隨著能源及環境(jing)問題的(de)日益突出(chu)，輕(qing)量化成為交通運輸領域的(de)重要研究方(fang)向(xiang)。碳纖維(wei)復合材料(liao)(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)是由(you)碳纖維作(zuo)為(wei)(wei)增強體、樹脂作(zuo)為(wei)(wei)基體固化(hua)成形(xing)的先進復合(he)材料，因其比(bi)強度高(gao)、耐(nai)高(gao)溫、抗腐蝕等(deng)特(te)點，在航空(kong)航天、汽車等(deng)領域作(zuo)為(wei)(wei)輕量(liang)化(hua)材料被(bei)大量(liang)使用。由(you)于CFRP增強體與基體性能(neng)的差異以(yi)及(ji)CFRP材料(liao)硬度高、韌性(xing)(xing)強等特(te)性(xing)(xing)，采用傳統的機械加工方式出現(xian)如刀具易磨損、復合材料(liao)分層(ceng)、纖維破碎及(ji)加工后性(xing)(xing)能變差(cha)等問題，嚴重(zhong)制約CFRP的應用，CFRP的激光(guang)加工已成為(wei)目前研究的熱點。
由于CFRP中(zhong)增強(qiang)體(ti)在熱膨脹(zhang)系數(shu)、氣化溫(wen)度等熱力學性能方面(mian)與基體(ti)存在相當大差異，在激光(guang)切割中(zhong)表現(xian)出(chu)熱影響區(heat affected zone, HAZ)、纖維拔(ba)出、復合材(cai)料分(fen)層、纖維末端(duan)膨脹等缺陷，導致激(ji)光切割(ge)CFRP面(mian)臨巨大挑戰，在激光(guang)加工(gong)過(guo)程中(zhong)產生的熱影響(xiang)區嚴重影響(xiang)CFRP的靜態強度。針對CFRP材料激(ji)光加工過程中的熱(re)損傷(shang)問題，國(guo)內外(wai)學者進行(xing)了(le)相(xiang)關(guan)研究。LAU等人使(shi)用Nd:YAG激光光源與CO2激光光源分別對CFRP進行(xing)切割實(shi)驗，結果(guo)表明，短(duan)波長的(de)Nd:YAG激光切(qie)割產生的(de)切(qie)縫(feng)窄、熱損傷小(xiao)。FENOUGHTY等人比較了(le)Nd:YAG脈沖(chong)激(ji)光與(yu)連(lian)續(xu)激(ji)光對(dui)CFRP切割的影響(xiang)，實驗表(biao)明，脈(mo)沖激(ji)光由于在相鄰脈(mo)沖作用時(shi)間間隔里能讓材料進行(xing)冷(leng)卻，相對(dui)連續激(ji)光可有(you)效減少熱損傷(shang)。ZHANG等人研究了激光(guang)輻射過程中(zhong)兩種纖(xian)維增(zeng)強(qiang)復合材料(liao)對激光(guang)的(de)吸(xi)收(shou)特性，得(de)到了激光(guang)參量(liang)對材料(liao)吸(xi)收(shou)率的(de)影(ying)響。HUA等人利用單因素變量實驗方法，研究了(le)毫秒脈沖激(ji)光(guang)工(gong)藝參(can)量和(he)水下切(qie)割(ge)方法對(dui)切(qie)割(ge)質(zhi)量的影(ying)響，實驗表明:合理的工藝參量以及水(shui)下(xia)切割可有效(xiao)減小纖維拔出等缺陷。NEGARESTANI等人研究了Nd:YAG脈(mo)沖激光切割CFRP過程中(zhong)混合氣體對切割質量的影(ying)響。LEONE等(deng)人研究了Nd:YAG激光參量對CFRP材(cai)料切割質量的(de)影(ying)響。STOCK等(deng)人(ren)的研究表明，激光(guang)能量(liang)進行多次(ci)施加可有效減小激光(guang)切割CFRP材料熱損傷效應。GOEKE等人研究(jiu)了激光參量對CFRP材料切割熱(re)影(ying)(ying)響區(qu)和切縫寬度的影(ying)(ying)響。SONG研究了激光切割參(can)量(liang)對(dui)CFRP切割(ge)表(biao)面質量的影響，并對激光切割(ge)過(guo)程產生的熱(re)影響區進行分析。WEBER等(deng)人(ren)模(mo)擬分析了工藝參量(liang)對熱損傷的影響。
本(ben)文中利用皮秒脈沖激光(guang)對CFRP進行燒蝕實驗，研究了工(gong)藝參量對CFRP去(qu)除(chu)過程中熱影響區及掃描(miao)深度(du)的影響，得到(dao)優的工藝參量，在此基礎(chu)上對(dui)1.5mm厚CFRP板(ban)進行切(qie)割(ge)實驗。通過優化切(qie)割(ge)參(can)量(liang)來提高切(qie)割(ge)質量(liang)，從(cong)而為皮秒激(ji)光切(qie)割(ge)CFRP學術研(yan)究與工業應用(yong)提供參考。
