脈沖激光燒蝕CFRP材料工藝優化

蔡 頌,宋金潮,王遙遙,陳 達,鄧 凱,湯迎紅,李 琦

(1.武昌工學院 智能制造學院,武漢 430065,中國;2.湖南工業大學 機械工程學院,株州 412007,中國)

0 引 言

在當今工業化大發展的浪潮中,新材料和新技術不斷涌現,在軌道交通領域,復合材料因其自身輕質化等優點被廣泛應用;在材料加工領域,激光加工技術因其高精度、高效率等顯著優勢,對加工后材料的形狀精度具有明顯的提升效果[1-2],作為一種非接觸式的先進加工技術,在復合材料加工領域的應用潛力巨大[3],激光加工碳纖維復合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)已經成為目前研究的熱點[4-5]。CFRP具有低密度、高強度、耐高溫、耐輻射、抗化學腐蝕等良好特點,被廣泛應用于航空航天、汽車、風力發電、醫療等國家競爭發展的重要領域[6]。由于CFRP材料本身層疊、纖維織構等特點,采用銑削[7-8]等傳統的機械加工工藝會導致材料分層,出現梯層形式的損傷、內部纖維拔出等棘手問題,導致材料本身的力學性能降低, 使其應用發展受到了限制。

碳纖維作為CFRP材料內的增強材料,在傳熱性能、能量吸收率和物質相變上與作為基體的環氧樹脂存在著巨大的差異。由此激光加工CFRP材料會出現材料分層、內部纖維拔出及燒蝕區域周圍的熱影響區(heat affected zone, HAZ)等缺陷,嚴重影響CFRP的加工質量,這對激光加工CFRP材料的發展會有一定的阻礙[9-10]。

本文中采用光纖脈沖紅外激光器對CFRP材料進行燒蝕實驗,根據激光器峰值功率、離焦量、激光掃描速率多種參數構成的組合[11-13],探究不同激光工藝參數下激光加工CFRP材料質量的規律,優化紅外激光加工CFRP材料的加工工藝。

1 納秒脈沖激光加工CFRP材料工藝流程

納秒脈沖激光燒蝕CFRP材料工藝流程圖如圖1所示。激光器產生高能激光束經光纖傳導,掃描振鏡采用動磁式和動圈式偏轉的工作方式使光纖傳導后的激光束發生偏轉,經場鏡聚焦照射在CFRP材料板材上,在板材表面激光焦點一定范圍的位置內,溫度上升,受到燒蝕的CFRP材料板材發生變化。其中碳纖維在常壓下沒有液相,氣化碳纖維所需要的能量要比激光蒸發樹脂基體需要的能量高出一個數量級[14-15]。根據XU等人[16]的研究可知,紅外激光照射在CFRP材料板材過程中,碳纖維對紅外激光的吸收約占激光器發射激光的80%,碳纖維吸收了絕大部分的激光能量,從而發熱使碳纖維CFRP板材表面的環氧樹脂蒸發。CFRP材料表面樹脂基體經歷了由固相-液相-氣相的轉變,表面微量樹脂基體被蒸發,擴散到空氣中,氣體具有一定刺激性和燒焦的氣味。隨著激光功率增加,CFRP材料中的增強材料碳纖維局部燃燒,由固相轉變為氣相,變成氣體擴散至空氣中,實現CFRP材料的燒蝕加工。本實驗中采用的光纖激光打標機,其振鏡是由x和y場鏡及驅動器組成,用于激光掃描和定位的局部系統,由Ezcad軟件控制輸出伺服信號控制振鏡偏轉,以定位x和y平面上的目標位置[17],使激光束能照射到目標點進行燒蝕工作,材料表面將會出現由振鏡偏轉控制激光束燒蝕后留下的痕跡;手動控制手輪來調整升降軸的高度位置,同時也調控CFRP材料表面與振鏡內部透鏡焦點位置之間的縱向距離,控制材料表面激光光斑的大小,結合不同的激光功率密度對CFRP材料進行燒蝕[18]。

圖1 激光加工CFRP材料過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the process of laser processing CFRP materials

