0.   引言

碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)是一种以树脂为基体，碳纤维为增强相的先进复合材料，具有质量轻、耐高温、抗腐蚀性高等优点，因材料优良的特性，被广泛应用于航空航天、汽车工业、体育用品、医疗设备等领域^[1-2]。在材料加工过程中，主要采用接触式机械加工方式处理CFRP表面(如铣、钻、削等)，因材料特有的各向异性，在加工处理时容易出现纤维拔出、分层、崩边等损伤，无法满足生产需求^[3-4]。目前激光加工作为一种新型加工方式，具有加工精度高、可设计性好、去除树脂层能力强等特点和优势，是一种极具发展前景的CFRP加工方式^[5-7]。CFRP主要是由碳纤维和环氧树脂两种材料复合而成，其中环氧树脂包裹碳纤维起到保护作用，但也同时影响了碳纤维的工作强度，因此, 如何有效处理材料达到加工目的已成亟需解决之处。

目前，针对金属与非金属复合材料的连接已成研究热点，结合两种材料的性能优势，在保证材料强度的同时还能实现更高的性能要求和更低的加工成本。除优化两种材料连接方式外，还可通过改善材料表面的性能来提高其整体强度^[8-10]。通过对材料表面合适的处理，可去除其杂质，增加其活性官能团，进而提高其湿润性^[11-12]，或是提高表面粗糙度发生机械互锁效应来提升连接性能^[13]。为此，针对激光如何处理CFRP表面这种方式，国内外学者进行了大量研究。LI等人^[14]采用紫外线激光和皮秒红外激光处理材料后发现，表面粗糙度的增加和铺展性的提高能增强机械互锁效应, 激光预处理表面时引入的官能团能加强粘合剂与CFRP之间的化学结合。ZHANG等人^[15]分析了等离子对CFRP表面的化学特性及润湿性影响，结果表明，经等离子体处理后均能提高CFRP与金属材料的粘接强度。LIU等人^[16]利用飞秒激光微纳制备技术，使用胶粘剂将处理后的CFRP与铝合金胶接，固化过程中会在CFRP和胶层之间出现弱界层，此时CFRP的表面形貌在对胶结强度影响中占主导因素。ZHOU等人^[17]采用光纤激光器对CFRP表面进行处理，发现在不破坏碳纤维组织的前提下，CFRP表面烧蚀率越高，CFRP与铝合金的胶接强度越高。WU等人^[18]采用光纤激光对CFRP进行表面处理，结果表明，随脉宽增加，处理后的CFRP表面粗糙度增加，处理后的CFRP与铝的胶结强度比未处理时提高了1.95倍。RODRÍGUEZ-VIDAL等人^[19]采用脉冲激光和连续激光分别在金属表面进行雕刻，发现脉冲激光的表面接头强度高于连续激光的表面接头，这对激光类型的选择提供了重要指导。LIU等人^[20]采用红外激光表面处理CFRP，引入激光能量密度和扫描速率两个因素，研究发现两者对材料表面优化工艺均起影响作用，其中以能量密度最为明显。DU等人^[21]采用纳秒激光表面处理CFRP来研究表面湿润性和胶接性能的关系，结果表明，经激光处理后，表面粗糙度和湿润性均有明显增加现象，有效提高了胶接强度。XIE等人^[22]采用两步法处理材料来改善接头性能，即先将树脂层去除后再刻蚀碳纤维，结果表明，两步法优于只去除树脂层这一步，且碳纤维的径向与轴向能量分布不同，导致了不同方向结果不同。

通过已知研究发现，经激光处理后表面粗糙度的提高可有效改善材料表面情况，能达到提高材料胶接性能的目的。本文中采用了CO₂脉冲激光雕刻CFRP，实验中通过改变激光参数观测材料表面变化情况，并测量了表面粗糙度数值来反映材料的雕刻效果，可为激光对CFRP进行表面处理提供参考。1实验