1. 實驗設備、材料及方法
1.1 實驗設備
實驗中(zhong)采用的切(qie)割(ge)系統如(ru)圖 1所示。系統(tong)采用EdgeWavePX200-2-GM型皮秒激光(guang)器，通過3維(wei)掃描振鏡實(shi)現(xian)z方向動態聚焦，使用空(kong)氣作為輔助(zhu)氣體(ti)，并通過氣刀(dao)作用于工件表面，氣體(ti)壓(ya)力為0.8MPa，實驗采用超景深(shen)3維顯微鏡觀測掃描深(shen)度和熱影響區。
Figure 1. Scheme of cutting system
切(qie)割系統使(shi)用(yong)的激光波長為1064nm，脈(mo)寬為10ps，平均功率為100W，重(zhong)復頻率為0.4MHz~20MHz，通過3維(wei)掃(sao)描(miao)振鏡(jing)聚焦(jiao)后光斑直徑為50μm，振鏡高掃描速率為(wei)20m/s。切割系統具(ju)體參量如表 1所示。
Table 1. Processing parameters
parameters | value |
average power P | 30W~100W |
repetition rate frep | 0.4MHz~20MHz |
scanning speed vs | 0.1m/s~20m/s |
pulse duration τ | 10ps |
focus diameter d | 50μm |
wavelength λ | 1064nm |
| 顯示表格
1.2 實驗(yan)材(cai)料
實驗中采用碳纖維(wei)(wei)復合材料，其增強體為碳纖維(wei)(wei)T300，基體(ti)為環氧(yang)樹脂，各占50%，屬正交(jiao)層合(he)板(碳纖維鋪(pu)層的鋪(pu)設方向(xiang)為0°和90°)，板厚為1.5mm，材料組(zu)成成分及熱力(li)學性(xing)能(neng)如(ru)表 2所示。
Table 2. Thermal and physical properties of the CFRP composite
parameters | type |
carbon-fiber T300 | epoxy resin |
density ρ/(kg·m-3) | 1.78 | 1.1 |
evaporation temperature Tv/K | 4000 | 700 |
structure damage temperature Td/K | 3100 | 440 |
heat conductivity κ/(W·m-1·K-1) | 50 | 0.1 |
specific heat capacity c/(J·kg-1·K-1) | 710 | 1884 |
| 顯(xian)示表格
1.3 實驗(yan)方(fang)法(fa)
實驗方法(fa)如圖 2所示。將1.5mm厚CFRP板(ban)置于(yu)激(ji)光(guang)焦平面上，分別研究(jiu)平均(jun)功率(lv)(lv)、掃(sao)描(miao)速率(lv)(lv)、重(zhong)復頻率(lv)(lv)、掃(sao)描(miao)次數對熱(re)影響區及(ji)掃(sao)描(miao)深度的影響。為了更加均(jun)勻地(di)去除(chu)整個(ge)碳(tan)纖(xian)維復合材料和提高去除(chu)效(xiao)率(lv)(lv)，對軌跡進行多次循(xun)環掃(sao)描(miao)，并通過(guo)(guo)動態(tai)聚焦系統(tong)實現焦點補(bu)償。在切割中為了避(bi)免切縫過(guo)(guo)窄造成的遮蔽(bi)效(xiao)應，掃(sao)描(miao)若干(gan)條間(jian)距為Δd的(de)平行軌跡來(lai)增加切縫寬(kuan)度，最終實現(xian)1.5mm厚CFRP切割(ge)。
Figure 2. Illustration of scanning strategy
2. 實驗結果與分析
激(ji)光功(gong)率為60W、重復(fu)頻率為0.4MHz、掃描速率為4m/s時(shi)，CFRP表面產(chan)生的熱影響(xiang)區如(ru)圖(tu) 3所示。從(cong)圖中可以看出，在切割過程中環氧樹脂基(ji)體材料回(hui)縮，而表(biao)層碳纖維增強體并(bing)未被去(qu)除而裸露出來形成(cheng)熱影響區。這是因為環氧樹脂氣(qi)化溫度為700K，而碳(tan)纖維T300的氣(qi)化溫度為4000K，所以當激光(guang)能量不足夠使碳纖(xian)維氣(qi)化而僅(jin)僅(jin)只能使環氧(yang)樹脂(zhi)(zhi)氣(qi)化時，氣(qi)化的(de)環氧(yang)樹脂(zhi)(zhi)被輔助氣(qi)體吹除，碳纖(xian)維保留(liu)在切縫兩側裸露(lu)出來形成(cheng)熱(re)影(ying)響(xiang)區(qu)。