2 實驗材料及方法

本實驗中采用的CFRP材料是平紋啞光碳板,其增強材料為3K花紋,即單束由3000根單紗正交排布組成后的單位最小的網格,其基體為耐溫、耐腐蝕、高電絕緣的環氧樹脂,長300 mm,寬200 mm,厚度0.5 mm±0.1 mm,纖維體積含量占總板材的60%以上,纖維鋪層的鋪設方向為0°(橫束)和90°(縱束),加表面編制布料一起共3層。激光波長為1064 nm。將材料放置在工作臺,高能量激光束場鏡聚焦后照射在碳纖維板上,在控制器軟件上設定程序使激光在操作臺2維x軸和y軸[19]確定的平面上掃描移動,實現對CFRP材料的激光燒蝕。

加工完成后,碳纖維板材表面一定會有影響實驗觀察結果的碳纖維殘渣、灰塵等雜質,故需要在觀察材料表面形貌前,對碳纖維板材進行一定的清洗,考慮到材料的特點,一般選用超聲波清洗機,使其在純凈水中清洗。打開加熱開關,設置加熱溫度為35 ℃,實際溫度到達設置溫度的1 min左右,同時采用最高檔位5檔的超聲功率,約900 W。脈沖激光燒蝕CFRP材料板材后,表面的雜質與板材脫離進入水中。板材經清洗后,進行干燥處理。最后采用超景深3維顯微系統觀察脈沖激光燒蝕后的CFRP材料板材表面的形貌,獲得刻蝕線線寬等數據[20]。

3 實驗結果分析

3.1 線寬隨離焦量變化的寬窄演變規律

本實驗中選用的CFRP板材表面由碳纖維束呈90°橫縱交錯的網格組成,縱束網格相對橫束網格較為凸起。離焦量的選定決定了激光刻蝕能量的利用效率,操控激光器的手輪,使振鏡在升降軸上調整z軸的高度,以完成激光器的調焦[21]。用激光器在CFRP材料板上刻蝕線條,由于材料表面環氧樹脂含量在橫束和縱束單位網格之間交界處較網格中心區域更多,分布不均。為保證實驗的準確性,故選擇從正方形網格左邊長中點開始,終止于接近橫向第6個網格右側邊長中點位置,實驗示意圖如圖2所示。

圖2 刻蝕線在材料上的位置Fig.2 Position of the etching line on the material

首先,選取用來刻蝕線段的激光掃描速率,對應器材說明書,將偏振鏡與移動軸的連接部件高度到工作臺的距離稱為升降軸刻度h,選取在聚集激光較強范圍內的升降軸刻度7.4 cm,在CFRP材料板子上分別以激光掃描速率為30 mm/s、50 mm/s、70 mm/s、90 mm/s、110 mm/s刻蝕線段,如圖3所示。圖3a～圖3e分別對應激光掃描速率為30 mm/s、50 mm/s、70 mm/s、90 mm/s、110 mm/s時,CFRP材料板刻蝕線。由此可看出,對應70 mm/s的激光掃描線條較其它線條連續性好,刻蝕線條沒有明顯的單位網格邊緣環氧樹脂導致的中斷部分存在,故選取70 mm/s 作為在不同離焦量下刻蝕線條的激光掃描速率。

圖3 脈沖激光不同速率下的刻蝕線Fig.3 Etching lines at different speeds of pulsed laser

以升降軸上的刻度“h=5 cm”為下限、“h=10 cm”為上限,旋轉手輪,每次控制振鏡向上移動1 cm,重復實驗6次,確保穿過透鏡的激光在聚焦后的焦點處于劃定的上下限范圍內,如圖4所示。圖4a～圖4f分別對應升降軸刻度h為5 cm、6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm時,CFRP材料板刻蝕線。其中,7 cm和8 cm刻度處刻蝕線線寬最細,并且是連續的線段,而其它線條幾乎都有斷點,且刻蝕深度不明顯,故確定0 mm離焦量的位置就在升降軸刻度7 cm與8 cm之間。以7 cm為起點0.2 cm為步長,在CFRP材料板上刻蝕線條,直至到達升降軸8 cm刻度處,按表1中的參數設置進行脈沖激光線段刻蝕后的CFRP材料板材如圖5所示。圖5a～圖5e分別對應升降軸刻度h為7.0 cm、7.2 cm、7.4 cm、7.6 cm、7.8 cm、8.0 cm時,CFRP材料板刻蝕線。觀察到圖中7.6 cm的刻蝕線條較細且較為連貫,為保證在CFRP材料板材找到激光光斑最小的離焦量位置刻度,故將振鏡在7.6 cm處沿著升降軸上下各移動1 mm的距離,取升降軸刻度7.5 cm、7.7 cm,測量該刻度處激光刻蝕線條的寬度。

