復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的大量使用，推動(dòng)了相關(guān)應(yīng)用的發(fā)展。使用復(fù)合材料能降低重量，這一點(diǎn)對(duì)航空業(yè)而言特別重要。然而，復(fù)合材料的各個(gè)構(gòu)成部分屬性往往不相同，即使是在極小的區(qū)域內(nèi)，物理屬性也很可能會(huì)顯著變化。碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）就是一個(gè)典型的例子。碳纖維能吸收所有波長，且具有極高的熱導(dǎo)率，而環(huán)氧基體的吸收性及導(dǎo)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(shí)取得了一些進(jìn)展，但是在加工這種“特殊材料”時(shí)，怎樣才能確保滿足工業(yè)應(yīng)用需要呢？這個(gè)問題到現(xiàn)在還沒有明確的答案。環(huán)氧樹脂為熱固性聚合物，不能使用傳統(tǒng)的激光焊接工藝，而且，如今的空業(yè)和交通業(yè)都希望能盡可能縮短生產(chǎn)周期，這些都驅(qū)動(dòng)著復(fù)合材料向著熱塑性方向發(fā)展。可以預(yù)見的是，伴隨著激光燒結(jié)工藝的進(jìn)一步完善，熱塑性復(fù)合材料將大有可為。在本文中，我們將對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行回顧，并分享熱塑性復(fù)合材料激光焊接工藝的研究成果。
高分子聚合物能降低構(gòu)件重量，這一點(diǎn)在整個(gè)交通業(yè)中已達(dá)成共識(shí)，比如空中客車A380，其中25%都是復(fù)合材料，在A350上這一比例更是高達(dá)50%！汽車業(yè)也一樣，生產(chǎn)商紛紛用復(fù)合材料來提高產(chǎn)量、降低成本，縮短生產(chǎn)周期。
復(fù)合材料種類多樣，但至少要有一種強(qiáng)化材料和一種基體材料。基體材料用于包覆、支撐并固定強(qiáng)化材料的相對(duì)位置。復(fù)合材料的力學(xué)屬性及物理屬性會(huì)隨著組成方式的變化而變化，設(shè)計(jì)者可根據(jù)某種結(jié)構(gòu)或元件的特定需要，選擇相匹配的屬性。只是，這種特性同時(shí)也成為激光應(yīng)用的難點(diǎn)：1）非同質(zhì)；2）各向異性。
眾所周知，激光器能夠?qū)馐M(jìn)行有效的時(shí)間和空間控制，所以當(dāng)操作對(duì)象為同質(zhì)表面時(shí)，優(yōu)勢(shì)顯而易見，這主要由于光束及目標(biāo)之間的交互反應(yīng)在各個(gè)方向上均能保持穩(wěn)定性及重復(fù)性。當(dāng)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(xì)微差異，比如孔隙率或晶界等，不過這種差異對(duì)于大功率的光纖激光器而言，幾乎可以忽略。但是，復(fù)合材料的情況就完全不一樣了，不僅不同質(zhì)，而且在三個(gè)維度上的屬性均可能表現(xiàn)出極大的差異，光束投射的位置及方向都會(huì)影響結(jié)果，尤其是長纖維強(qiáng)化復(fù)合材料。在多種纖維強(qiáng)化復(fù)合材料中，最“棘手”的，同時(shí)也是應(yīng)用最為廣泛的就是碳纖維強(qiáng)化和玻璃纖維強(qiáng)化復(fù)合材料，它們與基材的熔點(diǎn)相差極大，對(duì)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(zhì)”使得本來極具靈活優(yōu)勢(shì)的激光工藝在面對(duì)復(fù)合材料時(shí)總是顯得有些“力不從心“。然而，盡管困難重重，人們?nèi)栽谶M(jìn)行大量專項(xiàng)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(xué)的角度定義，纖維其實(shí)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(qiáng)度大，可結(jié)合基材的表面積大，這種特性使人們傾向于使用纖維對(duì)材料進(jìn)行強(qiáng)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(nèi)部生成光束，所以表面積越大，諧振腔的冷卻要求就越低。當(dāng)光纖芯徑較小時(shí)，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(fù)合材料加工的重要光源，這也是原因之一。
熱固性復(fù)合材料
目前，工業(yè)上用得比較多的主要是較厚的高強(qiáng)度輕量化復(fù)合材料，所以這也是本文研究的重點(diǎn)。這種復(fù)合材料大多數(shù)都會(huì)用到長纖維，因?yàn)檫@樣能夠最大限度地改善材料屬性，有助于整個(gè)結(jié)構(gòu)的承重。對(duì)于制造業(yè)而言，傳統(tǒng)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(jié)合。比較新的工藝是使用預(yù)浸帶（纖維預(yù)浸于樹脂中）及自動(dòng)鋪帶機(jī)（ATP），這樣不僅能夠更為自由地量身定制高性能材料，同時(shí)也能大幅提升速度。
圖1 用于ATP的預(yù)浸帶
航空業(yè)用得最多的是碳纖維+熱固性環(huán)氧樹脂基材，E級(jí)（電子級(jí)、成本低，韌性好）、S級(jí)（抗拉強(qiáng)度大）長玻璃纖維應(yīng)用也比較廣泛。這就使得本來已經(jīng)非常復(fù)雜的應(yīng)用工藝變得更加雪上加霜，比如玻璃纖維，雖然其本身不會(huì)強(qiáng)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(qiáng)環(huán)氧樹脂，顧名思義，是指強(qiáng)化材料為玻璃纖維，基體材料為環(huán)氧樹脂的復(fù)合材料，主要用于電子行業(yè)、非結(jié)構(gòu)性元件，通常用波長較短（355 nm）的二極管泵浦固態(tài)（DPSS）激光器，或者是波長更長一點(diǎn)的二氧化碳?xì)怏w激光器進(jìn)行加工。至于金屬基復(fù)合材料（MMCs）及陶瓷基復(fù)合材料（CMCs），目前也在用激光器進(jìn)行加工，但是優(yōu)勢(shì)不明顯。
CFRP切割及鉆孔的工藝難點(diǎn)
環(huán)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(shí)人們又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，那就是復(fù)合材料的兩種構(gòu)成部分自身的物理屬性差異極大。碳纖維在環(huán)境壓力下不會(huì)熔化，蒸發(fā)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(dǎo)性也很強(qiáng)。由于碳纖維會(huì)高效吸收熱能，并使其沿纖維方向高速傳導(dǎo)，所以極易破壞熔點(diǎn)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(dāng)，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(shí)的典型損傷形態(tài)
另外，在穿孔和切割過程中，人們還發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)CFRP片材時(shí)，基體和纖維加載的厚度會(huì)些許差異，使光束被引導(dǎo)至其他位置，特別是在進(jìn)行熔穿切割或是鉆孔時(shí)，總會(huì)出現(xiàn)問題。目前，大部分二維復(fù)合材料采用的都是壓平的方法，這也意味著在到達(dá)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(shù)量也不甚相同。還有一個(gè)問題：盡管CFRP的瑕疵識(shí)別已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，但是對(duì)邊緣質(zhì)量的精確量化仍未建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而這一點(diǎn)恰恰是在熱加工過程中不可避免的。
