碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究_郑志龙.pdf

第 卷 第期中 国 机 械 工 程 年月 碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究郑志龙赵玉刚刘谦王珂周海安宋壮代迪张夏骏雨山东理工大学机械工程学院，淄博，摘要：为了研究水导激光加工关键工艺参数对碳纤维增强复合材料（）沟槽截面形貌与热影响区的影响，利用水导激光加工设备设计单因素实验探究了激光功率、水射流压力、进给速度及激光重复频率四个关键工艺参数对沟槽截面形貌以及热影响区的影响规律，分析了沟槽截面形貌和热影响区形成机理。实验结果表明：激光功率对沟槽烧蚀深度和热影响区的影响最大，水射流压力对沟槽烧蚀宽度的影响最大，进给速度和激光重复频率对沟槽烧蚀深度和宽度的影响不大，对热影响区有较大影响。此外，发现沟槽截面去除区呈 字形，热影响区呈锯齿形状。通过单因素方法分析得到了较好的沟槽截面形貌，其沟槽截面烧蚀深度为 ，烧蚀宽度为 ，铺设方向为 的碳纤维层热影响区为 ，铺设方向为 的碳纤维层热影响区为 。关键词：碳纤维增强复合材料；水导激光加工；沟槽截面形貌；热影响区中图分类号：；：开放科学（资源服务）标识码（）：，：，：；，：（）；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）；山东省自然科学基金（）引言碳纤 维 增 强 复 合 材 料（，）是一种由树脂和碳纤维组成的新型结构材料，具有高强度、高刚度、高质量热容、低密度、低热膨胀系数等优良性能，广泛应用在航空航天、军工、汽车工业等先进技术行业领域。具有复杂的各向异性、层间强度低等特点，同时是一种难加工材料，传统的机械加工过程中存在刀具易损坏、材料分层、纤维拉出、产生残余应力、引起撕裂和毛刺而导致加工质量低等问题。为了满足 的加工精度要求，急需寻找适合的加工方法。激光加工技术具有不与工件接触、不产生切屑力、加工变形小、无刀具磨损等优点，在加工高强度、难加工材料等方面逐渐占据优势。等通过研究发现：激光辐射波长和材料的吸收影响了热影响区尺寸大小；随着进给速度的提高，热影响区和切缝都在减小。等研究了 激光器切割 的加工参数对激光切割效率和切割质量的影响，结果表明，激光加工的热影响区是不可避免的，但可以通过选择合适的工艺参数达到使其最小化的目的，以获得良好的加工质量。等 利用 ：脉 冲 激 光 切 割 厚 的 ，分析了不同工艺参数对狭缝热影响区和几何形状的影响，实验结果表明，为了获得最大切削速度和较窄的热影响区，需要选择合适的工艺参数，此外还得到了热影响区扩展范围和各参数之间的关系。激光加工 虽然可以解决刀具磨损和材料结构损伤的问题，但由于纤维与树脂基体具有迥异的热物理特性，各层碳纤维束铺设方向不同，具有复杂的各向异性，采用传统干式激光切割会产生过热影响区、纤维拔出、材料分层、纤维端部膨胀等热损伤缺陷。水导激光加工技术是一项以微细水射流引导激光至被加工工件进 行 切割 的 复 合型加 工技术。水导激光切割过程中水射流具有冲刷和冷却作用，能迅速带走加工处的残余热量和烧蚀产物，减少激光对 造成的热损伤，解决了传统激光加工中存在的诸多弊端。国内外许多学者对此进行了相关研究。等 采用 波长的激光对不锈钢薄片和黄铜薄片进行了传统激光和水导激光加工，相比之下传统激光虽然效率高，但加工区域有很厚的沉积层和热影响区，而水导激光加工处则没有残渣，切缝小，且几乎无热影响区。等 分别采用水射流引导激光加工技术和传统干式激光加工技术进行了切割金属板材实验，结果表明，在相同的切割速度和加工效率下，由于水射流在脉冲间隙的冲刷和冷却作用，水射流引导激光加工技术使切割表面没有毛刺和热影响区。孙冬等 构建了一套基于离轴光学系统的水导激光加工设备，实现了对 厚 不锈钢的切割。等 进行了水射流引导激光微加工单晶硅的实验研究，讨论了水射流引导激光微加工的参数与表面形貌变化、最大纵横比变化和切缝边缘变化之间的关系，在多次往复切割条件下得到的切缝纵横比为。