圖4 1 cm升降軸刻度跨度的刻蝕線Fig.4 Etching lines for the span of 1 cm lifting axis

圖5 0.2 cm升降軸刻度跨度的刻蝕線Fig.5 Etching lines for the span of 0.2 cm lifting axis

本實驗中采用超景深3維顯微鏡系統(70倍)觀察激光刻蝕后的線條在CFRP材料板材的橫束和縱束碳纖維網格上的表面形貌,并測量刻蝕線的寬度?？紤]到材料有一定的密度缺陷,刻蝕線段在CFRP材料上的形狀會有差異。因此,為減小實驗的誤差,保證實驗結果嚴謹,應測量網格上較寬的線段寬度來確定0 mm離焦量在z軸上的位置,刻蝕線寬度b1和b2于不同升降軸刻度h下的橫束單位網格及縱束單位網格線寬規律圖如圖6所示。環境、儀器等多方面因素導致誤差產生,其誤差范圍為5%。

圖6 單位網格線寬隨激光器升降軸刻度變化規律圖Fig.6 Line width of the unit grid changes with the scale of the laser lift axis

由圖6可知,當激光器升降軸刻度h由7.0 cm逐漸增加至7.6 cm時,即從下離焦區向中離焦變化時,刻蝕線線條在縱束單位網格上的寬度從537.001 μm減少到330.024 μm,此時刻蝕線線條在橫束單位網格上的線寬從324.000 μm減少到239.017 μm,且到達最小橫束碳纖維網格線寬;當由7.6 cm增加至8.0 cm,即從中離焦向上離焦區變化時,刻蝕線線條在縱束單位網格上的寬度先從7.6 cm刻度的330 μm減小到7.7 cm刻度的302 μm,再從該刻度線寬增加到8.0 cm刻度的383 μm,其中在7.7 cm刻度的縱束碳纖維單位網格刻蝕線的線寬最小;與此同時,刻蝕線線條在橫束單位網格上的線寬從239 μm增加到305 μm。圖7a～圖7f所示是升降軸刻度h分別為7.4 cm、7.5 cm、7.6 cm、7.7 cm,7.8 cm、8.0 cm時的CFRP材料板表面形貌圖。此時激光峰值功率為20 W,激光掃描速率為70 mm/s。

圖7 脈沖激光燒蝕CFRP復合材料表面形貌圖Fig.7 Topographic map of the surface of the CFRP composite by pulsed laser ablation

碳纖維單位網格中橫束碳纖維線寬與縱束網格中碳纖維線寬最小值并不在同一升降軸刻度上。故本實驗中的CFRP復合材料板材橫縱束的碳纖維網格表面材料并不在同一平面上,如圖8所示。

圖8 CFRP復合材料板材剖面圖Fig.8 Sectional view of CFRP composite sheets

橫束和縱束碳纖維網格上的最小線寬并不是由同一激光器升降軸刻度下的激光所產生的。為找到激光器升降軸刻度的最佳位置,即實驗中所用的最小離焦量,不能只考慮刻蝕線線寬,要將激光能量密度納入考慮的范疇。激光峰值功率恒定,不同升降軸刻度的激光能量密度如表2所示。

表2 單位網格不同線寬對應激光功率密度Table 2 Different line widths per unit grid correspond to laser power density

激光能量密度計算公式為[22]:

Pav=Ppeakfτ

(1)

Ep=Pavt/S

(2)

