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碳纤维复合激光割強研究
□宋抒航
东北石油大学机械工程学院黑龙江大庆163000
摘要:为了研究激光切割参数对碳纤维复合材料(CFRP)切割表面质量的影响,利用Nd:YAG固
体毫秒脉冲激光器,对碳纤维复合材料进行了激光切割实验。通过对普通碳纤维复合材料以及增加炭
黑颗粒碳纤维复合材料进行激光切割,获得了相应的碳纤维复合材料的切割表面质量,并対激光切割
过程产生的热影响区进行了分析。实验结果表明,普通碳纤维复合材料激光切割后存在严重的层离现
象,同时切割面会产生裂纹,影碳纤维复合材料的抗疲劳性能;碳纤维复合材料增加炭黑颗粒后进行
激光切割,能够获得良好的切割质量,切割面无裂纹以及无层离现象,切割部分容易分离,有效政善其
激光切割性能。
关键词:碳纤维复合材料激光切割表面质量切割性能
中图分类号:TGC485
文献标识码:A文章编号:1000-4998(2015)09-0049-03
近年来,随着能源储存问题及能源过度消耗问题激光功率的增加以及新型激光器的诞生,激光切割越
的日益突出,交通运输行业正在发生一系列变化。电动来越受到工业应用的欢迎。由于激光光東质量好,激光
技术及轻量化车身结构概念日流行山,在电动技术功率密度高,这就使磯纤维材料的气化很容易。文献
基础上,如果能够尽快地应用轻量化车身结构,则能源[4]利用Nd:YAG激光器研究了激光参数对CFRP材
成本将会大大降低。在汽车行业中,碳纤维复合材料料切割质量及热影响区( Heat Affected Zone-HAZ)的
(CFRP)被认为是满足车身轻量化开发的未来关健材影响。文献[5]证实了激光切割CFRP材料过程中激光
料,与传统材料如铝合金或者钢材等相比,CFRP材料参数与CFRP材料的静力强度间关联密切。文献[6]通
具有一系列优点,如比强度高、硬度高及较好的抗腐蚀过将激光能量进行多次施加,有效减小了激光切割
性能等。虽然CFRP材料已经在高端运动器材及航空CFRP材料热损伤效应。文献[7]利用单因实验法对
领域有所应用,但在其它领域中大规模应用还面临着激光脉冲能量、奶割速度等参数及激光切割CFRP材
一些难题,如碳纤维复合材料的连接、切割及回收再利料表面质量进行了研究,得到了激光切割CFRP材料
用等。
的一些理论结果。
目前普通的CFRP材料的切割工艺主要有高速铣
削及水射流切割两种。铣削加工工艺可靠,但是铣削过
试验方法
程中往往由于刀具磨损带来切割表面质量不高的问
为了实现对CFRP磯纤维高效切割,笔者利用高
题。水射流切割是一种新型的复合材料切割工艺,其功率Nd:YAG固态激光器对普通礎纤维复合材料及
具有经济、环保及切割质量高等优点,但是受限于进给加炭黑颗粒碳纤维复合材料分别进行激光切割实验,
速度慢,此工艺并不能应用于大规模生产
嶒强纤维为T300,其纤维体积含量约为45%,基体为
激光切割是近年来兴起的一项新型金属材料加工环氧树脂,对称铺层,属正交层复合板,厚度为2.2
技术,激光切割技术已经在金属材料切割应用中取得mm,这种CFRP材料常被应用于电动汽车结构件中。
了较好的成果,激光切割可以获得好的切割质量,随着为了分析切割表面质量,利用扫描电子显微镜观察了
收稿目期:2015年4月
激光切割后截面的特征形貌,能够为碳纤维复合材料
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2]XuT. Study on Tribological Properties of Ultra- dispersed[4]宋宝玉,曲建俊,姜立标,等,含纳米金刚石微粒润滑剂抗
Diamond Containing Soot as an Oil Additive [J ]. Tribology,
接触疲劳性能的研究[丁].机械工程学报,2004,40(9):154-
1997,40(3):178-189.
157
3]乔玉林,徐滨士,马世宁,等.含纳米金刚石复合润滑油添加
剂的摩擦学性能[J].石油炼制与化工,1999(3):14-17
编辑平平)
Nラ机械制造53卷第63期
2015/9149
失效机理提供理论基础及实验依据。
些裂纹的存在明显降低CFRP材料的抗疲劳强度,这
实验参数见表1所示,激光切割CFRP材料的基对于结构件而言是不能接受的。裂纹的产生,尽管位于
表1激光切割参数
本原理,在于通过激光热效上下两层纤维层之间的环氧树脂层是完整的,环氧树
参数
数值门应将切口处的材料烧蚀除脂层之下的碳纤维层已经被激光作用发生了消融,这
波长/m
108去,因此,部分碳纤维和环主要是因为环氧树脂层对激光是透明的,激光束可以
焦点直径m
0氧树脂都需要被分离。环氧透过环氧树脂层辐照下层的碳纤维成分。这就意味着
激光输出功率AW3树脂大约在500℃气化,而消融过程产生的气体会由于体积膨胀产生高压,在高
跟踪速度(m)600」纤维材料气化温度需要达压力下使普通CFRP材料产生分层或者裂纹。
程数
1-0到甚至超过3000实验22激光切制热影响区城
每次等待时间m60中应用激光波长为1068
激光切割普通CFRP材料能够在切割区域附近产
mm,可以达到所需要的烧蚀能量。
生热影响区,热影响区的宽度与多次激光辐照之间的
2试验结果与讨论
时间间隔关系密切。当时间间隔短时,一般热影响区会
大,图3所示为当时间间隔为100ms时,激光切割普
2.1激光切割普通CFRP材料
通CFRP材料获得的热影响区,这种情况下,热影响区
采用激光脉冲能量为1.5J,频率为200Hz,切割的宽度达到了1mm,从图中的黑色部分可看出,环氧
速度为100mm/min。当切割区域纤维体积含量较高树脂和纤维层都受到了热损伤。图4所示为时间间隔
时,激光切割获得了较高质量的切口表面,如图1所为150ms时,激光切割获得的热影响区,从图中可看
示,从图1中明显看出,激光東进口及出口区域均存在出,随着时间间隔的增加,热影响区的宽度呈减小趋
环氧树脂分层现象,分层可从切割线向外增大至1mm势。因此,需多次激光作用时应确保合理的时间间隔。
宽度,如果激光東通过区域纤维含量稍低,则普通2.3激光切割添加炭黑颗粒CFRP材料
CFRP材料会在切割区域局部产生裂纹,如图2所示。
相对于普通CFRP材料而言,在环氧树脂中添加
大量裂纹萌生于两层纤维之间的环氧树脂层,这了炭黑颗粒的CFRP材料更易于激光加工,添加炭黑
颗粒后,激光切割部分容易分离,而
且,切口处裂纹数量明显减少,如图
5所示,从图中可看到,激光束进口
和出口处环氧树脂烧蚀较轻。与环氧
内部裂纹树脂相比,添加炭黑颗粒的树脂材料
表层
可以被直接烧蚀。环氧树脂层材料疏
分层
松多孔,可以极大地影响环氧树脂对
激光辐照的吸收情况,因此在基体树
200
脂材料中添加炭黑颗粒能够明显改
出口
▲图1纤维含量高的切口面
▲图2纤维含量低的切口面
热影响区
热影响区
40
200
200?m
▲图5激光切割添加炭黑颗粒的
▲图3时间间隔100ms时的热影响区
▲图4时间间隔150ms时的热影响区
CFRP材料切口形貌
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