开发碳纤维增强塑料激光工艺（下）

（承接2025年3月刊 P27）
2.3扫描和聚焦参数
热影响区的形成也深受激光加工工艺参数的影响。通过调整激光设置可以获得较小的热影响区。然而，不合适的激光参数会使热影响区成倍扩大。为了提高CFRP组件的加工质量，调整激光加工参数至关重要。

Oh等人通过2kW光纤激光器切割CFRP的实验，提出了影响切割质量的因素，并对激光加工切割质量进行了描述，如图8A所示。实验证实，扫描速度是影响热损伤的主导因素，提高切割速度可以减少热损伤。Takahashi等人对使用红外纳秒激光切割CFRP进行了实验研究。实验利用扫描振荡器来调整加工位置。据称，提高特定的扫描间距可以减少蒸汽屏蔽效应，从而大幅提高加工速度，改善加工质量。

CFRP中使用的各种碳纤维铺层，以及激光加工过程中使用的各种扫描方向都会对激光加工产生很大影响。纤维铺设和激光扫描方向如图8B所示。当激光扫描方向与表面纤维铺设方向垂直时，HAZ面积最大；当扫描方向与表面纤维铺设方向同步时，HAZ面积最小。

在激光切割具有不同排列方式的双层CFRP板材时，切割由90°或45°与0°方向组成的双层CFRP可获得更好的切割质量。纤维的方向对碳纤维复合材料层压板的损坏方式有很大影响。激光扫描路径规划可将角度保持在45°，有助于确保加工质量和提高效率。

 

图8：激光加工参数对CFRP加工的影响示意图：（A）加工参数对CFRP的影响；（B）不同扫描方向示意图；（C）扫描速度与重复频率关系图；（D）激光加工的不同离焦情况

以下激光加工CFRP的参数对热影响区的影响最大：激光功率、扫描速度、重复频率、散焦等。激光功率过大会导致被加工材料过度燃烧，而激光功率过低会导致材料无法穿透，需要重复加工。影响加工效率，导致热量过度积累，使热影响区扩大。

在激光加工中，扫描速度决定了激光与材料相互作用的时间。扫描速度过快时，激光束作用在材料上的时间短，热传导和热扩散不充分，被加工材料因输入的热量不足而无法切割。脉冲激光在较高重复频率和较慢扫描速度下表现为连续脉冲，会造成材料过度烧蚀，导致热影响区区域过大，降低切割质量。扫描过程参数之间的关系如图8C所示。

为了获得更好的加工效果，汇聚在工件表面的激光束被聚焦成一点，刚好落在待加工材料的表面上，从而获得出色的加工效果。此时功率密度最高。正散焦时，激光的焦平面位于被加工工件的表面上方；反之，负散焦时，激光的焦平面位于被加工工件的下方。如图8D所示，不同的焦距情况会导致能量扩散，并降低正散焦和负散焦的加工质量。

激光与CFRP相互作用时，热损伤不可避免。选择合适的工艺参数，可以控制激光与材料的接触时间和照射到材料上的能量，从而实现CFRP的低损伤加工。然而，激光加工过程中的每个参数并不是简单的组合。由于光斑直径、材料厚度、材料特性和激光类型的不同，需要考虑各参数之间的关系，以获得最佳加工效果。

2.4激光扫描路径
激光的热效应很容易在材料上产生热影响区，但材料在深度方向上的去除很难控制。加工深度直径比过大，或扫描方式选择不当，容易造成材料去除不均匀，降低加工精度。如果仅仅依靠激光气化烧蚀，材料去除效率也很低。因此，一些研究人员对激光加工工艺进行了优化，不仅减少了热影响区，还提高了加工深度和效率。

Li等人提出了一种同轴环形孔制作程序。首先，对轮廓进行切片，然后逐渐向内切出越来越小的圆。激光束运动轨迹由一系列同心圆组成，同心圆之间的距离一般设定为聚焦点直径，这有利于完全去除目标区域的材料。加工后的环形路径有足够的冷却时间，从而减少了热影响区产生。

