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)操作對象為同質(zhì)表面時(shí)，優(yōu)勢顯而易見，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)勢的激光工藝在面對復(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。

CFRP切割及鉆孔的應(yīng)用進(jìn)展

自上世紀(jì)80年代中期起，人們就開始就激光工藝應(yīng)用于二維CFRP復(fù)合材料進(jìn)行大量的研究。在激光器的選擇上，不僅有紅外線固態(tài)激光器，還有遠(yuǎn)紅外二氧化碳?xì)怏w激光器；在復(fù)合材料的選擇上，覆蓋多種強(qiáng)化纖維類型，包括碳纖維、芳綸（對位芳酰胺纖維）、E級(jí)玻璃纖維、S級(jí)玻璃纖維，基體材料基本都是環(huán)氧樹脂。

隨著皮秒及毫秒激光器的問世，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些有趣的現(xiàn)象。后來，人們又用納秒級(jí)激光器以532 nm、266 nm波長在CFRP等高分子復(fù)合材料上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。激光切割最常用的方法是使用檢流掃描儀及多通道高速傳導(dǎo)，不添加輔助氣體。小孔徑?jīng)_擊鉆方法相同；但如果是大孔徑，則需要用到同心圓和/或螺旋切割工藝。由于適合商業(yè)應(yīng)用的短波長、短脈寬的激光器平均功率有限，所以當(dāng)厚度超過1 mm時(shí)，盡管切割質(zhì)量還不錯(cuò)，但是速度太慢。當(dāng)用模型確定最小的熱損傷時(shí)，結(jié)果顯示，清除碳纖維需要極高的熱焓。以6 m/min的速度切割2 mm厚CERP時(shí)，功率計(jì)算值達(dá)到幾千瓦。切割速度與材料厚度往往與平均功率直接相關(guān)。在實(shí)際的商業(yè)應(yīng)用中，成本/ 千瓦 功率也是一個(gè)重要的考量因素。

最近，一組光纖激光器加工空客A350XW結(jié)構(gòu)部件的相關(guān)數(shù)據(jù)使人眼前一亮。厚度2.2 mm，用激光器切割、鉆孔，使用多通道、高速掃描工藝，可惜的是，最后出于收益考慮，激光器未被采用。盡管困難重重，前行的腳步卻從未停止。研究發(fā)現(xiàn)，用二氧化碳作為輔助氣體，結(jié)合檢流計(jì)、遠(yuǎn)程切割工藝，可有效降低熱能，配合不同的掃描方式，結(jié)果頗具實(shí)用性，尤其是像鉆孔這種可以平行加工的應(yīng)用。

CFPR的其他激光應(yīng)用

去漆：多年來，人們一直在進(jìn)行關(guān)于激光去漆方面的研究，目前有若干種商業(yè)系統(tǒng)可用于金屬去漆，所用激光器為二氧化碳激光器和連續(xù)型/脈沖型光纖激光器。大量使用復(fù)合材料的航空業(yè)仍停留在化學(xué)去漆階段，毫無疑問，化學(xué)方法對環(huán)境有害，所以激光去漆工藝對航空業(yè)而言特別重要。有兩種方法看起來都不錯(cuò)，一種是用連續(xù)型光纖激光器，另一種是用高平均功率、Q開關(guān)光纖激光器。不過目前獲取到的相關(guān)信息非常少，唯一知道的就是現(xiàn)在正在使用的自動(dòng)轉(zhuǎn)子葉片去漆系統(tǒng)（BRBSS），這種系統(tǒng)用于直升機(jī)螺旋槳復(fù)合材料的脫漆。

BRBSS采用的是脈沖型紅外線激光器，附帶一個(gè)色彩識(shí)別系統(tǒng)。通過BRBSS，用戶可以選擇脫漆至露出鋅鉻黃底漆而不影響基材，如果用戶通過閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行全程控制，還能選擇連同底漆一起去除，完全不會(huì)破壞下面的復(fù)合材料。創(chuàng)新性、高平均功率、Q-開關(guān)光纖激光器的應(yīng)用，可顯著降低每 kW功率的成本。多機(jī)器并用，有助于提高清除率。和其他領(lǐng)域一樣，該應(yīng)用的定位也是具有成本優(yōu)勢，經(jīng)過多年的發(fā)展完善，其商業(yè)價(jià)值已日益凸顯。

提高粘合強(qiáng)度：人們還在進(jìn)行兩項(xiàng)與激光器及復(fù)合材料相關(guān)的工藝研究。其一是在傳統(tǒng)的粘合工藝之前，用波長為355 nm的紫外線（UV）激光器或是波長為308 nm的準(zhǔn)分子激光器對復(fù)合材料表面進(jìn)行清潔及強(qiáng)化。傳統(tǒng)的表面處理有單一機(jī)械性打磨或是等離子處理等，與之相比，用紫外線激光器處理，復(fù)合材料表面的粘合力有所改善，但是僅僅憑借這一點(diǎn)，還不能得出后者必定優(yōu)于前者的結(jié)論。雖然粘合強(qiáng)度數(shù)據(jù)本身不能充分說明問題，但是顯著且持續(xù)的改善比例（>20%）卻足以證明，紫外線激光器在復(fù)合材料表面處理方面確有其優(yōu)勢。