Figure 3. Microscopy of the ablated region
2.1 工藝參量對(dui)熱影(ying)(ying)響區(qu)的影(ying)(ying)響
2.1.1 纖(xian)維排布方向(xiang)對(dui)熱影響區(qu)的影響
在激光功(gong)率為60W、重復(fu)頻率為0.4MHz、掃(sao)描速率為1m/s時，CFRP表面熱影響區如圖 4所(suo)示。從圖中可以看出，CFRP表層纖維(wei)的排(pai)布(bu)方(fang)式對(dui)熱(re)影(ying)區(qu)(qu)有(you)顯著(zhu)影(ying)響(xiang)，當掃描(miao)方(fang)向(xiang)與表層纖維(wei)排(pai)布(bu)方(fang)向(xiang)垂(chui)直時，熱(re)影(ying)響(xiang)區(qu)(qu)達70μm；當掃描方向(xiang)與(yu)纖維排布方向(xiang)一致時，材料表面幾乎沒有(you)熱(re)影區(qu)。主(zhu)要是因為碳纖維的(de)熱(re)傳(chuan)導率(lv)(lv)遠遠大于環氧樹(shu)脂的(de)熱(re)傳(chuan)導率(lv)(lv)，未能達到(dao)CFRP燒蝕閾值處的(de)脈(mo)沖能(neng)量(liang)沿(yan)(yan)著(zhu)碳纖(xian)維方(fang)向(xiang)(xiang)傳播(bo)，所以當掃描方(fang)向(xiang)(xiang)與表層纖(xian)維排布方(fang)向(xiang)(xiang)一致時，沿(yan)(yan)著(zhu)掃描方(fang)向(xiang)(xiang)傳播(bo)的(de)能(neng)量(liang)與下一個脈(mo)沖能(neng)量(liang)共同用于(yu)去除CFRP材料(liao)，掃(sao)(sao)描深度也更大，對切(qie)縫兩側造成熱影響區較(jiao)小；而當掃(sao)(sao)描方(fang)向(xiang)與表(biao)層(ceng)纖維排布方(fang)向(xiang)垂(chui)(chui)直時，能量沿著掃(sao)(sao)描垂(chui)(chui)直方(fang)向(xiang)傳播，切(qie)縫兩側熱量累積，對CFRP造成熱損傷，導致嚴重的熱影響(xiang)區(qu)。
Figure 4. Effect of fiber orientation on heat affected zone
2.1.2 平均功率對熱影(ying)響(xiang)區的影(ying)響(xiang)
圖(tu) 5是當重(zhong)復(fu)頻(pin)率(lv)為0.4MHz、掃描(miao)速率為10m/s時，平均功(gong)率與熱影(ying)響區的關系。由圖 5可以(yi)看出(chu)，當(dang)平(ping)均(jun)功率(lv)(lv)增(zeng)加(jia)時，熱影(ying)響區(qu)逐漸減(jian)小(xiao)，隨(sui)著平(ping)均(jun)功率(lv)(lv)的(de)(de)繼續增(zeng)加(jia)，熱影(ying)響區(qu)逐漸增(zeng)大，最后(hou)趨于穩定。由于在重復頻率(lv)(lv)、掃描(miao)速率(lv)(lv)不變時，隨(sui)著平(ping)均(jun)功率(lv)(lv)的(de)(de)增(zeng)加(jia)，單(dan)脈沖能(neng)量也(ye)增(zeng)大，達(da)到材料燒蝕閾(yu)值(zhi)的(de)(de)能(neng)量也(ye)更多，激光脈沖能(neng)量更有效(xiao)地用于CFRP的(de)(de)去(qu)除(chu)，有利于提(ti)高單脈沖能量的(de)(de)利用率(lv)，使得熱損傷相應(ying)的(de)(de)減小(xiao)(xiao)，從(cong)而(er)熱影響區減小(xiao)(xiao)。然(ran)而(er)，當功(gong)率(lv)過高時，去(qu)除(chu)材料(liao)后(hou)剩(sheng)余的(de)(de)能量也越多，導致能量的(de)(de)積累越多，使得熱損傷相應(ying)的(de)(de)增加(jia)，從(cong)而(er)熱影響區增大。由圖 5可知，當平均(jun)功率為60W時(shi)，此時(shi)熱(re)影響(xiang)區小，約為5μm。
Figure 5. Effect of average power on heat affected zone
2.1.3 重(zhong)復頻率對熱影響(xiang)區的影響(xiang)
