激光加工纖維增強復(fù)合材料的常見方法是切割、鉆孔和表面處理等,本文綜述了激光加工纖維增強復(fù)合材料的國內(nèi)外研究進展,重點聚焦碳纖維增強復(fù)合材料的激光加工方法,闡述了激光加工纖維增強復(fù)合材料的特點和物理去除機制,總結(jié)了激光工藝參數(shù)對加工質(zhì)量和加工效率的影響規(guī)律,最后展望了激光加工纖維復(fù)合材料的發(fā)展與挑戰(zhàn)。 

【文章來源】：激光與光電子學(xué)進展. 2020,57(11)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

準分子激光和CO2激光分別切割A(yù)FRP和CFRP的切面形貌[41]。（a）準分子激光切割A(yù)FRP;(b)CO2激光切割A(yù)FRP;(c）準分子激光切割CFRP;(d)CO2激光切割CFRP

Negarestani等[24]利用納秒Nd∶YAG激光加工CFRP，通過響應(yīng)曲面法確定了激光加工的最優(yōu)參數(shù)，并研究了輔助氣體中氧氣含量對切割質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，將氧氣與氮氣的混合氣體用作切割保護氣，加工效果要比使用純氧或純氮作為保護氣體好得多，如圖8所示，這是因為氧氣在一定程度上增大了材料去除率，而氮氣又可以讓材料加工區(qū)域溫度迅速降下來。同時指出輔助氣體的壓力越大，加工質(zhì)量越好。Takahashi等[44]利用高功率紅外納秒激光配合掃描振鏡切割了CFRP，實驗結(jié)果表明掃描間距和掃描速度對切割質(zhì)量有較大的影響，他們采用如圖9所示的非零間距激光掃描方式消除了加工過程中產(chǎn)生的粉塵和廢氣對激光的屏蔽作用，使激光更好地作用于材料去除，從而獲得了良好的加工質(zhì)量。

激光加工纖維增強復(fù)合材料時產(chǎn)生的熱效應(yīng)與激光波長、激光工作模式、加工速度及復(fù)合材料的熱學(xué)性能等參數(shù)密切相關(guān)。1985年，Tagliaferri等[26]做了開創(chuàng)性的工作，他們用500W的CO2激光分別切割了芳綸纖維、碳纖維和玻璃纖維增強復(fù)合材料（分別簡稱AFRP、CFRP和GFRP），他們指出，纖維和樹脂的熱學(xué)性能是影響切割質(zhì)量的主要因素，所得到的切割面質(zhì)量與光束和材料的相互作用時間聯(lián)系密切。由于芳綸纖維與樹脂基體具有相似的物理性質(zhì)，所以AFRP相比其他兩種復(fù)合材料可以得到更好的加工質(zhì)量。Caprino等[27]提出了一個基于激光功率、材料厚度和光斑直徑的單因素溫度模型，可以預(yù)測CO2激光切割纖維增強復(fù)合材料所能夠達到的最大切割速度，并對碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維三種復(fù)合材料進行了實驗論證，結(jié)果與模型預(yù)測較吻合，如圖1所示。他們還根據(jù)切面形貌對切割質(zhì)量進行了分類，發(fā)現(xiàn)切割質(zhì)量與激光工藝參數(shù)密切相關(guān)，切割速度越大，切割質(zhì)量越好。Cenna等[28]建立了基于激光束空間分布、激光與材料相互作用時間、激光波長的吸收系數(shù)和材料熱性能的理論模型，預(yù)測了材料的激光入口寬度、出口寬度和材料去除率等，并用CO2激光分別對AFRP和GFRP進行了切割實驗，計算結(jié)果與實驗結(jié)果相關(guān)性較好，說明利用理論模擬計算已經(jīng)可以較準確地得到CO2激光的加工結(jié)果。Goeke等[29]研究發(fā)現(xiàn)，波長為1.07μm的光纖激光主要被纖維吸收，然后纖維將熱量傳遞到樹脂基體中，而波長為10.6μm的CO2激光則可以被樹脂基體直接吸收，通過聚合物鏈的振動將激光輻射轉(zhuǎn)化為熱能，材料對不同波長激光的吸收率影響了材料的熱影響區(qū)尺寸。他們指出兩種激光都在工業(yè)應(yīng)用上具備發(fā)展?jié)摿Γ珻O2激光在切割較厚的CFRP方面比光纖激光更具優(yōu)勢。Niino等[30]利用1kW紅外光纖激光切割CFRP，結(jié)果表明運用掃描振鏡帶動高功率激光對材料進行高速多道掃描時可以得到干凈平整的切割截面和很小的熱影響區(qū)，如圖2所示。另外，在實驗中用紫外激光和紅外激光照射CFRP，觀測到的材料煙羽輻射光譜有很大差異，這表明二者加工材料的物理反應(yīng)機制有明顯區(qū)別。

【參考文獻】：
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本文編號：3533846