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碳纤维复合材料激光切割制孔工艺研究

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

1试验材料
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。

表1 碳纤维复合材料性能参数

⒉试验设备

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。

⒊试验设计
3.1材料去除深度试验设计

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。

图1 扫描方式示意图
图2 激光制孔原理示意图

3.2制孔能力对比

采用上述 3 种工艺参数对 2mm板材进行 6mm 圆孔制孔测试,功率8W,扫描次数到 100 次时 Z 轴进给1mm 确保焦点与加工平面接近,高效利用加工能量。加工后使用共聚焦显微镜观测孔进出口的圆整度。

3.3拉伸性能对比试验

试 验 根 据 ASTM 标 准 D5766/D5766M–02a(聚 合 物 基 复 合 材 料层压板开孔拉伸强度标准试验方法)进行制孔样件力学性能拉伸测试。对比 3 种激光制孔与麻花钻钻孔的力学性能差异。

结果与讨论

⒈材料去除效率对比

用共聚焦光学显微镜拼接扫描样件侧边,观察材料去除深度与形貌。相 同 功 率 下 3 种 加 工 方 式 对材料的去除模式接近,剩余截面相似,如 图 3 所 示,仅 存 在 效 率 上 的差 异。图 3(a)中 8W 激 光 旋 切样件的切缝上下宽度接近,因为加工 深 度 较 浅,离 焦 平 面 接 近 束 腰,光束半径较小,锥度不明显。由于孔侧壁遮挡产生的自限制效应,以及 激 光 加 工 CFRP 时 烧 蚀 产 生 的气体颗粒和等离子体对激光的遮蔽效应,使得激光到达切缝底部的能量减少,低功率激光对 CFRP 的去 除 效 率 随 深 度 增 长 下 降。十 字填充方式与平行填充方式加工深度相近,激光旋切加工深度始终领先。因为在一段小于 0.158s(单次扫描时长)的时间内,激光旋切扫描线路更密集,材料加工表面功率密 度 更 高,材 料 去 除 效 率 更 高,如图 4 所示。

图3 激光去除深度试验共聚焦显微镜拼接图
图4 四分之一周期的扫描线路

30W 激光切割加工时,由于功率较高,孔中间区域在加工时部分被气化,产生平顶,如图3(b)所 示。气 化 产 生 的 空 白 区 域 减 轻了激光加工时的遮蔽效应和自限制 效 应。如图 5 所 示,3 种 加工方式切缝底部的激光进光量充足,相同 扫 描 次 数 的 3 种 加 工 方 式 所 得切缝深度接近。切缝上宽下窄,孔壁呈现出一定的锥度,这是由于激光能量在空间上服从高斯分布。

图5 激光制孔去除深度试验记录

⒉制孔能力对比

在 2mm 板材上用 8W 皮秒激光进行直径 6mm 圆孔的制备。使用 3种激光加工方式加工,每种加工方式加工 3 组,每组耗时如表 2 所示。激光旋切比平行填充平均制孔耗时减少 15.9%,比十字填充平均制孔耗时减少 23%。观察材料表面形貌发现,激光旋切方式制孔的表面较为破碎,出现纤维丝脱出的现象,材料分层较少(图 6 和 7)。

表2 8W激光加工2mm厚CFRP板的时间
图6 共聚焦光学显微镜观察孔侧壁热损伤

由于激光旋切扫描路径的特殊性,旋切制孔的孔壁边缘出现波浪状条纹,如图 6(a)所示。平行填充方式制孔的材料表面平整,但是分层严重,如图 6(b)所示。十字填充方式制孔的材料表面破碎严重,分层严重,如图 6(c)所示。出现这种差异的主要原因是激光旋切方式的加工时间更短,加工速度更快,热积累量更少,纤维丝被烧断却未完全去除。平行填充和十字填充两种方式的加工时间更长,热积累量更大,将断裂的纤维丝完全去除,但是同时也导致材料的分层更加严重。十字填充加工方式耗时最长,热积累量最大,孔壁边缘质量最差。