局部修復(fù)：另一個(gè)研究重點(diǎn)是用脈沖激光器進(jìn)行局部修復(fù)。目前被公認(rèn)為最具應(yīng)用前景的方案是在受損區(qū)域進(jìn)行激光燒蝕，再注入少量粘合劑，進(jìn)行局部修復(fù)。其商業(yè)價(jià)值仍有待考證。

熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展

所幸的是，以上種種“束手無策“都伴隨著熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。熱塑性塑料可熱加工，可多次熔化凝固，同時(shí)保持屬性不變。與熱固性復(fù)合材料在凝固過程中發(fā)生的永久不可逆的化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)完全不同，熱塑性塑料曝露于高溫環(huán)境時(shí)發(fā)生的是降解反應(yīng)，而非熔化。得益于這種特性，熱塑性塑料具有抗斷裂性、可循環(huán)性、可修復(fù)性、耐化學(xué)性等多種屬性，最重要的是，可縮短加工時(shí)間，降低生產(chǎn)成本。

應(yīng)用最為廣泛的熱塑性復(fù)合材料有聚醚酰亞胺（PEI），聚醚醚酮（PEEK），以及聚苯硫醚（PPS），碳纖維強(qiáng)化或玻璃纖維強(qiáng)化范圍相同。我們來舉一個(gè)實(shí)際應(yīng)用的例子：在2009年末成功完成首航的新型Gulfstream G650噴氣式飛機(jī)，其方向舵及尾舵均由熱塑性塑料制成，高溫接合，不用鉆孔及柳釘接合，這樣不僅節(jié)約了成本，還降低了重量。復(fù)合材料用的是PPS基材，預(yù)浸纖維強(qiáng)化。預(yù)浸纖維表示纖維預(yù)先浸入樹脂基體，然后經(jīng)過熱熔粘合工藝，形成最終形狀。用這種材料支撐的部件堅(jiān)硬、抗壓、牢固，形狀穩(wěn)定，耐高溫，且重量比輕合金還輕。

人們就熱塑性復(fù)合材料的激光器切割及鉆孔工藝進(jìn)行了大量的研究, 盡管基材和纖維之間的物理屬性差異仍然存在，但是基材的熱塑屬性燃起了人們發(fā)展激光工藝，提升工藝質(zhì)量的希望。其實(shí)，真正的進(jìn)展在于這種新型材料的熱塑性，正是這種熱塑性，才使得激光固結(jié)及熱熔工藝的應(yīng)用成為可能。

圖3 ATP機(jī)頭 

 

熱塑性復(fù)合材料的激光固結(jié)

在生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料時(shí)，預(yù)浸纖維的固結(jié)就是利用近紅外光纖激光器完成的。和其他行業(yè)一樣，激光器也可以更換光源。在整個(gè)自動(dòng)鋪帶系統(tǒng)中，激光器是極為關(guān)鍵的部件（如圖3、4所示）。這些機(jī)器可以高速生產(chǎn)復(fù)雜的3D部件，對激光光束時(shí)間及空間的精確控制，有助于強(qiáng)化閉環(huán)溫度監(jiān)控，提高熔融及固結(jié)工藝水平。隨著激光加熱系統(tǒng)（LHSs）的發(fā)展，AFP加熱系統(tǒng)可進(jìn)一步升級(jí)熱氣炬（HGT）。很顯然，這也是未來的發(fā)展趨勢。在這個(gè)領(lǐng)域 kW級(jí)光纖激光器隨處可見。

圖4 ATP運(yùn)轉(zhuǎn)中

此外，人們還寄望于通過激光加熱器改良熱固性復(fù)合材料AFP?，F(xiàn)有的AFP大多數(shù)使用紅外線加熱系統(tǒng)，以便在編織之前提高預(yù)浸料表面的粘著性，但是廣譜光總是會(huì)干擾紅外線高溫計(jì)，影響實(shí)時(shí)溫度控制的精確度。

熱塑性復(fù)合材料的激光焊接

在建筑行業(yè)中，人們常常需要將比較薄的玻璃纖維布板與比較厚的碳纖維或玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)板接合起來，比如飛機(jī)內(nèi)飾、控制臺(tái)表面、直升機(jī)旋翼的后緣等。一般情況下，補(bǔ)強(qiáng)板的作用是使承重翻倍（提高局部承重），或是提高強(qiáng)度（減少承壓時(shí)面板的撓曲/壓曲）。在熱固性復(fù)合材料中，通常使用粘合的方法將較薄的面板與較厚的底板接合起來，而對于熱塑性復(fù)合材料而言，面板既可以粘合（與熱固性復(fù)合材料一樣），也可以焊接。在生產(chǎn)大型結(jié)構(gòu)部件時(shí)，粘合工藝的重復(fù)度很難滿足要求，因此人們已經(jīng)將目光投向更加自動(dòng)化、重復(fù)度更高的激光接合工藝。