1.1   实验设备及材料

本实验过程中所需的主要设备为CO₂脉冲激光雕刻与切割机(由济南红帆智能科技有限公司生产)，该设备主要由计算机、水箱、气泵和激光器等组成。先由计算机绘制实验雕刻图形，再导入激光器中存储并进行雕刻。雕刻过程中水箱起降温作用，气泵能产生辅助气体达到吹走气体杂质的目的。激光器频率调节范围约为20 kHz~50 kHz，输出功率可调范围约为0 W~50 W。实验工艺参数如表 1所示。扫描方向、扫描速率及加工功率均可由激光器控制台调节。激光器雕刻完成后为清除材料表面杂质及残留物，可由WHPS超声波清洗机(由深圳歌能清洗设备有限公司生产)对材料表面进行重复清洗。实验中采用Surtro-nic Duo表面粗糙度测量仪对雕刻图形进行表面质量分析检测。

表  1  CO₂激光器参数

Table  1.  CO₂ laser parameters

parameter	numerical value
wavelength	1.064 μm
pulse frequency	20 kHz
spot diameter	100 μm
pulse width	2.1 × 10-7 μs

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实验中采用碳纤维复合材料，其基体相为上海惠柏新材公司生产的环氧树脂，增强相为日本东丽公司生产的T300碳纤维。材料铺陈方式为碳纤维以0°和90°两种铺陈方向交织而成，碳纤维编织空隙之间以环氧树脂填充。材料规格为200.0 mm×100.0 mm×0.5 mm，CFRP主要参数如表 2所示。

表  2  CFRP材料主要参数

Table  2.  Main parameters of CFRP material

parameter	numerical value
fiber mass fraction	33.5%
resin mass fraction	66.5%
thermal conductivity	50 W/(m·K)
Poisson’s ratio	0.3

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1.2   实验方法

CFRP是一种非金属复合材料，对CO₂激光有良好的吸收性，并且树脂层对红外激光的能量吸收率不高^[23]，因此CO₂激光对树脂层具有一定的穿透性。实验中激光器控制台调节喷嘴能改变激光焦点位置，从而找到激光功率密度最大的离焦量为16 mm，此时激光雕刻效果最佳，同时采用最佳离焦量进行圆形图案雕刻实验。采用单因素试验法，引入激光功率和扫描速率两个因素，激光功率范围为5 W~50 W，扫描速率范围为20 mm/s~100 mm/s，圆形图案直径为15 mm，加工次数为2次(第2次主要完善加工图案质量), 激光加工流程如图 1所示。在电脑软件上绘制雕刻图形，由电脑将加工指令传输到激光器中，在激光器上调节激光功率和扫描速率，雕刻出不同参数的圆形图案。

图  1  激光加工流程图

Figure  1.  Laser processing flowchart

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如图 2所示，激光器雕刻图案完成后，使用粗糙度测量仪对材料表面进行数据测量并记录。一次测量记录后，将材料放入超声波清洗机清洗表面，并再次测量材料表面粗糙度数值。

图  2  数据处理流程图

Figure  2.  Data processing flowchart

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为达到深入研究材料表面形貌的目的，采用横向和纵向两种不同的测量方式(如图 3所示)，从不同角度验证实验结论。由于实验中激光功率不大，气流压强变化对加工效果影响甚微，因此不纳入考虑范围之内^[24]。