Li等人研究了基于多通道方法的扫描模式，包括同心扫描模式和螺旋扫描模式，如图9A所示。研究发现，螺旋扫描模式能显著减少热损伤。热影响区的直径从127.3μm下降到84.76 μm。同年，他们又提出了一种交错扫描加工模式，这种模式有利于在钻孔过程中更好地去除材料，及时排出断裂的纤维和蒸汽，降低前沿基体材料的热分解程度和相邻轨迹的热累积效应。

结果，HAZ的平均宽度总体上减少了25.85%，在相同参数下，孔的锥度也减少了51.45%。Tao等人根据同轴环的制孔方法提出了改进建议，图9B是同轴环的制孔程序，他们提出了针对厚CFRP板的双束激光制孔程序。如图9C所示，两束位于相反位置的脉冲激光束被用来同时在CFRP上切割孔洞。激光束的扫描路径为同轴环形。

 

图9：提高激光加工质量和效率的各种扫描技术：（A）两种截然不同的扫描路径和激光钻孔过程示意图；（B）脉冲激光同轴-跨距钻孔技术示意图；（C）光束反位错激光钻孔过程示意图；（D）皮秒激光“双旋转”切割法；（E）扫描模式示意图；（F）实验中用于确定最大可能切割深度的方法

在这种工艺中，单次激光的有效去除深度大大增加，从而极大提高了加工效率。同时，该工艺还能解决因深度增加而导致的激光束受阻，从而造成加工效率低和热影响区损伤大的问题。Zhu等人开发了一种新型阶梯参数平行环激光钻孔技术，激光束从外环开始向内环钻孔。这种方法增加了内环的能量输入，从而能更快地去除材料，而外环较低的能量输入则提供了一个屏蔽沟槽，以减少母体材料的热量损失。在这一程序的帮助下，质量和生产率提高了300%以上，能耗降低了78.10%，二氧化碳排放量减少了25%以上。

Fornaroli等人提出了激光束围绕目标孔中心做圆周运动，同时光束轴围绕自身中心旋转。激光束的圆周路径旋转与光束的内部旋转同步，并螺旋进入加工过程。通过激光脉冲对目标孔材料的反复研磨，形成通孔。大大改善了HAZ和孔锥度。在Ouyang等人的研究中，使用皮秒激光以“双旋转”切割技术加工CFRP，如图9D所示。

与机械加工相比，加工后CFRP样品的机械性能（如抗拉强度和疲劳参数）得到了提高。此外，钻孔精度、锥度和热影响区，都得到了很好的控制。Ye等人研究了不同切割技术对CFRP制孔精度的影响。如图9E所示，与平行切削和横切技术相比，激光旋转切削加工出的孔质量最高。Herzog等人建议采用平行通道来拓宽切口，如图9F所示。通过将激光聚焦到切口边缘，CFRP的切口厚度可达13mm。

 

3.新型激光加工方法

研究人员提出了缩小加工热影响区的措施，包括通过周围环境的对流冷却加工区域、降低发生热损伤的温度以及提高加工效率。这些措施包括，利用气流带走部分热量和等离子气体来提高加工效率和切割深度，以及利用水的冲刷和冷却效果来降低热损伤。

3.1气体辅助激光加工
气体辅助激光加工，不同的气体类型、气压、光气同轴或侧轴辅助会带来不同的加工效果。Zhang等人对亚音速气流和无气流环境下碳纤维复合材料的激光辐照损伤，进行了对比试验。试验结果表明，切向气流辅助时，加工区域有一定的冷却效果。随着压力的增加，气体流量增大，可以带走更多的热量进行冷却，减少热影响区。

Riveiro等人研究了用3.5kW 二氧化碳激光对不同气压下的氩气进行辅助激光切割实验。实验表明，通过同轴亚音速喷嘴和同轴超音速喷嘴喷射的气体能更好地吹走热量，从而减少热影响区。形态如图10A所示。Yuki等人使用氮气、氩气和氧气作为辅助气体，在相同的平均功率和扫描速度下研究激光加工，结果如图10B所示。