圖(tu) 6是平均功率為60W、掃描速率為10m/s時(shi)，重復頻(pin)率與熱(re)影響區的關系(xi)。在圖 6中，重(zhong)復頻(pin)率為0.4MHz~5MHz時(shi)熱影(ying)響(xiang)區(qu)與重復(fu)頻(pin)率(lv)幾乎成正比(bi)關系，隨著重復(fu)頻(pin)率(lv)的繼續增加，熱影(ying)響(xiang)區(qu)增大并趨于(yu)平(ping)穩。主要是因為(wei)在平(ping)均功率(lv)、掃(sao)描(miao)速率(lv)不變(bian)時(shi)，隨著頻(pin)率(lv)增加，單脈沖能(neng)量減(jian)少，達到燒蝕閾(yu)值的能(neng)量也減(jian)少，所以(yi)脈沖能(neng)量用于(yu)CFRP的(de)去除效率更低，使得熱損傷(shang)(shang)增大；另外，隨著(zhu)頻率的(de)增加(jia)，相鄰脈沖的(de)時(shi)間越(yue)短，積(ji)累的(de)熱量也(ye)越(yue)多，使得熱損傷(shang)(shang)相應的(de)增加(jia)，從而熱影響區增大。
Figure 6. Effect of repetition rate on heat affected zone
2.1.4 掃(sao)描速率對熱影(ying)響區的影(ying)響
圖 7是在平均(jun)功(gong)率(lv)為60W、重復頻率為0.4MHz時，掃描速度與熱(re)影(ying)響區的(de)關系。為(wei)了更(geng)好地比較掃描速率對(dui)CFRP熱影響(xiang)區的(de)(de)影響(xiang)，實驗通過設置不同(tong)掃描速率下(xia)掃描次數與速率成(cheng)正比(bi)來保證相同(tong)的(de)(de)能量輸入(ru)。由圖 7可知，隨著掃描(miao)速率的(de)增大，熱影響區減小，當(dang)掃描(miao)速率大于10m/s時，隨(sui)著(zhu)掃描速率的繼續增(zeng)大，熱(re)影響(xiang)區保持(chi)在20μm左(zuo)右。這主要是因(yin)為(wei)在掃描速(su)(su)率(lv)較低時，單(dan)位時間內獲得的能(neng)量(liang)(liang)大(da)，在掃描過程中累積熱(re)(re)(re)量(liang)(liang)多，導致嚴重的熱(re)(re)(re)損傷，表(biao)現出熱(re)(re)(re)影(ying)響區；而當掃描速(su)(su)率(lv)過大(da)時，單(dan)位時間內獲得的能(neng)量(liang)(liang)小，能(neng)量(liang)(liang)對碳(tan)纖維(wei)材(cai)料去除效率(lv)低，使得熱(re)(re)(re)損傷增大(da)，導致熱(re)(re)(re)影(ying)響區略有增大(da)。由(you)圖 7可知，當(dang)掃描速率為10m/s時，此時熱影響區小。
Figure 7. Effect of scanning speed on heat affected zone
基于以上(shang)優化的(de)工藝(yi)參(can)量，在激光功(gong)率為60W、重(zhong)復頻率為(wei)0.4MHz、掃描(miao)速(su)率(lv)為10m/s時(shi)，CFRP邊緣(yuan)表面的(de)形貌(mao)如圖 8所示(shi)。由圖可(ke)以看出，邊(bian)緣表(biao)面熱影響區非常小。
Figure 8. Microscopy of the edge of CFRP
2.2 循環(huan)掃描次數對材料(liao)去除的影響
為(wei)了得到合適(shi)掃描深(shen)度(du)，探究了循環掃描次數對(dui)掃描深(shen)度(du)的影響(xiang)規律，在上(shang)述實驗的基礎上(shang)選擇(ze)合適(shi)的工藝(yi)參(can)量：平均功率60W、重復頻(pin)率0.4MHz、掃描速率10m/s，選取循環掃(sao)描次(ci)數分別為3, 5, 10, 20, 50, 100進行(xing)實驗，通(tong)過超景深(shen)3維顯微(wei)鏡(jing)來測量其(qi)掃描深度(du)和(he)寬度(du)。圖 9為(wei)掃(sao)描次數為(wei)20時切縫微觀形貌(mao)的分層設色(se)(se)(se)圖。圖中顏色(se)(se)(se)由灰(hui)色(se)(se)(se)向黑色(se)(se)(se)過(guo)渡(du)表(biao)示掃(sao)(sao)描(miao)深(shen)度(du)的增加(jia)，黑色(se)(se)(se)表(biao)示掃(sao)(sao)描(miao)深(shen)度(du)較大，由圖可以看出，此(ci)時掃(sao)(sao)描(miao)寬度(du)為50μm左右，深度(du)約為40μm。
Figure 9. Microscopy of groove after laser ablating