式中:Ep為脈沖激光能量密度;Ppeak為激光峰值功率;Pav為激光平均功率;t為激光掃描時間;S為激光掃描面積;f為重復頻率。

隨著b1從537 μm減小至302 μm時,Ep從0.01062 J/mm2增加至0.01614 J/mm2,此時激光能量密度最大,并且激光在縱束單位網格上的刻蝕線線寬最小,然而刻蝕線橫束線寬僅次于激光能量密度為0.01606 J/mm2時的刻蝕線橫束線寬,此外橫束單位網格中的碳纖維與激光掃描方向相差0°,因此在該角度下碳纖維材料上幾乎沒有熱影響區;雖然刻度7.7 cm處的激光能量密度大于刻度7.6 cm處的激光能量密度,但是二者的激光能量密度約10-4J/mm2的差距,可忽略不計。此外碳纖維橫束與縱束單位網格上的線寬差最小,根據JIANG等人[9]的研究,在激光加工CFRP材料過程中,激光掃描與碳纖維夾角0°時,幾乎沒有熱影響區,故確定激光光斑直徑為239 μm最為精確,確定升降軸刻度7.6 cm處為0 mm離焦量。

3.2 激光刻蝕線條的斷線現象

如圖9所示,是以功率2 W、頻率0.2 MHz、300 mm/s的速率對材料進行線刻蝕,材料表面由電腦設定的線條程序經激光器在CFRP材料板材上刻蝕后并不是連續的,會在單位網格之間發生中斷。這種現象不僅與基體和增強材料的相變溫度有關,也與CFRP的制造工藝有關。首先碳纖維比環氧樹脂的氣化溫度高,其次碳纖維對紅外光的吸收率要比環氧樹脂對紅外光的吸收率大得多,碳纖維吸收了絕大部分的激光能量,從而使碳纖維CFRP板材表面的環氧樹脂基體蒸發。CFRP材料是由多束碳纖維紡絲、碳化、編織、鋪疊、層壓[23]填充并由環氧樹脂粘合,碳纖維在樹脂中正交分布,在單位碳纖維束網格之間,由于相鄰網格是呈90°橫縱排布,其中縱束網格凸起,因此環氧樹脂在縱束和橫束網格間高度差的縫隙處堆積。在激光劃線過程中,基質環氧樹脂的激光吸收率遠遠低于碳纖維的激光吸收率,網格中間部分的環氧樹脂較薄,碳纖維吸收的能量會很快地將環氧樹脂進行蒸發,使其在短時間內完成由固相到液相進而到氣相的轉化。對于較厚樹脂層的網格交界位置,當用較小的激光刻蝕后,堆積環氧樹脂下的碳纖維吸收的能量會迅速傳播到堆積的環氧樹脂層,然而積累的能量不足以融化該位置處的環氧樹脂,故不會在該位置留下刻蝕痕跡。

圖9 激光刻蝕CFRP復合材料中刻蝕線的斷線區域Fig.9 Broken area of etching line in laser-etching CFRP composites

在此激光刻蝕線條的基礎上增加一定能量時,網格中心位置依然會在該功率下發生變化,而在網格交界位置,表面的環氧樹脂會受其下面的碳纖維導入能量表現熔融的狀態,并沒有達到該位置熔化的溫度閾值,因此激光依然不會在該位置留下痕跡。

當激光能量超過碳纖維網格交界的環氧樹脂熔化的溫度閾值,交界處周圍的碳纖維吸收一定能量加熱該處的環氧樹脂,接近碳纖維部分的環氧樹脂先熔化蒸發,橫縱束單位網格交界處樹脂層最厚,達到熔化閾值,交界處的環氧樹脂熔化,但由于本實驗中所用材料在厚度上有限,所以再次增加激光的功率只能在一定程度上使二者刻蝕深度接近,不能完全抹去刻蝕深度的差距。

3.3 CFRP復合材料燒蝕質量演變規律

為提高脈沖激光燒蝕CFRP材料的效率,選取激光器升降軸刻度7.6 cm及0 mm離焦量,此處激光光斑面積最小,在橫束碳纖維單位網格刻蝕線寬最小。激光加工工藝參數如表3所示。

表3 激光加工工藝參數Table 3 Laser processing process parameters

在CFRP材料板材上燒蝕如圖10所示的六邊形,考慮到材料的厚度及碳纖維復合材料的特性等因素,已知激光器額定功率20 W,選取10%、20%、30%、40%、50%時的激光功率,即2 W、4 W、6 W、8 W、10 W。燒蝕后的CFRP材料板材如圖11所示。圖11a～圖11e分別對應激光功率為2 W、4 W、6 W、8 W、10 W時,燒蝕后的CFRP材料板材。