由于氮气的比热容是氩气的两倍，因此可以吸收更多的热量并抑制热影响区。氮气和氩气作为辅助气体可以消除碳纤维端面的膨胀。在氧气的帮助下，切割深度可以达到最大，从而解决了因激光能量较低而难以去除材料深层的问题。

Negarestani等人使用纳秒Nd:YAG激光器加工CFRP，并分别使用纯氮、纯氧和氮氧混合物作为加工的辅助气体。三种气体辅助模式下的切割形貌如图10C所示。在氮氧混合气的辅助下，底部纤维的拔出率分别提高了47%和59%。同时，惰性氮气可以快速冷却加工区域，将热损伤降至最低，而活性氧气则可以提高材料去除率，并通过放热反应加速复合材料的分解。

 

图10：不同辅助气体对激光加工CFRP的影响：（A）两种不同的喷嘴加工；（B）不同气体加工CFRP样品过程的截面图；（C）不同含量气体加工的效果；（D）不同气体加工

对于碳纤维增强塑料的激光切割，Qin等人采用了三种气体辅助技术：同轴氮气、同轴氧气和同轴氧气近轴向氮气复合气体辅助。氮氧混合气的蚀刻深度最大，可达1000μm，氮气冷却效果更好。双气流进一步改善了对熔体的吹气影响，使混合气体具有冷却和增强蚀刻的优点。图10D显示了三种不同气体的加工效果。

 

图11：液体辅助激光加工CFRP的形态示意图：（A）干式激光切割与水射流辅助激光切割的视觉效果对比；（B）水射流辅助激光的光形貌；（C）干式激光加工与水引导加工；（D）三种辅助加工模式的形态

实验表明，氧气通过放热反应增强了复合材料的分解过程，提高了材料去除率，解决了深层材料激光能量降低导致的材料去除困难问题。惰性气体对碳纤维复合材料的热影响区，有一定的抑制作用。因此，使用氮氧复合材料可获得最佳的加工效果。

3.2液体复合辅助处理
Hua等人使用500W毫秒脉冲Nd:YAG激光器加工碳纤维复合材料。研究发现，激光切割的热损伤大大降低，水下切割时的热影响区和纤维脉动也有所减少。Tangwarodomnukun等人比较分析了在空气、静水和流水中激光加工CFRP时热影响区的宽度。结果发现，在静水和流水中加工所产生的热影响区，都能显著减小。

Wang等人使用水引导激光加工CFRP。研究结果表明，使用水导激光加工的CFRP切割面干净平整。此外，如图11A所示，几乎没有熔融杂质附着在切割表面和沟槽上。此外，表面热影响区、材料分层现象和纤维膨胀都得到了改善。

Zhang等人利用准轴向水射流的冷却效果，限制了激光加工过程中产生的多余热量的扩散。从图11B的形态可以看出，热影响区越小，流经系统的水就越多。水刀辅助不仅能实现及时散热，还能提高碳纤维的切割面加工质量，减少碳化现象。

Sun等人利用水引导激光切割碳纤维复合材料。在水引导激光加工过程中，可以大大减少热影响区，提高加工质量。图12A显示了水导激光加工的原理。同年，他们对碳纤维复合材料的传统激光加工和水导激光加工进行了比较。如图11C所示，传统激光加工中热影响区的平均尺寸为37μm，而水导激光切割对切割面基材几乎没有明显损伤，但切割速度较慢，只有传统激光加工的1/2。

对于水导激光器，Wang等人的研究表明，水对光的吸收系数会随着波长的衰减而下降。他们强调，喷嘴结构对喷射流参数（包括喷射压力、流速和速度）有重大影响，并决定是否能形成稳定的“减流”水射流。此外，对耦合的检查显示有三种不同类型的耦合：端面耦合、远场耦合和近场耦合，如图12B所示。