圖 10為掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)對掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)深(shen)度(du)(du)(du)及熱(re)影(ying)響(xiang)區(qu)(qu)的(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)規律(lv)，由(you)圖(tu)可(ke)以看出(chu)，掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)深(shen)度(du)(du)(du)隨著掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)呈非線性(xing)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)，當掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)較少時(shi)(shi)，掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)深(shen)度(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)得(de)快，當掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)較多時(shi)(shi)，掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)深(shen)度(du)(du)(du)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)得(de)慢。這(zhe)主(zhu)要是因為隨著掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)和切縫(feng)深(shen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)，進入切縫(feng)內材料(liao)(liao)表面的(de)(de)(de)激(ji)光能(neng)量越少，同時(shi)(shi)，隨著切縫(feng)深(shen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)氣(qi)化的(de)(de)(de)材料(liao)(liao)更難從切縫(feng)中(zhong)飛濺出(chu)來(lai)，導致(zhi)掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)深(shen)度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)速度(du)(du)(du)明顯(xian)減緩。熱(re)影(ying)響(xiang)區(qu)(qu)隨著掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)有明顯(xian)的(de)(de)(de)減小，主(zhu)要是因為隨著掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)的(de)(de)(de)增(zeng)(zeng)加(jia)(jia)(jia)(jia)，激(ji)光能(neng)量反(fan)復(fu)作用于(yu)切縫(feng)兩側的(de)(de)(de)材料(liao)(liao)，之前(qian)熱(re)影(ying)響(xiang)區(qu)(qu)中(zhong)的(de)(de)(de)材料(liao)(liao)被進一(yi)步氣(qi)化去除(chu)掉，導致(zhi)熱(re)影(ying)響(xiang)區(qu)(qu)明顯(xian)減小。由(you)圖(tu)可(ke)以得(de)出(chu)，在重復(fu)掃(sao)描(miao)(miao)(miao)(miao)(miao)次(ci)數(shu)為20時，熱(re)影響(xiang)區僅為(wei)10μm，材料去除深(shen)度為40μm左右，既可以得(de)到(dao)較(jiao)好(hao)的(de)邊緣質量(liang)也(ye)能(neng)得(de)到(dao)較(jiao)高的(de)去除效率(lv)。
Figure 10. ; Relationship among groove depth, heat affected zone and the number of repeat
2.3 切割實(shi)驗
基(ji)于以上工藝(yi)參量的研究，對1.5mm厚的CFRP進(jin)行切割實(shi)驗。優化后(hou)的激(ji)光參量如下：平均(jun)功率為(wei)60W、重復頻率(lv)為(wei)0.4MHz、掃描速率為10m/s。每條軌(gui)跡重(zhong)復掃描20次，軌跡重復掃(sao)描完以后，動態聚焦系統將激光焦點(dian)往下調整40μm，相鄰軌跡間距(ju)Δd=30μm，掃描(miao)10條(tiao)平行軌跡，實現CFRP切割，最終得到切縫表(biao)面寬為350μm。