综上所述，与传统干式激光加 工 相比，水导激光加工技术在减少热影响区和增加烧蚀深度方面具有潜在的优势。迄今为止，关于水导激光切割 的报道较少。本文进行了水导激光加工技术 的切割实验，分析了各工艺参数对沟槽截面几何形貌变化以及热影响区的影响规律以及形成机理，得到了较好的沟槽截面形貌。实验实验原理图所示为水导激光加工 的原理。水导激光切割技术是将激光技术与水射流技术相结合，激光束经聚焦系统耦合进入稳定的微细水射流内表面，利用激光束在水和空气中的折射率不同，实现激光沿微细水射流水柱的内部以全反射方式传导，射向被加工工件。在水导激光切割 的过程中，由于纤维与树脂基体具有迥异的热物理特性，环氧树脂在达到熔点后被水射流冲刷去除，而碳纤维在达到升华阈值后才会升华去除；同时利用水射流的冲刷和冷却作用，迅速带走加工区域的残余热量和残渣，使得切缝干净整齐。图水导激光加工 原理 实验设备图所示为水导激光加工设备。本实验采用自行搭建的水导激光加工设备进行加工。该设备由水光耦合对准系统、供水系统和运动平台等组成。水光耦合对准系统由 型光纤激光器、光束聚焦元件、耦合元件和摄像机等组成。光纤激光器的最大功率为 ，波长为 ，最大激光重复频率为 。水射流喷嘴直径为。供水系统由高压精密过滤器、三缸柱塞泵、调压阀和溢流阀等组成，具有最大水压。机床数控系统可以控制平台进行圆弧和直线运动。实验设计本文使用 规格的 实验试件，该材料在室温下的热物理性能见表。如图所示，第一层（碳纤维铺设方向为 ）与进给方向垂直，第二层（碳纤维铺设方向为碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究 郑志龙 赵玉刚刘谦等图水导激光加工设备 ）与进给方向相同，总共七层碳纤维交替铺设。为了单次划槽从而获得较好的沟槽截面形貌和较小的热影响区，查找相关文献，在设备加工精度范围内进行大量试验研究的基础上，选取 水导激光加工试验参数如下：激光功率 ，水射流压力，进给速度，激光重复频率 ，进行单次切割。表 在室温下的热物理性能 基体熔化温度（）密度（）热导率（）碳纤维 （轴向），（径向）树脂 图七层排布的碳纤维增强复合材料 进行了水导激光切割 的单因素实验，每组实验重复三次求出平均值，通过 数码显微镜观测沟槽截面形貌，测出试验数据。如图所示，其中是 沟槽截面烧蚀深度，是 沟槽截面烧蚀宽度，是 沟槽截面侧壁 锥 度，是 第 一 层 热 影 响 区 宽 度，是第二层热影响区宽度。图沟槽截面形貌参数 是碳纤维层铺设方向为 热影响区宽度的平均值，是铺设方向为 碳纤维层热影响区宽度的平均值，其计算公式如下：.（），（）.，（）式中，为奇数层数；为偶数层数。实验结果和分析激光功率对沟槽截面形貌的影响图所示为不同激光功率对沟槽截面形貌的作用效果。图是不同激光功率与沟槽截面几何形貌和热影响区变化的趋势图。当激光重复频率为 ，进给速度为，水射流压力为 时，激光功率依次为 、和 ，进行单次划槽实验。可以看出，当其他 参 数保 持 不变 时，随着激 光功率的增加，（）激光功率 （）激光功率 （）激光功率 （）激光功率 图激光功率对沟槽截面形貌的作用效果 中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月 的 烧 蚀 深 度 增 大，烧 蚀 宽 度 缓 慢 增 大，和 均快速增大，其原因如下：水导激光加工 时，红外激光与 材料之间的相互作用主要是热效应，包括熔化、气化、等离子等。当激光重复频率一定时，单脉冲能量随激光功率的增大而增大，每个脉冲能量都具有较强的去除能力，使得达到去除阈值的材料更多，烧蚀深度增大；同时向沟槽侧壁面传递的能量增加，使得热影响区和烧蚀宽度增大。图 中，当激光功率为 时，为 ，为，但烧蚀深度只有 ，沟槽截面形貌较好。图 中，当激光功率为 时，存在纤维暴露（碳纤维层铺设方向为）；而图 中，激光功率增大为 时，深度增加缓慢，热影响区快速增加，且存在更明显的纤维脆化现象（碳纤维层铺设方向为 ），出现纤维暴露、拉出现象（碳纤维层铺设方向为）。这是因为沟槽截面字形变窄，导致熔渣排除困难，向沟槽侧壁面内部传递的能量增加。