根据Liu等人对图12C所示的水导激光烧蚀循环的总结，切割精度随着水流直径的减小而提高，同时水流的稳定变得更具挑战性。在钻深孔时，孔内会积水；这种水湍流和孔内残留的材料会影响激光的传播。同时，水中激光束能量的高功率密度，也会影响深孔的加工速度。

Zhang等人在对激光辅助加工的碳纤维复合材料进行比较研究时，比较了三种可供选择的冷却技术：水、气体和水气复合技术。水气复合辅助激光加工，吹走了激光照射区域的水，大大减少了水对激光传输的干扰，使激光对材料的照射更加集中，而气体对水的冲击会使水变成更小的液滴，甚至造成雾化，使水更容易吸热相变和汽化，再结合氮气冷却，进一步减少了加工过程中产生的余热。

 

图12：液体辅助激光加工CFRP的方法和水导激光加工CFRP的技术原理：（A）水导激光切割CFRP的示意图；（B）水射流与光相结合的几种方法；（C）典型的水导激光烧蚀循环；（D）水薄膜辅助激光加工方法流程图

图11D是几种处理方案的示意图。为了帮助激光器处理CFRP的低温损伤，同年，研究小组在管壁上使用了喷雾冲击，以形成一层薄薄的流动水膜。如图12D所示，利用氮气和氧气的混合物帮助虹吸喷嘴产生基于氧气氧化过程的喷雾，以提高CFRP的蚀刻效率。此外，研究还发现，在氧气浓度为30%和冷热相对平衡的情况下，可以获得较高的加工质量。

总之，水射流辅助加工可以冷却材料表面，以及周围区域由激光脉冲形成的切口边缘。因此，这种方式减少了热影响区和热残余应力，防止了材料内部的热损伤。水导激光加工可实现高精度和高质量的烧蚀和切割边缘。与干式激光切割相比，液态激光切割中使用的任何辅助气流的动能都要高得多。水射流能更有效地排出熔融材料，烧蚀产物与水结合，大大减少向大气中释放有害物质。但这种激光能量损失相对较大，加工效率较低。

3.3激光复合材料加工方法
激光与材料相互作用的物理过程非常复杂，单一传统激光束的加工方法难以解决切割厚度小、加工效率低的问题。CFRP基体容易吸水脱水，在航空产品加工领域一般禁止涉水加工。为了提高传统干法激光加工的质量和效率，提出了一种新的加工方法。

Furst等人使用由波长为10.6μm的二氧化碳激光器和波长为10.6μm的光纤激光器组成的功率为1kW激光器切割碳纤维复合材料，其中二氧化碳激光器占总功率的25%，光纤激光器占75%。实验原理如图13A所示。这样，切割质量和切割深度都得到了提高。

Jia等人针对CFRP材料加工中存在的问题，提出了激光与机械相结合的加工方法。首先，使用高功率激光进行粗加工，去除大量材料余量。然后，利用机械加工去除这部分材料，以提高最终部件的加工质量和尺寸精度。

在此基础上，Chen等人提出了一种10.0毫米厚CFRP板材的光纤-激光-数控协同铣削加工方法，将高效率、材料去除率高、表面质量好、切削速度快等优点集成于大功率激光切割工艺中，提高了加工质量和速度。

 

图13：激光加工新工艺示意图：（A）双波长组合激光器示意图；（B）两步激光表面处理CFRP 层压板示意图；（C）电磁场辅助激光沟槽加工装置示意图；（D）超声波和激光工艺示意图

如图13D所示，Xie等人采用了两步激光表面处理法来改善CFRP层压材料单环粘接接头的性能。第一步，通过最佳的激光蚀刻工艺将树脂从层压板的外表面完全去除；这样就得到了整齐的碳纤维织物。第二步，进一步辐照裸露的碳纤维织物，在其表面形成一系列小凹槽。

Hu等人提出了一种用于材料沟槽成形的电磁复合场辅助激光去除技术。与激光打孔、激光切割等传统激光材料去除方法相比，该方法能够高效、连续地完成盲槽的加工，实验装置如图13C所示。在机械手的控制下，高能激光束照射到工件材料表面，照射区域成为熔融状态。