為此人們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，用于評(píng)估可行性，并確定各種熱塑性復(fù)合材料接合的機(jī)械屬性。試驗(yàn)的目標(biāo)是用所需的纖維及基體生產(chǎn)出可用于航空業(yè)的既牢固、又美觀的復(fù)合材料，并將纖維/基體的屬性與激光焊接工藝的參數(shù)相關(guān)聯(lián)。最后一組試驗(yàn)為兩種PEI基材的復(fù)合材料之間的激光焊接：面板0.25 mm厚，白色涂層（WP）,S2級(jí)玻璃纖維強(qiáng)化；補(bǔ)強(qiáng)板有兩種，一種1.0 mm厚，S2級(jí)玻璃纖維強(qiáng)化，WP，另一種為全碳纖維強(qiáng)化U形加筋板。

鑒于碳纖維具有卓越的光吸收屬性，所以人們習(xí)慣于將碳纖維設(shè)為底板，但是長纖維強(qiáng)化材料中有多層碳纖維，且織法多樣，這些都會(huì)影響激光的傳導(dǎo)與吸收，使情況變得復(fù)雜。一般來說，未經(jīng)著色的或是天然的玻璃纖維對紅外線的穿透性強(qiáng)于經(jīng)過染色的基體材料，更利于激光焊接工藝的應(yīng)用，所以，為了增加終端產(chǎn)品的美觀性，往往會(huì)再增加一道增白處理。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，人們正在著力尋求能夠焊接染色纖維與基體材料的新型工藝。

其實(shí)激光焊接在本質(zhì)上都是要依賴激光的傳輸（如圖5所示），其區(qū)別在于面板對光的吸收度更高，尤其是二氧化鈦白色面板，接頭上方會(huì)出現(xiàn)熔透現(xiàn)象，只是區(qū)域極小，肉眼幾乎觀察不到，染了白色后就更加難以識(shí)別了。

 

 
圖5 傳統(tǒng)的激光傳導(dǎo)焊接示意圖

 試驗(yàn)的研究重點(diǎn)是在白色加強(qiáng)板材料中加入三種不同水平的碳色素，用于提高接頭強(qiáng)度。試驗(yàn)所用的激光器為1.07μm波長，連續(xù)型，光束直徑4.2 mm，多重準(zhǔn)直，平均功率170 W。用笛卡爾XY坐標(biāo)系記錄光束與目標(biāo)物之間的相對運(yùn)動(dòng)。用厚度為0.25英寸的硅棚板夾持需要接合的部分。盡管焊接接頭的拉伸剪切強(qiáng)度通常不及粘合接頭，但是只要焊道足夠?qū)?，就能滿足強(qiáng)度要求。我們可以通過調(diào)節(jié)光纖激光器的功率密度，改變焊道的寬度。

圖6 S2級(jí)特殊玻璃纖維強(qiáng)化PEI基體復(fù)合材料的數(shù)據(jù)結(jié)果

初步研究結(jié)論如下：

• 功率密度> 870 W/cm2時(shí)，如果存在任何污染，會(huì)看到局部快速碳化，未經(jīng)染色的面板變化更加明顯。這說明在實(shí)際生產(chǎn)中不能超過該功率密度，因?yàn)樵谏a(chǎn)環(huán)境中很難做到絕對清潔。

• 當(dāng)白色染色面板與含有不同水平碳元素的補(bǔ)強(qiáng)板（LC、MC及HC結(jié)果如圖6所示）焊接時(shí)，其接頭強(qiáng)度高于天然復(fù)合材料與黑色AS4增強(qiáng)基材的焊接接頭。

• 面板和底板同時(shí)用二氧化鈦（TiO2）著色，可形成良好的接頭強(qiáng)度。

• 底板的碳色素含量相對較低，并負(fù)載二氧化鈦時(shí)，接頭強(qiáng)度將顯著高于天然復(fù)合材料與黑色補(bǔ)強(qiáng)板的接頭，究其原因，應(yīng)是二氧化鈦著色劑的光線離散效應(yīng) 有助于提高焊道區(qū)域的融合度。 

目前還在進(jìn)行的另一項(xiàng)研究是“激光輔助直接焊接金屬及塑料”工藝（LAMP焊接工藝）。盡管該工藝目前尚處初級(jí)階段，強(qiáng)度及持久性均有待提高，但是人們確已實(shí)現(xiàn)了用紅外線激光器焊接金屬與工程熱塑塑料，比如聚酰胺（PA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）。  

結(jié)論 

盡管研究取得了一些進(jìn)展，但是復(fù)合材料的不同質(zhì)性仍然是激光應(yīng)用的主要挑戰(zhàn)。在加工加厚（厚度>3 mm）復(fù)合材料結(jié)構(gòu)構(gòu)件時(shí)，短波激光器及超短波激光器的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢及商業(yè)應(yīng)用價(jià)值仍有待進(jìn)一步考證。光纖激光器的發(fā)展有助于拓展適合于復(fù)合材料的激光工藝。熱塑性復(fù)合材料的崛起，催生出新型激光固結(jié)工藝，并推動(dòng)著相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。