图  3  测量方式示意图

Figure  3.  Schematic diagram of measurement method

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2.   实验结果与讨论

2.1   相同功率、不同速率下的表面形貌变化

实验结果如图 4所示。圆形图案雕刻边际均有冷凝物附着，这是由于激光能量将环氧树脂热解后而产生的^[25]。设定功率为50 W，由图 4可以看出：图 4a中, 在扫描速率为100 mm/s时，图案表面颜色以黑色为主，这种现象是因为环氧树脂与碳纤维两种材料熔点值相差较大，树脂的热稳定性又远低于碳纤维，因此环氧树脂热解气化后使碳纤维裸露在外表面^[26]; 图 4b中, 图案底部逐渐出现少许白色条纹，表明此区域内的碳纤维已被激光能量逐渐烧蚀，使材料铺陈在下层的结构暴露在外; 图 4c中，再次降低扫描速率后，图案表面出现了材料穿透的现象，推测可知此处能量累积过盈而导致穿透现象; 图 4d中, 材料烧蚀穿透现象已由图案底部遍布图案各处，值得注意的是, 此现象在竖直方向尤为明显, 因为当碳纤维的铺陈方向与扫描方向不一致时，两者之间形成的角度差值越大，热影响区就越大，与此同时能量累积越大并会优先向竖直方向传递，从而导致竖直方向的碳纤维优先断裂^[27]; 图 4e中，再次减小扫描速率后，整个圆形图案已被激光完全穿透，可推测此时激光能量累积值在此区域已超出阈值。

图  4  扫描速率单因素试验试样的表面形貌

Figure  4.  Surface morphology of single factor test specimens with scanning speed

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2.2   相同速率、不同功率下的表面形貌变化

实验中为讨论激光功率对材料雕刻效果的影响，将扫描速率设定为定值100 mm/s，激光功率变化范围为50 W~5 W, 此时材料表面变化如图 5所示。根据加工后材料表面形貌变化情况可分为两个阶段：第一阶段激光功率变化范围为50 W~10 W(无明显变化)；第二阶段激光功率变化范围为10 W~5 W(明显变化)。当激光功率从10 W降至5 W时，雕刻图案表面形貌前后发生明显变化，表明此过程中材料内部结构受激光能量发生改变，因此将在功率变化范围为10 W~ 5 W之间做出细致划分以便分析讨论。

图  5  激光功率单因素实验试样的表面形貌

Figure  5.  Surface morphology of laser power single factor test specimens

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由图 5a~图 5c可见，当功率在50 W~10 W变化时，观测到图案表面无明显变化现象，其表面差异之处主要体现在树脂与碳纤维编织之处(图中黄线框所选)。导致这一现象的原因是在编织材料时，碳纤维层起伏高度不一致，造成树脂层包裹碳纤维后高度不一, 从而使两种材料编织处效果不一^[28]，考虑其为材料的编织特异性，因此不纳入考虑。由图 5c~图 5h可见，当功率在10 W~5 W变化时，观测到图案表面差异变化明显。值得注意的是在功率由9 W降至8 W的过程中，图案变化尤为明显。由上述现象可知，随着激光功率减小，加工区域内能量密度降低，过低的能量密度只能有效烧蚀树脂层而无法对碳纤维层造成影响，因此材料表面形貌发生巨大差异。

2.3   不同速率、不同功率下的表面形貌变化

上述分析表明，当激光功率为10 W~5 W时, 材料表面发生显著变化。为直观比较出扫描速率与激光功率两项参数变化对材料表面产生的影响程度, 特对此参数区间进行实验细分：扫描速率分别设置为100 mm/s、80 mm/s、60 mm/s、40 mm/s、20 mm/s共5组，激光功率为10 W、9 W、8 W、7 W、6 W、5 W共6组。由于宏观观察下并不明显，因此通过测量比较表面粗糙度数值变化情况来体现微小差异，根据测得数值变化情况分析得出相应结论。

