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。
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)。
激光和材料的相互作用
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?。結(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?span id="hhhhh5h" class="hrefStyle">光斑尺寸很小。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。
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