碳纤维复合材料激光切割技术研究进展

宋庆祥

山东格瑞德集团有限公司 山东德州 253000

摘要：近年来，随着储能问题和能源过度消耗问题的日益突出，以及国家发展对轻质材料需求的大幅增加，碳纤维增强树脂基结构复合材料应运而生。碳纤维布（CFRP）是由碳纤维和树脂固化而成的一种新型复合材料。碳纤维属于各向异性材料，树脂属于各向同性材料。在复合材料中，碳纤维垂直分布在树脂中，并按照不同的铺设方向堆叠和层压。设计师可根据使用要求进行单向多层布置或多向多层布置。碳纤维布具有比强度高、密度低、重量轻、结构尺寸稳定、耐高温、耐低温等优点。它已成为中国航空航天、新能源、汽车制造和轨道交通发展的关键材料。

关键词：碳纤维复合材料；激光切割技术；措施

1激光切割的原理

在激光束能量的作用下（在氧气辅助切割机制下，加上氧气喷射和金属之间的放热反应释放的热量，到达点火点），材料表面迅速加热到数千度甚至数万度（℃），并熔化或蒸发。随着蒸发的逸出，熔融物体被辅助高压气体（惰性气体，如氧气或氮气）吹走，产生狭缝。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料。后者是激光切割技术的一个重要应用领域。

激光切割主要是CO2激光切割。激光切割是用聚焦透镜将CO2激光束聚焦在材料表面，使材料熔化，并使CO2激光束相对于材料沿一定轨迹移动，从而形成一定形状的狭缝。

激光切割设备除一般机床所需的支撑部件、运动部件及相应的运动控制装置外，还应配备激光加工系统，该系统由激光、聚焦系统和电气系统组成。

2CFRP激光加工质量控制研究

2.1激光波长对CFRP切割质量的影响

碳纤维布对不同波长的激光具有不同的吸收率，因此在激光切割材料的过程中，碳纤维布也具有不同的热塑性和切割质量。激光波长对切割质量的影响。通过实验比较了红外光（IR）和紫外光（UV）对切削质量的影响。一方面，在红外光的波长范围内，聚合物基体对激光具有很高的透明性，对光的吸收率小于15%。此时，85%的激光束能量可以通过聚合物基体直接加热碳纤维。碳纤维对红外光的吸收率接近80%，激光能量主要由碳纤维吸收。同时，热碳纤维间接加热基体，而不是激光束本身。另一方面，在紫外波长范围内，聚合物基体和光纤可以很好地吸收激光。红外光可以通过碳纤维布的环氧树脂，而紫外光被环氧树脂吸收，具有比红外更好的边缘质量。紫外光的切割质量优于红外光。对266mm紫外光切割碳纤维布进行了正交试验，并对正交试验所得数据进行了多元线性回归分析，得出了碳纤维布狭缝宽度和热影响区宽度的经验公式，为激光切割碳纤维布时激光参数的选择提供了参考。

2.2连续、脉冲激光模式对CFRP切割的影响

连续激光和脉冲激光均可切割碳纤维布。连续激光功率高，能快速去除材料，切割效率高；连续激光具有较大的热输入，在碳纤维布切割过程中容易造成热损伤。为了降低连续激光切割碳纤维布的热损伤，国内外学者进行了一些工艺优化。研究了掺镱光纤激光器对碳纤维布的切割。结果表明，随着扫描速度的增加，热影响区和狭缝宽度显著减小。提高激光扫描速度，大量通道端口将大大减少热影响区。用6kw连续激光研究了加工速度对热影响区宽度的影响。研究发现，在激光功率一定的情况下，热影响区随扫描速度的增加而减小，而激光功率越大，扫描速度越快，热影响区越小。通过400w连续激光切割碳纤维布，采用响应面法对激光功率、扫描速度和辅助气体流量对切割质量的影响进行了统计检验。

通过比较连续激光和脉冲激光（纳秒和皮秒）的热影响区宽度和切割质量，发现连续激光源比脉冲激光源具有更高的切割速度，而短脉冲激光具有最小的热影响区和最大的拉伸强度。同时发现，高功率纳秒激光可以获得更好的切割质量和效率。采用CO2激光对碳纤维布进行连续波和脉冲切割。研究了工艺参数对缺口宽度、热影响区和断面质量的影响。分别研究了单通道和多通道连续光纤激光切割碳纤维布层合板的切割质量和表面形貌。