圖10 激光燒蝕CFRP材料圖形Fig.10 Pattern of laser ablation CFRP material

圖11 燒蝕后的CFRP材料板材Fig.11 CFRP material sheets after laser ablation

CFRP材料由碳纖維與有機環氧樹脂復合而成,不同激光參數銑削后留下痕跡的形貌、層次、紋理有所不同,因此可引入表面粗糙度Ra對激光刻蝕后的痕跡進行評價。表面粗糙度是指材料加工后其表面不規整形貌的峰谷間距及同平面高低差[24],Ra越小,測量目標表面更平整。納秒脈沖激光的波長為1064 nm的紅外激光。由分散碳纖維組成的微結構有效地提高了激光表面吸收率,其中碳纖維多重反射影響著碳纖維材料的吸收率,這使得碳纖維復合材料相對于均勻材料的吸收率較高,并且增強材料碳纖維的比熱容相對于基質材料環氧樹脂的比熱容較小,所以CFRP材料表面的環氧樹脂并不是直接吸收激光能量蒸發,而是由于碳纖維發熱,表面環氧樹脂被蒸發。在碳纖維增強材料的激光加工過程中,激光功率導致的激光光斑不同,會受到吸收漲落效應的影響,而部分功率確定的激光光斑的直徑與少數纖維直徑一樣大,因此在不同的位置吸收率可能不同,這也是影響材料表面形貌的不均勻的因素。采用不同的激光功率對CFRP復合材料的燒蝕質量進行探究,與此同時使用便攜式表面粗糙度測量儀,該儀器通過光切法測量光纖脈沖激光燒蝕后的CFRP材料的表面粗糙度質量。隨著測量點數增多,Ra的測量精度越精準,故選取燒蝕區域的4個測量點,如圖12所示。測試點1和3由左向右進行測量,測試點2和4由右向左進行測量,以4個粗糙度為1個六邊形的1組數據,取平均值。

圖12 表面粗糙度測量示意圖Fig.12 Schematic diagram of surface roughness measurement

分別選定激光功率2 W,4 W,6 W,8 W,10 W及激光掃描速率為220 mm/s和300 mm/s進行組合實驗,燒蝕完成后采用超聲波清洗機清洗,待干燥后使用表面粗糙度測量儀測量表面粗糙度值,如表4所示。

表4 清洗后表面粗糙度數據表Table 4 Surface roughness data sheet after cleaning

如表4中的數據所示,在激光束移動速度恒定時,激光峰值功率由2 W增加到10 W過程中,表面粗糙度先增加后減少,二者都在激光功率6 W時,達到最大值。激光功率一定時,降低激光掃描速率,會降低燒蝕后的材料表面粗糙度,5種激光功率對應降低激光束掃描速率后,表面粗糙度降低的幅度分別為24.79%,60.68%,30.05%,7.64%,24.16%,激光掃描速率增加,激光光斑與材料接觸時間減少,材料吸收激光的時間減少。不同情況下的測試點2和4表面粗糙度值均大于測試點1和3的表面粗糙度值,可見激光燒蝕過程有一定不穩定性,故引入方差來衡量數據波動和離散性的指標,數據波動越小,離散程度越小,燒蝕穩定性越好。根據粗糙度數據,求出4組數據的平均值,求出樣本方差S2來判定,能直觀反應數據的離散情況,計算公式為[25]:

(3)

式中:Ra和Ra,av、n分別為表面粗糙度、表面粗糙度平均值和測量次數,本文中取n=4。

當激光功率為2 W時,樣本方差S2分別為0.951 μm2(v=300 mm/s)和0.142 μm2(v=220 mm/s);當激光功率為4 W時,樣本方差S2分別為3.238 μm2(v=300 mm/s)和0.473 μm2(v=220 mm/s);當激光功率為6 W時,樣本方差S2分別為2.015 μm2(v=300 mm/s)和0.821 μm2(v=220 mm/s);當激光功率為8 W時,樣本方差S2分別為1.144 μm2(v=300 mm/s)和0.176 μm2(v=220 mm/s);當激光功率為10 W時,樣本方差S2分別為0.697 μm2(v=300 mm/s)和0.133 μm2(v=220 mm/s)。清洗后的表面粗糙度和數據穩定性樣本方差隨激光功率和激光掃描速率的演變規律如圖13所示。

