯示其具有良好的激光切割質(zhì)量
碳纖維增強復(fù)合材料零部件的上漆也很有挑戰(zhàn)，因為這種材料的表面潤濕性低，并且表面附著力差，可以用激光加工來進行改進。有必要在上漆之前進行徹底的激光清除和表面織構(gòu)，以改善表面潤濕性。研究表明，與紅外激光器進行織構(gòu)相比，用紫外激光表面織構(gòu)的零部件有更高的搭接剪切強度。如圖所示，使用平均功率大于60W的Quasar進行速度為80mm2/min的區(qū)域清除和表面織構(gòu)，不會對纖維造成任何可見的損傷。
小結(jié)
我們證明了紫外納秒脈沖激光器在碳纖維增強復(fù)合材料加工中的應(yīng)用極具前景。Quasar激光器的高功率和可編程脈寬/形狀，在加工碳纖維增強復(fù)合材料時能同時實現(xiàn)高的質(zhì)量和速度，包括切割、鉆孔、表面織構(gòu)和清洗。借助這種高功率的激光器，我們在保證低的熱影響區(qū)和不破壞碳纖維的同時，能實現(xiàn)高的加工速度。我們還在積極進行更深入的研究，向其他加工單元和更厚的材料發(fā)展，以及就激光參數(shù)對碳纖維增強復(fù)合材料加工的影響來進行擴展研究。
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