發布日期：2022-10-09 點擊率：61
復合材料在航空領域的大量使用，推動了相關應用的發展。使用復合材料能降低重量，這一點對航空業而言特別重要。然而，復合材料的各個構成部分屬性往往不相同，即使是在極小的區域內，物理屬性也很可能會顯著變化。碳纖維增強塑料（CFRP）就是一個典型的例子。碳纖維能吸收所有波長，且具有極高的熱導率，而環氧基體的吸收性及導熱性都要差得多，所以這兩部分的物理屬性差異極大。
盡管資料表明，切割和鉆孔工藝確實取得了一些進展，但是在加工這種“特殊材料”時，怎樣才能確保滿足工業應用需要呢？這個問題到現在還沒有明確的答案。環氧樹脂為熱固性聚合物，不能使用傳統的激光焊接工藝，而且，如今的空業和交通業都希望能盡可能縮短生產周期，這些都驅動著復合材料向著熱塑性方向發展。可以預見的是，伴隨著激光燒結工藝的進一步完善，熱塑性復合材料將大有可為。在本文中，我們將對相關研究進行回顧，并分享熱塑性復合材料激光焊接工藝的研究成果。
高分子聚合物能降低構件重量，這一點在整個交通業中已達成共識，比如空中客車A380，其中25%都是復合材料，在A350上這一比例更是高達50%！汽車業也一樣，生產商紛紛用復合材料來提高產量、降低成本，縮短生產周期。
復合材料種類多樣，但至少要有一種強化材料和一種基體材料。基體材料用于包覆、支撐并固定強化材料的相對位置。復合材料的力學屬性及物理屬性會隨著組成方式的變化而變化，設計者可根據某種結構或元件的特定需要，選擇相匹配的屬性。只是，這種特性同時也成為激光應用的難點：1）非同質；2）各向異性。
眾所周知，激光器能夠對光束進行有效的時間和空間控制，所以當操作對象為同質表面時，優勢顯而易見，這主要由于光束及目標之間的交互反應在各個方向上均能保持穩定性及重復性。當然，有些工程材料不完全符合這種條件，其金屬或聚合物中可能存在一些細微差異，比如孔隙率或晶界等，不過這種差異對于大功率的光纖激光器而言，幾乎可以忽略。但是，復合材料的情況就完全不一樣了，不僅不同質，而且在三個維度上的屬性均可能表現出極大的差異，光束投射的位置及方向都會影響結果，尤其是長纖維強化復合材料。在多種纖維強化復合材料中，最“棘手”的，同時也是應用最為廣泛的就是碳纖維強化和玻璃纖維強化復合材料，它們與基材的熔點相差極大，對光的吸收屬性也完全不同，甚至于碳纖維和玻璃纖維自身的吸收屬性也不完全一樣。這種“不同質”使得本來極具靈活優勢的激光工藝在面對復合材料時總是顯得有些“力不從心“。然而，盡管困難重重，人們仍在進行大量專項研究，以期尋求上述問題的解決方案。
纖維與光纖激光器
以幾何學的角度定義，纖維其實是一種具有極高長度及芯徑比的圓柱體。這一定義賦予了纖維最重要的屬性，即極高的表面積體積比。軸向強度大，可結合基材的表面積大，這種特性使人們傾向于使用纖維對材料進行強化。有趣的是，光纖激光器也是利用這種表面積體積比特別高的幾何特性。光纖激光器的原理是在光纖內部生成光束，所以表面積越大，諧振腔的冷卻要求就越低。當光纖芯徑較小時，可生成高亮度和高平均功率的近紅外激光，近紅外激光之所以能夠成為復合材料加工的重要光源，這也是原因之一。
熱固性復合材料
目前，工業上用得比較多的主要是較厚的高強度輕量化復合材料，所以這也是本文研究的重點。這種復合材料大多數都會用到長纖維，因為這樣能夠最大限度地改善材料屬性，有助于整個結構的承重。對于制造業而言，傳統的方法是將纖維束編織成布（不破壞纖維束），纖維類型及編織方法均有多種選擇，然后將纖維布放平，使其與基材結合。比較新的工藝是使用預浸帶（纖維預浸于樹脂中）及自動鋪帶機（ATP），這樣不僅能夠更為自由地量身定制高性能材料，同時也能大幅提升速度。
圖1 用于ATP的預浸帶
航空業用得最多的是碳纖維+熱固性環氧樹脂基材，E級（電子級、成本低，韌性好）、S級（抗拉強度大）長玻璃纖維應用也比較廣泛。這就使得本來已經非常復雜的應用工藝變得更加雪上加霜，比如玻璃纖維，雖然其本身不會強烈吸收近紅外光源，但是纖維表面的涂層就不一定了。
FR4（阻燃型）玻璃纖維增強環氧樹脂，顧名思義，是指強化材料為玻璃纖維，基體材料為環氧樹脂的復合材料，主要用于電子行業、非結構性元件，通常用波長較短（355 nm）的二極管泵浦固態（DPSS）激光器，或者是波長更長一點的二氧化碳氣體激光器進行加工。至于金屬基復合材料（MMCs）及陶瓷基復合材料（CMCs），目前也在用激光器進行加工，但是優勢不明顯。
CFRP切割及鉆孔的工藝難點
環氧樹脂具有不可逆的熱固屬性，所以只能考慮用燒蝕切割及鉆孔工藝。然而，在操作時人們又發現了一個問題，那就是復合材料的兩種構成部分自身的物理屬性差異極大。碳纖維在環境壓力下不會熔化，蒸發溫度極高（>3500°C），而聚合物的損傷闕值通常在560°C左右。此外，碳纖維還有一些其他屬性，比如能吸收各種波長，熱導性也很強。由于碳纖維會高效吸收熱能，并使其沿纖維方向高速傳導，所以極易破壞熔點較低的基材。玻璃纖維情況類似，燒蝕所需的功率密度與碳纖維相當，且高于基體所能承受的溫度限值（如圖2所示）。
圖2 用激光器在CFRP上鉆孔時的典型損傷形態
另外，在穿孔和切割過程中，人們還發現，用傳統工藝生產CFRP片材時，基體和纖維加載的厚度會些許差異，使光束被引導至其他位置，特別是在進行熔穿切割或是鉆孔時，總會出現問題。目前，大部分二維復合材料采用的都是壓平的方法，這也意味著在到達具有高吸收率的碳纖維之前，激光器需要熔穿的樹脂厚度不固定。此外，纖維束的形狀是橢圓的，所有每次切割纖維的數量也不甚相同。還有一個問題：盡管CFRP的瑕疵識別已經取得了許多進展，但是對邊緣質量的精確量化仍未建立統一的標準，而這一點恰恰是在熱加工過程中不可避免的。
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