外部稳态磁场和电场会产生一个定向的洛伦兹力。当洛伦兹力大于熔融区材料的重力和表面张力之和时，熔融区的熔融材料将通过凹槽上部排出。从而达到电磁复合场辅助激光材料去除和沟槽成形的效果。

如图13B所示，Wang等人通过结合激光和超声波振动来加工CFRP。首先，激光烧蚀去除树脂，露出纤维并在表面形成有序的凹槽。随后，在粘合过程中对CFRP层压材料进行超声波振动，以促进粘合剂渗透到微尺度的沟槽结构中。这样，CFRP的剪切强度提高了340%。

Zhou等人提出了一种在乙醇溶液中进行超声振动辅助激光加工的方法，以减少空化气泡对加工的不利影响。HAZ和蚀刻深度分别减少了57%和25%。超声波振动使空化泡爆炸，减少了空化泡对激光的干扰，机械侵蚀效果增强，蚀刻深度增加了119%。超声波振动增强了烧蚀区域的冷却效果，HAZ减少了57%。

3.4激光表面清洁技术
CFRP有许多优点，但也有缺点，如抗压强度低和耐低温。在大多数应用中，CFRP需要与金属结合才能形成完整的结构。CFRP与金属接头之间的传统机械连接（如铆接和螺栓连接）会降低接头的静态强度，而激光连接技术因其低热量输入、高精度和高效率而成为近年来发展非常迅速的连接技术，是CFRP与金属连接的理想选择。

在激光连接技术中，激光有两种不同的作用方式。首先，由于环氧树脂和碳纤维的性能不同，为了保证或提高界面连接强度和耐久性，通过激光清洗的方法，实现树脂的物理清洗、增加有效连接面积和化学活化。主要连接机制为机械互锁连接。

Oliveira等人通过实验研究了飞秒激光加工对CFRP表面微/纳米结构的影响。他们介绍了选择性去除环氧树脂的方法，并使暴露在外的碳纤维具有所需的图案。此外，在碳纤维表面还产生了亚微米激光诱导的周期性表面结构，这有助于在CFRP部件之间的粘合键中提高纤维与基材的粘合力。Jiao等人建立了CFRTP-不锈钢-激光连接的数学模型，并从实验和应用探索两方面进行了研究。

 

图14：激光加工产生的横截面和表面图片：（A）（a-f）六种不同的扫描阵列；（g、h）具有界面微结构的Al-PCCFRP粘合搭接接头样品的横截面图片：方波结构和阵列3；（B）CFRP/AA2060接头的典型表面和横截面形态：（a、b）矩形光斑和（c、d）圆形光斑

通过在轻合金表面形成微纹理，改善了焊接界面的润湿性和机械相容性。Liu等人利用激光可以高效、精确地处理材料表面的微观结构，提高al-CFRP的粘接强度。图14A显示了经激光处理CFRP的微纳形貌。这些经激光处理的接头的最大剪切强度几乎是非微观搭接接头的四倍。图15A显示了激光微纳米处理CFRP的原理。

 

图15：两种不同的CFRP激光清洁原理：（A）A7075板材激光表面处理；（a）A7075板材激光表面处理示意图；（b）两种不同的微观结构示意图；（c）受力分析图；（B）CFRP与AZ31 Mg合金之间的LAMP连接机理示意图；（a）CFRP与接收状态的AZ31 Mg合金；（b）CFRP与热氧化的AZ31 Mg合金

使用脉冲Yb:YAG光纤激光器对CFRP表面进行预处理。研究发现，经过激光处理后，表面接触角明显减小，表面自由能增加，表面活性提高，处理后的粘接强度增加了一倍。Li等人使用皮秒激光和准分子紫外激光处理CFRP表面。通过增加表面粗糙度和引入官能团，提高了 CFRP与铝合金之间的粘接强度。

