碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究
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Key words： laser technique； picosecond laser； ultrafast laser； carbon fiber reinforced plastics； cutting technique
引言
随着能源及环境问题的日益突出，轻量化成为交 通运输领域的重要研究方向。碳纤维复合材料（ carbon fiber reinforced plastics，CFＲP） 是由碳纤维作为增 强体、树脂作为基体固化成形的先进复合材料，因其比 强度高、耐高温、抗腐蚀等特点，在航空航天、汽车等领 域作为轻量化材料被大量使用［1］。由于 CFＲP 增强体 与基体性能的差异以及 CFＲP 材料硬度高、韧性强等 特性，采用传统的机械加工方式出现如刀具易磨损、复 合材料分层、纤维破碎及加工后性能变差等问题，严重
摘要： 为了研究 100W 皮秒激光对碳纤维复合材料（ CFＲP） 切割工艺，采用单因素实验方法，进行了理论分析和实
验验证，得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律，并对 1． 5mm 厚碳纤维复合
材料板进行了切割实验。结果表明，选取平均功率为 60W、重复频率为 0． 4MHz、扫描速率为 10m / s、轨迹重复扫描 20
Ｒesearch of carbon fiber reinforced plastic cut by picosecond laser
JIANG Yi1 ，CHEN Genyu1，2 ，ZHOU Cong1，2 ，ZHANG Yan1
（1． Laser Ｒesearch Institute，Hunan University，Changsha 410082，China； 2． State Key Laboratory of Advanced Designand Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）
基 金 项 目： 国 家 科 技 重 大 专 项 课 题 资 助 项 目 （2012ZX04003101） ；湖南大学源自文库车车身先进设计制造国家重 点实验室自主研究课题资助项目（71475002）
作者简介：蒋 翼（1991-） ，男，硕士研究生，现主要从事 激光切割、微细加工技术的研究。
* 通讯联系人。E-mail：hdgychen@ 163． com 收稿日期：2017-01-10；收到修改稿日期：2017-03-01
Abstract： In order to study the process of cutting carbon fiber reinforced plastics （ CFＲP） with 100W picosecond laser， theoretical analysis and experimental verivication were carried out by vaying a single affeting factor． Effect of average power， pulse repetition rate，scanning speed and number of repeat on the heat affected zone and scanning depth were studied． A piece of 1． 5mm thick CFＲP was cut in experiments． The results show that the cutting line and circular hole with almost no heat affected zone were obtained under the conditions of average power 60W，repetition rate 0． 4MHz，scanning speed 10m / s，number of repeat 20 and upper surface width of the kerf 350μm． The study provides some reference for further academic research and industrial application of picosecond laser cutting CFＲP．
第 41 卷 第 6 期 2017 年 11 月
激光技术 LASEＲ TECHNOLOGY
Vol． 41，No． 6 November，2017
文章编号： 1001-3806（2017）06-0821-05
碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究
蒋 翼1 ，陈根余1，2* ，周 聪1，2 ，张 焱1
（1． 湖南大学 激光研究所，长沙 410082； 2． 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082）
制约 CFＲP 的应用，CFＲP 的激光加工已成为目前研究 的热点［2-3］。
由于 CFＲP 中增强体在热膨胀系数、气化温度等 热力学性能方面与基体存在相当大差异，在激光切割 中表现出热影响区（ heat affected zone，HAZ） 、纤维拔 出、复合材料分层、纤维末端膨胀等缺陷，导致激光切 割 CFＲP 面临巨大挑战［4-5］，在激光加工过程中产生的 热影响区严重影响 CFＲP 的静态强度［6］。针对 CFＲP 材料激光加工过程中的热损伤问题，国内外学者进行 了相关研究。LAU［7］等人使用 Nd ∶ YAG 激光光源与 CO2 激光光源分别对 CFＲP 进行切割实验，结果表明， 短波长的 Nd∶YAG 激光切割产生的切缝窄、热损伤小。 FENOUGHTY［8］等人比较了 Nd∶ YAG 脉冲激光与连续 激光对 CFＲP 切割的影响，实验表明，脉冲激光由于在 相邻脉冲作用时间间隔里能让材料进行冷却，相对连 续激光可 有 效 减 少 热 损 伤。 ZHANG［9］ 等 人 研 究 了 激 光辐射过程中两种纤维增强复合材料对激光的吸收特 性，得到了激光参量对材料吸收率的影响。HUA［10］等
次、切缝上表面宽为 350μm 等适当参量时，得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割 CFＲP 的进
一步研究与工业应用提供了参考。