圖13 數據穩定性樣本方差S2變化規律Fig.13 Variation of sample data stability variance S2

考慮到測量數據量較大,故選擇相同條件下的最大值Ra,max、最小值Ra,min、平均值Ra,av。數據越小,材料表面越光滑。如圖14所示,當v一定時,Ra,max、Ra,min、Ra,av隨著激光功率先增大后減小。其中在v=220 mm/s的情況下,粗糙度在P=6 W處取最大值,在P=10 W處取最小值;在v=300 mm/s的情況下 ,粗糙度在P=4 W處取最大值,在P=10 W處取最小值;兩者取最大值時激光功率并不相等,然而同在P=10 W處得到最優粗糙度數據穩定性樣本方差,數據波動最小和離散程度最小,穩定性最好。

圖14 表面粗糙度變化規律Fig.14 Change law of surface roughness

脈沖激光燒蝕CFRP材料板材過程中,隨著入射激光功率增加,材料吸收的能量增加。當P=2 W時,材料表面的單位網格中間小部分的環氧樹脂蒸發,其周圍受到掃描的區域受到一定的熱影響,顏色加深。經測量得到該激光功率下的Ra,av為7.06 μm和5.25 μm。當激光功率一定程度加大時,碳纖維吸收的激光能量進一步增加,對單位網格表面的環氧樹脂進一步加熱,蒸發的環氧樹脂區域由中間向四周大幅度延伸,接近網格邊界。由于碳纖維升溫較快,板材表面的環氧樹脂單體受熱飛濺,增加了表面的粗糙度;同時環氧樹脂鋪在碳纖維上,由于整體加熱,厚度較大的環氧樹脂層受熱不均,加熱后與碳纖維局部分離,這影響了材料表面粗糙度,如P=4 W處,Ra,av=13.20 μm(v=300 mm/s);當P=10 W時,CFRP材料板材表面溫度非常高,此時碳纖維吸收激光能量的密度非常大,大部分環氧樹脂被下層的碳纖維蒸發掉,部分碳纖維被激光束燒蝕,發生化學變化,產生CO2,因此CFRP材料板材表面較光滑,Ra,av在此處最小,分別為5.34 μm(v=300 mm/s)和4.05 μm(v=220 mm/s)。

此外,如圖14所示,在激光掃描速率不同的情況下,達到表面粗糙度峰值的激光功率不同。當v=300 mm/s時,表面粗糙度在P=4 W處取峰值;當v=220 mm/s時,表面粗糙度在P=6 W處取峰值,這是因為激光束在材料上的駐留時間比v=300 mm/s的駐留時間長,板材的吸收能量已經提前達到環氧樹脂層與碳纖維增強材料部分分離的閾值。

綜上所述,當P=10 W、v=220 mm/s時,粗糙度數據穩定性最好,絕對值最小,表面形貌最光滑。

4 結 論

本文中綜合了激光峰值功率、激光掃描速率、激光束的離焦量等工藝參數對脈沖激光燒蝕CFRP材料的加工質量進行實驗研究。

(a)對CFPR材料單位網格中刻蝕線斷線現象的產生進行了探究。碳纖維單位網格之間堆積的環氧樹脂被吸收激光能量的碳纖維加熱,激光掃描后,環氧樹脂積累的能量達不到蒸發閾值,因此不會蒸發,然而,網格其它部分的環氧樹脂層較薄,蒸發閾值較小,激光掃描后,環氧樹脂被蒸發掉,因此板材表面產生局部斷線的現象。

(b)根據實驗結果表明,不同激光掃描速率,達到材料燒蝕后,表面粗糙度峰值的激光功率不同。設定激光掃描速率為220 mm/s和激光功率為10 W時,可得到大小為3.50 μm 的CFRP復合材料最小表面粗糙度平均值,其中粗糙度數據穩定性樣本方差最佳,約為0.133 μm2,在此條件下可以得到良好的加工表現。