经皮秒红外激光处理的材料的剪切强度提高了346.4%，而经紫外激光处理的材料的剪切强度提高了293.8%。因此，皮秒激光具有更高的加工效率，更适用于粘合剂表面处理。此外，有限元分析表明，表面粗糙度造成的机械互锁仅使粘接强度提高了4%，因此化学粘接在粘接过程中起主导作用。

其次，将激光能量直接用于复合材料与其他材料的连接，在粘接或焊接前对纤维复合材料的接合处进行激光清洗等表面处理，以提高接合强度。金属材料和树脂材料的性能差别很大，直接加工金属和CFRP不会形成明显的中间过渡层。但在热作用下会形成稳定的化学键和化合物，通常金属元素M与CFRP的O、C元素反应形成化学键，生成MGCO3、MgO1+x等化合物。

图15B显示了激光与金属之间的连接机制。在钛合金和CFRP的结合界面上会形成Al-O-C和 Ti-O-C等化学键，最终生成TiO2、TiO和TiC 等复杂化合物。图14B显示了经激光处理的 CFRP/AA2060接头的表面形态和切割形态。这些化合物的形成对提高接头的机械性能起着非常重要的作用。

利用激光进行CFRP材料表面处理（如清洗、编织和其他表面处理）以及激光焊接和胶合，已成为新的研究领域。一些国家已经在该领域取得了重大进展。在激光清洗方面，美国和德国等少数国家已经实现了纤维复合材料产品的激光清洗应用。在复合材料表面，如F16战斗机的平尾、美国海军H-53和H-56直升机的螺旋桨叶片等，都已经采用了激光除漆技术。在工艺应用方面，德国采用激光连接加工方法加工宝马7系车型，证明了激光连接在新型轻量化产品中的可行性。

 

未来展望

激光加工具有快速、非接触、高精度、灵活、高效等优点，目前已广泛应用于CFRP加工领域。为进一步减少加工过程中的热影响区和切口宽度，完成CFRP的低损伤、高精度、高质量和工业化加工，可重点开展以下几个方面的研究。
 开发高精度、高效率的CFRP激光加工技术。具有超短脉冲的短波长激光可实现超精密、高质量的微结构加工。随着千瓦级高功率皮秒激光器的诞生和超快激光机制的进一步完善，超快激光加工技术除了保持现有的加工精度和质量优势外，加工效率和可加工尺度（如加工较厚的复合材料板）也有望得到显著提高。

 开发可根据加工结果随时更改参数的实时监控技术。在激光加工过程中，激光加工参数和材料参数对加工质量有很大影响。在加工过程中，受CFRP材料（如铺层角度、材料厚度等）和不同激光性能（如激光光斑直径、光束质量、重复频率等）的影响，每个参数都会发生变化。二者都会导致加工结果的巨大波动。针对这种情况，可以改进并结合人工智能技术，建立激光加工数据库。

 开发面积更大、质量更高的激光加工技术。激光加工通常以能量密度极高的高斯脉冲形式加工CFRP，因为高斯激光能量分布不均匀，部分区域激光能量密度较高。容易对材料造成严重的热损伤，因此激光在实际生产中的加工精度无法进一步提高。与高斯光束相比，平顶光束形式具有脉冲重叠率低、光场均匀等优点，因此更有利于激光在CFRP中进行微纳米加工等应用。

 开发具有高清洁度、高加工质量和高性价比的水导加工技术。由于水对激光能量的吸收率高，能量衰减快，因此需要进一步研究激光在水中的衰减规律，同时找到合适的激光与水射流耦合方法，降低水中的衰减能量，从而提高水引导激光传输效率，进一步提高加工速度。

开发更高效、更厚的加工技术。在激光复合加工CFRP方面，多能量场复合激光材料去除技术逐渐兴起。随着3D打印技术的发展，激光3D打印CFRP零件是一种新型、快速、经济的加工方法，目前已开始兴起，但仍需进一步研究。

作者：吴春婷（长春理工大学吉林省固体激光技术与应用重点实验室）等人

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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