圖1、掃描式電子顯微鏡（SEM）下的光纖激光切割表面，顯示出輕微的表面熱損害。圖2、使用光纖激光器切割的纖維，可以看出沒(méi)有熱損害。

  

      碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）由束縛在聚合樹(shù)脂里的碳纖維或玻璃纖維基底組成，從而帶來(lái)許多滿足需要的特性，最顯著的就是高強(qiáng)度重量比，還有高硬度、低熱膨脹系數(shù)以及優(yōu)異的耐腐蝕性。使用較輕的FRP材料來(lái)制造飛機(jī)，每年能夠在飛行上節(jié)省幾百萬(wàn)美元的燃料成本。舉例來(lái)說(shuō)，波音787“夢(mèng)想客機(jī)”在使用壽命期間節(jié)省的飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)用約為3000萬(wàn)至4000萬(wàn)美元之間。FRP材料的優(yōu)點(diǎn)有很多，但眾所周知的是這種材料非常難加工。傳統(tǒng)的加工方法，比如機(jī)械銑削和鉆孔，會(huì)引起破片、熱損害、分層、纖維拔出以及對(duì)工具的嚴(yán)重磨損。近來(lái)，人們研究使用水注切割，但還是會(huì)引起纖維分層以及其他的實(shí)用性限制。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)加工起始的地方不是在材料的邊緣時(shí)，就需要鉆一個(gè)導(dǎo)向鉆孔。作為一種非接觸式的材料移除工藝，激光加工能夠提供解決上述問(wèn)題的方案。然而，一直以來(lái)，在這種應(yīng)用中，激光和材料之間的相互作用尚沒(méi)有得到廣泛理解。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，JK Lasers公司聯(lián)合英國(guó)利物浦約翰摩爾大學(xué)（John Moores University）一起開(kāi)展了研究。

      為了讓研究人員更加了解激光和材料之間的相互作用，在研究中使用了兩種光束特性不同的激光源來(lái)加工。使用帶有鉆孔噴嘴的Nd:YAG激光器JK300D（以光纖傳輸，具有高峰值功率）來(lái)進(jìn)行沖擊鉆孔試驗(yàn)。使用帶有切割噴嘴的200瓦單模光纖激光器JK200FL進(jìn)行切割試驗(yàn)。使用配有掃描頭的JK200FL進(jìn)行穿孔和銑削試驗(yàn)。

 

圖3、機(jī)械切割（左圖，放大500倍）和光纖激光器切割（右圖，放大1200倍）的邊緣切割質(zhì)量比較。

 

       影響FRP加工的主要因素在于碳纖維或玻璃纖維與聚合物基底相比，特性差異極大。汽化纖維要求的激光功率要比汽化聚合物的高很多。

當(dāng)處理CFRP時(shí)，物件的反應(yīng)差異是最明顯的。汽化聚合物僅僅要求少量的熱能，而碳纖維的導(dǎo)熱能力非常好，這也意味著在切割纖維前，大量的能量已經(jīng)被傳導(dǎo)走了。因此，對(duì)于高品質(zhì)激光加工來(lái)說(shuō)，必須特別注意管理材料的熱量輸入。在用Nd:YAG激光器進(jìn)行沖擊鉆孔的過(guò)程中，使用了兩種不同的輔助氣體：氮?dú)夂投趸?。結(jié)果顯示，使用的輔助氣體對(duì)孔的質(zhì)量有較大的影響。當(dāng)使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體時(shí)，樣本表面上留下了聚合物基底熱分解后的薄層。而使用二氧化碳作為輔助氣體時(shí)，處理后FRP的表面質(zhì)量要提高許多。出現(xiàn)這樣的結(jié)果是由于二氧化碳的冷卻質(zhì)量要好一些。當(dāng)使用光纖激光器對(duì)FRP材料進(jìn)行切割時(shí)，帶來(lái)的熱損害很少。這是因?yàn)榧す馄鞯墓獍叱叽绾苄?。圖1和2顯示的是光纖激光器切割表面和帶來(lái)熱損害的SEM圖像。從圖像上可以清楚地看到熱損害被限制在復(fù)合材料的單獨(dú)一層上。

                                                          
                                                          

 

       與在切割試驗(yàn)中取得的結(jié)果類(lèi)似，激光銑削試驗(yàn)結(jié)果顯示，光纖激光器的小光斑尺寸對(duì)銑削應(yīng)用非常有利。激光處理后的纖維并沒(méi)有熱損害的痕跡，SEM高倍放大后可看到基底材料只有輕微的熔化痕跡（圖4和圖5）。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了使用光纖激光器對(duì)航空和航天復(fù)合材料進(jìn)行銑削的可能性。

同樣還是使用光纖激光器JK200FL在FRP復(fù)合材料上環(huán)鉆2毫米直徑的孔。切割試驗(yàn)表明，對(duì)于厚度超過(guò)1毫米的復(fù)合材料來(lái)說(shuō)，試圖像處理金屬一樣來(lái)處理復(fù)合材料，其切割結(jié)果并不讓人滿意。因此需要稍大的切口使得材料能夠脫離，不讓基底粘附在新的切割面上。這種設(shè)計(jì)的策略稱為激光螺旋狀鉆孔。圖6、使用光纖激光器加工的激光螺旋狀鉆孔與使用Nd:YAG激光器鉆出的孔相比，激光螺旋狀鉆孔的熱損害要少一些，表面的邊緣質(zhì)量看上去好一些。頂部表面的回?zé)恐挥袔资⒚?。光纖激光器鉆孔試驗(yàn)的結(jié)果顯示，配有掃描頭的激光加工中，其加工速度與孔的開(kāi)放式幾何結(jié)構(gòu)相配合，能夠減少FRP復(fù)合材料表面基底材料的損害。圖6顯示的是經(jīng)過(guò)激光螺旋狀鉆孔后的GFRP復(fù)合材料的圖像。

 

       使用光纖傳輸?shù)母叻逯倒β实腘d:YAG激光器和200瓦單模光纖激光器的試驗(yàn)結(jié)果表明，激光器能夠提供傳統(tǒng)技術(shù)手段無(wú)法提供的加工質(zhì)量。熱管理是加工FRP復(fù)合材料的關(guān)鍵。通過(guò)使用如二氧化碳這樣的輔助氣體，能夠極大減少激光光束引起的損害。使用光纖激光器的試驗(yàn)表明，小光斑尺寸以及隨之帶來(lái)的精細(xì)定向熱輸入對(duì)于加工FRP復(fù)合材料非常有利。擁有高光束質(zhì)量、小光斑尺寸以及可選掃描系統(tǒng)的光纖激光器被證明非常適用于加工這些材料。試驗(yàn)結(jié)果還表明，激光螺旋狀鉆孔在今后的航空航天及汽車(chē)領(lǐng)域激光加工應(yīng)用中將扮演重要的角色。