与连续激光和长脉冲激光相比，超短脉冲激光的每个脉冲的辐照时间都很短，并且脉冲之间有足够的冷却时间来实现较小的热损伤。脉冲激光切割碳纤维布时，脉冲宽度、频率、加工路径等工艺参数是决定其切割质量的关键。国内外学者对此进行了一系列研究。

通过改变脉冲能量和激光束重复频率，在相同平均功率下使用高脉冲能量和高重复频率可以减小热影响区的宽度，更适合碳纤维布的加工。利用狭缝宽度、热影响区和总热影响区等影响切割质量的因素，对脉冲Yb:YAG激光切割碳纤维布进行了研究。研究发现，多道次扫描技术以较高的扫描速度获得了较好的切割质量，并显著减小了热影响区的宽度。实验分析了Nd:YAG激光切割CFRP的切割面积，以及工艺参数对切口几何形状和热影响区（HAZ）的影响。激光切割速度达到12mm/s，同时发现热影响区扩展与LOT（LOT是一个新定义的单因素，包括脉冲激光工艺参数，包括平均激光功率、切割速度、脉冲频率和脉冲持续时间）之间的相关性。碳纤维复合材料的孔是用400W皮秒激光制成的。研究了激光功率、重复频率和回路间距对材料去除效率和热影响区的影响，采用扫描检流计环形切割技术在6mm厚的CFRP板上加工直径为6mm的通孔，激光入口只有一个小的热影响区（<25）μm），对切割缝几乎没有热影响，但锥度大，约15°，加工时间长（>3分钟）。

利用皮秒激光对碳纤维复合材料进行了激光切割实验，研究了激光参数对切割质量的影响。结果表明，当切割方向与上部碳纤维的排列方向平行时，热影响区最小；当切割方向垂直于上部碳纤维排列时，热影响区最大；热影响区随重复频率的增加而增大，随切削速度的增加先减小后增大。利用解析模型研究了脉冲能量、重复频率等参数对热积累的影响，给出了避免热影响所能承受的最大脉冲数。

2.3CFRP能场辅助激光加工方法

外场辅助可以有效提高碳纤维布激光切割的效率和质量。常用的辅助能量场有空气流场和水流场。使用3kWCO2激光器切割厚度为3mm的CFRP复合板。利用氩气对离轴超音速喷管和亚音速喷管进行了切割实验。研究发现，在切割过程中使用辅助气体可以有效地减少热影响区，但会在基体中产生大量显著的纤维尺寸。向惰性气体中添加氧气将加速热影响基体的分解，并促进材料去除。同时，氮的存在将冷却并抑制热影响区。结果表明，低氧体积分数（通常为12.5%）和0.8mpa气压是提高碳纤维复合材料激光切割质量的最佳参数配置。

在流场辅助碳纤维激光切割方面，提出了水射流辅助碳纤维激光切割的方法。通过比较激光直接切割和水射流辅助激光切割的效果，得出水射流辅助激光切割可以大大减小狭缝宽度和热影响区；随着水射流速度的增加，材料上表面的狭缝宽度先增大后减小，激光损失的能量越来越多，材料下表面的狭缝宽度越来越小，热影响区越来越小，切割内壁的形貌优于激光直接切割。采用额定功率为500W的毫秒Nd:YAG脉冲激光器，分别在空气和水下切割碳纤维布，实验表明，随着气压的增加，切割区域可以及时冷却，大气压力可以吹走切口的熔融材料，从而减少热影响区过大的问题。同时，在水下切割过程中，随着切割的进行，热量向下传递并靠近熔融材料，使大量热量被水吸收，有效地减少了激光切割产生的热影响区。

结论

随着碳纤维复合材料的广泛应用和激光技术的日益成熟，利用激光对碳纤维复合材料进行钻孔、切割和精密加工对中国发展成为制造大国具有重要意义。然而，碳纤维复合材料独特的各向异性和非均匀性会导致不同程度的加工问题，如分层、毛刺和热损伤。

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