因此，当其他参数保持不变，激光功率为 时，获得沟槽截面加工质量较好。（）热影响区随激光功率的变化（）几何形貌随激光功率的变化图沟槽截面几何形貌和热影响区随激光功率的变化 水射流压力对沟槽表面形貌的影响图所示为不同水射流压力对沟槽截面形貌的影响。图是不同水射流压力与沟槽截面几何形貌和热影响区变化的趋势图。激光功率为 ，激光重复频率为 ，进给速度为，水射流压力依次为、和，进行单次划槽。可以看出，当其他参数保持不变的情况下，随着水射流压力的增加，和 均逐渐减小，烧蚀宽度逐渐增大，烧蚀深度先增大，水射流压力为 时烧蚀深度达到最大，之后再减小，原因如下：图 是水射流压力为 的沟槽截面，此时水射流的冷却效果远小于 吸收的激光能量，且水射流不足以将熔渣冲走，导致热影响区较大，存在较明显的纤维脆化和纤维暴露现象。随着水射流压力的增加，水射流的冲刷清除、冷却效果增强，材料吸收激光能量所产生的熔渣可以通过水射流及时去除，熔渣不会妨碍激光向下传输以及 材料对激光能量的吸收，因此，烧蚀深度增加，热影响区降低。水射流压力为 时沟槽截面加工质量较好；当水射流压力超过 后，水 射 流 水 束 稳 定 性 开 始 变 差，传 输 到 材料的激光能量降低，且随着水射流压力的增加，水射流的冷却效果加强，单位时间内带走的能量更多。同时沟槽上表面的环氧树脂基体更容易受热分解，水射流对沟槽上表面的冲蚀作用越明显，导致烧蚀深度降低，烧蚀宽度增大，进而热影响区明显降低。因此，当其他参数保持不变，水射流压力为 时，获得的沟槽截面加工质量较好。（）水射流压力 （）水射流压力（）水射流压力 （）水射流压力 图水射流压力对沟槽截面形貌的作用效果 进给速度对沟槽表面形貌的影响图所示为不同进给速度对沟槽截面形貌的碳纤维增强复合材料水导激光加工实验研究 郑志龙 赵玉刚刘谦等（）热影响区随水射流压力的变化（）几何形貌随水射流压力的变化图沟槽截面几何形貌和热影响区随水射流压力的变化 作用效果。图 是不同进给速度与沟槽截面几何形貌和热影响区变化趋势图。当激光功率为 ，激光重复频率为 ，水射流压力为 时，进给速度依次为、和，进行单次划槽。可以看出，其他参数保持不变的情况下，随着进给速度的增加，烧蚀深度、烧蚀宽度均降低，逐渐减小，逐 渐 增 大。其 原 因 如 下：当 切 割 的进给速度增加时，激光辐射在同一区域的脉冲数量减少，单位面积内 材料吸收的激光脉冲能量减少，因此，烧蚀深度、烧蚀宽度和 均减小。当进给速度大于 后，单位面积内 材料吸收的激光脉冲能量成倍减少，烧蚀深度快速下降。图 所示是进给速度为的沟槽截面，图 所示是进给速度为的沟槽截面，当速度为时，材料能吸收足够的激光能量达到去除阈值，使得烧蚀宽度较大，进给速度为 和时宽度相差较大，和 均变化不大。随着速度的增加，图 和图 中碳纤维吸收的能量减少，均存在明显的纤维拉出现象，增大，且图 中第五层碳纤维层有少量碳纤维未被切断。因此，当其他参数保持不变，进给速度为 时，获得的沟槽截面加工质量较好。激光重复频率对沟槽表面形貌的影响图 所示为不同激光重复频率对沟槽截面（）进给速度（）进给速度（）进给速度（）进给速度图进给速度对沟槽截面形貌的作用效果 （）热影响区随进给速度的变化（）几何形貌随进给速度的变化图 沟槽截面几何形貌和热影响区随进给速度的变化 形貌的作用效果。图 是激光重复频率与沟槽截面几何形貌和热影响区变化的趋势图。当激光功率为 ，进给速度为，水射流压力为 时，激光重复频率依次为 、和 ，进行单次划槽。可以看出，当其他参数保持不变时，随着激光重复频率的增加，烧蚀宽度降低，烧蚀深度快速降低，中国机械工程 第 卷 第期 年月上半月和 均先降低，之后再增加。可以发现图 中 较大，图 中第五层碳纤维层有少量碳纤维未被切割断，图 中第五层碳纤维层有大量碳纤维未被切割断，妨碍激光向下传输。其原因如下：当激光功率一定时，随着激光重复频率的增加，单个激光脉冲能量显著降低；若激光重复频率大于 ，每个激光脉冲的去除能力很（）激光重复频率 （）激光重复频率 （）激光重复频率 （）激光重复频率 图 激光重复频