圖 11a和圖 12a分(fen)別是(shi)在優化工藝參量(liang)下對1.5mm厚碳纖(xian)維板進行(xing)直線、圓孔切(qie)割的實驗結果；圖(tu) 11b和圖 12b分別(bie)是(shi)對(dui)切割(ge)后直線、圓(yuan)孔邊緣放大圖(tu)。從圖(tu) 11和(he)圖(tu) 12可以看(kan)出，切(qie)縫(feng)邊(bian)緣表(biao)面沒(mei)有(you)纖維拔出現(xian)象(xiang)，也沒(mei)有(you)明(ming)顯(xian)的熱(re)影響(xiang)區，得到(dao)較好的切(qie)割質量。
Figure 11. a—line cut in 1.5mm thick CFRP sample b—microscopy of the line cutting edge
Figure 12. a—circle cut in 1.5mm thick CFRP sample b—microscopy of the circle cutting edge
為了進一步探究切割質量，對(dui)切割后的切縫截面進行放(fang)大觀(guan)察，如圖 13所示。從圖 13a可以看出，切(qie)(qie)縫表(biao)面(mian)沒有(you)纖維拔出現象及明(ming)顯的熱(re)影響區，但(dan)是切(qie)(qie)縫表(biao)面(mian)略有(you)不平整，這(zhe)是因(yin)為激光能量(liang)在(zai)空間上服從高斯分布，同時在(zai)重復頻率比較低(di)且掃描速率較快的工藝參(can)量(liang)下(xia)切(qie)(qie)割，使得切(qie)(qie)縫表(biao)面(mian)不平整。從圖(tu) 13b可以看出，切(qie)縫有一(yi)定的錐角(jiao)，這(zhe)是(shi)因為即使掃描過程中采用了(le)動態聚焦系統，掃描靠近切(qie)縫兩側的軌跡(ji)時，激光遮蔽效(xiao)應仍無法避免(mian)，導致(zhi)進(jin)入下表面的激光能量少，對材料(liao)的去(qu)除效(xiao)果差，形成了(le)上表面寬(kuan)下表面窄的切(qie)縫，從而切(qie)縫產(chan)生錐角(jiao)。
Figure 13. a—cut surface of the cutting edge b—cross section of the cutting edge
3. 結(jie)論
(1) 皮秒激光切割CFRP時(shi)，當切(qie)割(ge)方向(xiang)(xiang)與表層(ceng)纖維排布方向(xiang)(xiang)垂直(zhi)時(shi)，切(qie)縫兩側熱損傷(shang)嚴重(zhong)；當切(qie)割(ge)方向(xiang)(xiang)與表層(ceng)纖維排布方向(xiang)(xiang)一致時(shi)，切(qie)縫兩側無(wu)明顯熱影響(xiang)區。
(2) 隨著平均功(gong)率的增加，熱影(ying)響區逐漸減小，平均功(gong)率為60W時，熱影響區小(xiao)，隨著(zhu)平均功(gong)率的繼(ji)續增加，熱影響區逐漸增大(da)，最(zui)后趨于穩定；重復(fu)頻率為0.4MHz時，熱影響(xiang)(xiang)區(qu)小(xiao)，熱影響(xiang)(xiang)區(qu)隨著(zhu)重復頻率(lv)的(de)增(zeng)加而增(zeng)大；熱影響(xiang)(xiang)區(qu)隨著(zhu)掃描速率(lv)的(de)增(zeng)大逐(zhu)漸減小(xiao)，當掃描速率(lv)為10m/s時，熱影響區(qu)達到低值，隨著掃描(miao)速率的繼續增大，熱影響區(qu)保持(chi)在(zai)20μm左右；優化后的工藝參量(liang)為平均功率60W、重復頻率(lv)0.4MHz、掃描速率10m/s，平(ping)行軌跡間(jian)距Δd取(qu)30μm，循環掃描次數為(wei)20，動(dong)態聚焦豎(shu)直位移為40μm。
(3) 掃(sao)(sao)(sao)描深度隨著掃(sao)(sao)(sao)描次(ci)數的(de)(de)增(zeng)(zeng)加呈非線(xian)性增(zeng)(zeng)加，而隨著掃(sao)(sao)(sao)描次(ci)數的(de)(de)增(zeng)(zeng)加熱(re)影響區有(you)一定的(de)(de)減小，當(dang)重復掃(sao)(sao)(sao)描20次時，可(ke)以保證熱(re)影響區較小的同時有較高去除效率。
(4) 在優化的切割工藝(yi)參(can)量基礎(chu)上(shang)，實(shi)現1.5mm厚碳纖(xian)維(wei)復合材料板高質量、高效(xiao)率切割。
注明(ming) 文章出處：激光(guang)技術(shu)網 //www.jgjs.net.cn/cn/article/doi/10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2017.06.011
