碳纤维复合材料
激光切割制孔工艺研究
碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)是一种由树脂作为基体,碳纤维作为增强体的复合材料,因具有良好的力学性能且质量轻的特点受到航空与汽车制造公司的青睐。但是,由于 CFRP 具有高强度高硬度以及非均质的特点,传统的刀具切削、钻孔等加工方式在加工 CFRP 时容易出现一系列的问题,例如:材料分层、纤维拔出、刀具磨损严重等,这些问题严重制约了CFRP 的应用。
作为一种非接触式先进加工技术,激光加工技术在 CFRP 加工上应用潜力巨大。但由于树脂基体对热输入敏感,碳纤维和树脂的热力学性能巨大差异等原因,激光加工 CFRP 时极易产生热影响区(Heat Affect Zone),热影响区的存在严重 影 响 CFRP 的 静 态 强 度。同时,由 于 高 斯 光 束 的 特 性,激 光 制孔容易产生锥度,在打深孔时更为明显。如何解决热影响区和锥度的问题,国内外学者进行了广泛的研究。
Salama等研究了激光制孔时的自限制效应,发现激光制孔的深度与切缝宽度正相关,并对单道和多道并行的扫描方式进行比较,结果表明在相同加工时间和能量的条件下后者对材料的去除效率更高,加工深度更深。
Leone 等探究了150W Nd :YAG 激光切割 1mm 厚CFRP 板时的热影响区扩展量与工艺参数(平均功率、切削速度、脉冲频率和脉冲持续时间)之间的关系,发现热影响区范围在 170~1600μm之间,且热影响区范围与光斑重叠率直接相关。
Li 等对激光打孔后的碳纤维板进行了拉伸试验并发现高功率与低功率激光制孔的板材性能差距可达 7%,但并未对比机械制孔性能。西安交通大学段文强等在 304 不 锈 钢 和 DZ445 定 向 结 晶镍基合金上进行了孔加工试验,研究了激光旋切法加工微小孔的工艺特点,对旋切法所涉及的 3 个关键参数(旋切路径、旋切速度、旋切圈数)对孔质量的影响规律进行了深入探讨。
Weber 等模拟分析了激光工艺不同参数对 CFRP 热损伤的影响。
Goeke 等研究了激光参量对 CFRP 材料切割热影响区和切缝宽度的影响。
Fenoughty 等比较了 Nd:YAG 脉冲激光与连续激光对CFRP 切割的影响 , 试验证明了脉冲激光比连续激光在加工 CFRP 时造成的热损伤更小。
为进一步研究工艺参数对激光切割制孔质量的影响规律,提高制孔效率,本文对比了不同扫描路径对 CFRP 打孔的影响。试验验证了激光旋切在 CFRP 制孔上的应用可行性,对比了激光加工与传统机械加工对 CFRP 性能影响的差异,为激光制孔技术在 CFRP 上应用提供工艺参考。
试验及方法
试验所用 CFRP 由环氧树脂和碳 纤 维 热 固 形 成,碳 纤 维 是 HF10(T300 级),含量为 62%(表 1)。板材总共包含 16 层,最外两层为编织层,内部为单向排列。拉伸件采用ASTM 标 准:D5766/D5766M-02a。样件宽 36mm,长 200mm,厚 2mm,板材中心开直径 6mm 的孔,板材两端正反面均贴上 36mm×50mm×2mm的玻璃纤维加强片。测试材料去除效率的试验样件尺寸为长 100mm,宽 80mm,厚 4.25mm。
试验所用 EdgeWave 激光器波长 532nm,脉冲宽度 10ps,重复频率200kHz,聚焦光斑直径约 50μm,最大实测出光功率 50W。加工软件为北京金橙子科技公司的 EZCAD2,该软件能自动记录加工时间。
根据前期试验确定了不相关参数的优选值:扫描宽度 1mm,速度均 为 500mm/s,分 别 在 8W 与 30W的功率下进行材料去除能力测试。8W 情况下分别扫描 100、200、300、400、500 次 并 进 行 深 度 对 比,30W情 况 下 分 别 扫 描 50、100、150、200、250 次并进行深度对比。使用共聚焦显微镜测量切缝宽度、深度以及热影响区面积。激光加工时为了防止材料燃烧,使用浓度 99.99% 氩气作 为 保 护 气,流 量 8~10L/min。为了确保每圈的输入能量一致,调整相关参数使得每圈扫描时间均为0.158s。
具体参数为:激光旋切的单个圆环直径为 1mm,每个圆环间距0.098mm,平行填充扫描方式圆环间距 0.034mm,十字填充扫描方式线间距0.046mm。旋转切割的扫描路线为光束一边画圆一边前进,圆环横截面的单次扫描在短时间内发生,且距离下次扫描间隔为 0.158s。平行填充方式的扫描路线为同心圆环。对于平行填充的圆环横截面来说,激光的单次完整扫描时间为0.158s 且距离下次扫描无间隔。十字填充方式的扫描路径为纵横交错网格。十字填充扫描方式与平行填充扫描类似,单个圆环横截面增加了水平方向的扫描线路,减少了竖直方向的扫描线路。为了便于观察去除深度,扫描去除试验在 CFRP 板边缘进行。扫描方式如图 1 所示,激光制孔原理如图 2 所示。