图7 共聚焦显微镜观察激光制孔质量

CFRP 具有各向异性及非均质的特性,热量在 CFRP 中的传导速率不同。CFRP 板层间不含纤维,使得 CFRP 层间导热主要依靠导热系数较低的树脂导热。导致出口处热量分布不均,使树脂熔化不均匀,出口的圆度下降。热影响区沿纤维排布方向扩散较快,有呈现出椭圆的趋势。3 种扫描方式的入口直径均为 6mm,孔入口表面孔径精度高,表面平整,加工质量好,如图 8(a)所示。因为孔入口表面与焦平面重合,加工速度快,加工最早,热积累最少,所以圆孔附近存在的热影响区较小。由于高斯光束的特性,孔有一定的锥度,出口圆直径均小于6mm。由于孔底部的热积累量较大,孔出口处的热影响区比入口处更大,热损伤也更加严重。其中,十字填充扫描方式的孔出口表面热影响区最小,表面最平整。激光旋切方式孔出口表面热影响区最大,出口圆直径最大,孔锥度最小(图8(b))。

图8 孔表面质量观察

机械制孔采用麻花钻钻孔方式,钻孔直径 6mm,钻速1200r/min,进给量 0.01mm/r。麻花钻钻孔的孔入口表面存在毛刺,碳纤维撕裂,纤维丝脱出等现象,孔壁表面质量较差,见图 8(c);出口处缺陷主要为材料分层,在钻头钻出时产生,见图 8(d)。但是机械制孔不会产生锥度,这是其优点。

⒊拉伸性能测试
采用 ASTM 标准 D5766/D5766M–02a 对制孔样件进行拉伸试验,拉伸样件如图 9 所示。

图9 拉伸样件示意图

3 种激光制孔方式样件断裂方式相似,样件断裂界面容易出现纤维拔出现象,孔周边更为明显。因为激光加工时热输入量较大,孔周边树脂熔化再凝固,使树脂对纤维的固定程度下降,样件断裂时纤维丝脱出,如图 9(c)所示。机械制孔的断裂通常不出现在圆横线中心处,每层材料的断裂位置不同。这是因为麻花钻钻孔时的机械应力导致材料间的分层,使得拉伸样件断裂时断口界面不在同一平面,如图 9(d)所示。

样件拉伸性能如图 10 所示,麻花钻制孔方式与激光制孔方式拉伸性能均低于未打孔材料三分之一以上。不同激光制孔方式与麻花钻制孔方式板材性能差距不大。激光旋切与平行填充制孔方式制备的样件拉伸性能波动更小。麻花钻加工与十字填充方式制备的样件拉伸性能波动较大。

结 论

本文利用皮秒激光对 CFRP 进行了制孔工艺研究,对比了不同激光扫描方式对 CFRP 制孔能力的差异,并对制孔后样件的力学性能进行了拉伸测试,得出了以下结论:

(1)激光旋切制孔与激光十字填充,激光平行填充制孔方式相比,在功率较高时(孔中间材料被部分烧蚀),3 种扫描方式无明显差别,在功率较低时(孔中间材料未被完全烧蚀),激光旋切制孔速度明显领先于另外两种扫描方式。

(2)相同参数下激光旋切的加工效率更高,热影响区较小,但是孔侧面平整度略微差于平行填充方式与十字填充方式。3 种激光加工方式均有一定锥度且较为接近。

(3)通过对比激光制孔与麻花钻钻孔两种制孔工艺的特点,发现两种工艺拉伸性能相近,但激光制孔的表面质量较高,机械制孔的尺寸精度较高。

本文引用自《航空制造技术》2019年第62卷第18期,作者叶逸云,贾少辉,徐子法,欧阳文泰,焦俊科,王飞亚,葛恩德。文章著作权归作者所有,本公众号作为发布方,文章仅供参考阅读使用,且不承担因理解歧义带来的法律责任。

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