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合材料（CFRP）在各種飛機和汽車零部件制造中的應用。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。碳纖維增強復合材料是一種輕質、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)化設計的碳纖維增強復合材料零部件比鋼能的質量輕70%，比鋁則輕了30%，這些優(yōu)點使其對許多非交通運輸相關行業(yè)也極具吸引力，例如風能發(fā)電中使用的零部件、運動器材、石油勘探設備和消費類電子產(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量的加工。在其產(chǎn)品中使用碳纖維增強復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引起的質量逐步下降，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合材料來說，一個關鍵的挑戰(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量，波長往往會對最后的結果產(chǎn)生重大影響。特別是，在紫外（UV）波長的較強吸收能實現(xiàn)高質量的加工。Spectra-Physics的高功率Quasar紫外激光器和TimeShift脈沖整形技術非常適合碳纖維增強復合材料的燒蝕、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、重復頻率和掃描速度。我們還測試了Quasar技術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厚的碳纖維增強復合材料板材上切割出Spectra-Physics的標志
實驗結果
結果顯示，這種激光器能實現(xiàn)良好的加工速度與質量。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，膠粘劑粘結是一種合適并且常用的連接碳纖維增強復合材料零部件的技術。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，同時又不破壞纖維，這對于實現(xiàn)更高的連接強度至關重要。
圖4 ： 一份碳纖維增強復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量
碳纖維增強復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，以改善表面潤濕性。研究表明，與紅外激光器進行織構相比，用紫外激光表面織構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，不會對纖維造成任何可見的損傷。
小結
我們證明了紫外納秒脈沖激光器在碳纖維增強復合材料加工中的應用極具前景。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合材料時能同時實現(xiàn)高的質量和速度，包括切割、鉆孔、表面織構和清洗。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)對碳纖維增強復合材料加工的影響來進行擴展研究。
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