关键词： 激光技术；皮秒激光；超短脉冲；碳纤维复合材料；切割技术
中图分类号： TG485
文献标志码： A
doi：10. 7510 / jgjs. issn. 1001-3806. 2017. 06. 011
引言
随着能源及环境问题的日益突出，轻量化成为交 通运输领域的重要研究方向。碳纤维复合材料（ carbon fiber reinforced plastics，CFＲP） 是由碳纤维作为增 强体、树脂作为基体固化成形的先进复合材料，因其比 强度高、耐高温、抗腐蚀等特点，在航空航天、汽车等领 域作为轻量化材料被大量使用［1］。由于 CFＲP 增强体 与基体性能的差异以及 CFＲP 材料硬度高、韧性强等 特性，采用传统的机械加工方式出现如刀具易磨损、复 合材料分层、纤维破碎及加工后性能变差等问题，严重
摘要： 为了研究 100W 皮秒激光对碳纤维复合材料（ CFＲP） 切割工艺，采用单因素实验方法，进行了理论分析和实
验验证，得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律，并对 1． 5mm 厚碳纤维复合
材料板进行了切割实验。结果表明，选取平均功率为 60W、重复频率为 0． 4MHz、扫描速率为 10m / s、轨迹重复扫描 20
Ｒesearch of carbon fiber reinforced plastic cut by picosecond laser
JIANG Yi1 ，CHEN Genyu1，2 ，ZHOU Cong1，2 ，ZHANG Yan1
（1． Laser Ｒesearch Institute，Hunan University，Changsha 410082，China； 2． State Key Laboratory of Advanced Designand Manufacturing for Vehicle Body，Hunan University，Changsha 410082，China）
基 金 项 目： 国 家 科 技 重 大 专 项 课 题 资 助 项 目 （2012ZX04003101） ；湖南大学源自文库车车身先进设计制造国家重 点实验室自主研究课题资助项目（71475002）
作者简介：蒋 翼（1991-） ，男，硕士研究生，现主要从事 激光切割、微细加工技术的研究。
* 通讯联系人。E-mail：hdgychen@ 163． com 收稿日期：2017-01-10；收到修改稿日期：2017-03-01
Abstract： In order to study the process of cutting carbon fiber reinforced plastics （ CFＲP） with 100W picosecond laser， theoretical analysis and experimental verivication were carried out by vaying a single affeting factor． Effect of average power， pulse repetition rate，scanning speed and number of repeat on the heat affected zone and scanning depth were studied． A piece of 1． 5mm thick CFＲP was cut in experiments． The results show that the cutting line and circular hole with almost no heat affected zone were obtained under the conditions of average power 60W，repetition rate 0． 4MHz，scanning speed 10m / s，number of repeat 20 and upper surface width of the kerf 350μm． The study provides some reference for further academic research and industrial application of picosecond laser cutting CFＲP．
第 41 卷 第 6 期 2017 年 11 月
激光技术 LASEＲ TECHNOLOGY
Vol． 41，No． 6 November，2017
文章编号： 1001-3806（2017）06-0821-05
碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究
蒋 翼1 ，陈根余1，2* ，周 聪1，2 ，张 焱1
（1． 湖南大学 激光研究所，长沙 410082； 2． 湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙 410082）
制约 CFＲP 的应用，CFＲP 的激光加工已成为目前研究 的热点［2-3］。
由于 CFＲP 中增强体在热膨胀系数、气化温度等 热力学性能方面与基体存在相当大差异，在激光切割 中表现出热影响区（ heat affected zone，HAZ） 、纤维拔 出、复合材料分层、纤维末端膨胀等缺陷，导致激光切 割 CFＲP 面临巨大挑战［4-5］，在激光加工过程中产生的 热影响区严重影响 CFＲP 的静态强度［6］。针对 CFＲP 材料激光加工过程中的热损伤问题，国内外学者进行 了相关研究。LAU［7］等人使用 Nd ∶ YAG 激光光源与 CO2 激光光源分别对 CFＲP 进行切割实验，结果表明， 短波长的 Nd∶YAG 激光切割产生的切缝窄、热损伤小。 FENOUGHTY［8］等人比较了 Nd∶ YAG 脉冲激光与连续 激光对 CFＲP 切割的影响，实验表明，脉冲激光由于在 相邻脉冲作用时间间隔里能让材料进行冷却，相对连 续激光可 有 效 减 少 热 损 伤。 ZHANG［9］ 等 人 研 究 了 激 光辐射过程中两种纤维增强复合材料对激光的吸收特 性，得到了激光参量对材料吸收率的影响。HUA［10］等
次、切缝上表面宽为 350μm 等适当参量时，得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割 CFＲP 的进
一步研究与工业应用提供了参考。
关键词： 激光技术；皮秒激光；超短脉冲；碳纤维复合材料；切割技术
中图分类号： TG485
文献标志码： A
doi：10. 7510 / jgjs. issn. 1001-3806. 2017. 06. 011