实际测量过程中会存在误差，因此每次取值时测量5次数据，以5次数据的平均值作为最终数据。由于雕刻图案为圆形，为说明材料表面起伏情况, 测取数值时采用横向测量和纵向测量两种方式，取两组数据的平均值作最终数据。如图 6所示，可以看出，当激光参数相同时，横向测取的数值总是大于纵向测量的数值。从图 6a可知，当功率不变时，随着扫描速率的减小，粗糙度逐渐增大，两种测量方式下的粗糙度数值变化均能发现这一规律; 不仅如此，当设定激光功率为10 W且扫描速率由100 mm/s降至20 mm/s，观察到横向测量的数值由10.460 μm增至26.610 μm，纵向测量的数值由5.290 μm增至10.840 μm，对比两组数据变化规律可看出横向测量的数值变化趋势更显著。发生这种现象是由于激光的雕刻方向为横向扫描，扫描方向与材料铺成方向形成的夹角更小，能量在雕刻区域内会优先横向传递，继而导致横向区域内能量密度更大，对材料表面的影响程度更大，因此粗糙度更高。图 6b中保持扫描速率为20 mm/s不变，功率由10 W逐渐减小至5 W，可看出两组数据对比结果与图 6a相似, 即横向测量数值始终大于纵向测量。与图 6a相反的是：随着激光功率的减小，两组粗糙度数值均呈现下降的趋势。这是因为功率在小范围内变化时，激光输出功率越小，同区域内能量密度越低，对材料的表面处理程度越小，从而导致粗糙度更低。

图  6  不同测量方式下激光参数对结果的影响

Figure  6.  Influence of laser parameters on results under different measurement methods

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上诉结论主要从测量方式来讨论，得出在同一平面内因测量方式不同，测取的材料表面粗糙度数值变化规律亦不同。为深层次探讨激光参数变化对CFRP表面形貌的影响规律，设置单因素试验设计法，以讨论其变化规律。由图 5可见，当扫描速率不变时，不同的激光功率加工时材料表面发生明显变化，因而将功率设置为唯一变量来探究其变化规律。如图 7所示，随着输出功率逐渐降低，不同速率下粗糙度均有逐渐减小的规律，此变化规律在扫描速率为20 mm/s时尤为明显。因为在较低的扫描速率下，脉冲激光在图案表面的出光次数增多，从而导致能量密度增大，此时激光能量会优先烧蚀树脂层而导致碳纤维层暴露在外，造成纤维拔出、断裂等情况。随着输出功率减小，激光对树脂层的烧蚀程度减小，无法有效影响到碳纤维层，而碳纤维层的变化情况主要决定了材料的表面形貌特征，因此粗糙度逐渐降低至最小值(约为7.575 μm)。当扫描速率为100 mm/s、功率在5 W~10 W变化时，随着功率增大，激光雕刻区域内逐渐露出碳纤维层(见图 5中黑色斑块)，直至整个图案区域内的树脂层烧蚀殆尽，同时粗糙度也达到最大值。与此同时，粗糙度数值有先减小后增大的变化，因为较小的激光功率只能烧蚀部分树脂层使得表面有树脂残留，导致粗糙度较大。随着功率增大，残留部分逐渐减少使得表面相对趋于光滑，此时粗糙度减小至最小约为7.030 μm。再次增大功率后，碳纤维层遭到破坏出现纤维拔出等现象，粗糙度又逐渐增大至约为7.435 μm。

图  7  激光功率对粗糙度的影响

Figure  7.  Effect of laser power on roughness

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上述研究已在宏观观测下讨论速率不变、功率不同时的表面形貌变化情况，从图 5中可看出，激光功率在9 W~8 W之间时材料表面变化相对明显，因此还要探讨当扫描速率不同时，在两组激光功率下材料的表面粗糙度数值变化规律。如图 8所示，不同激光功率下随着扫描速率的降低，粗糙度数值呈现出线性升高的变化规律，并且扫描速率越低，升高趋势越明显。当功率为9 W时，不同扫描速率下的粗糙度数值均高于另外两组，且在扫描速率为20 mm/s时达到最大值(约为16.090 μm)。随着功率增大，扫描区域内能量密度增大，材料中碳纤维层逐渐被激光烧蚀，导致出现纤维拔出等现象, 影响材料表面样貌，使粗糙度增大。此现象在扫描速率降至最低时更加直观，其缘于扫描速率低会导致脉冲激光在一定范围内出光次数增加，传导此区域内的能量增大，加大了材料表面处理程度。而对比激光功率为8 W及以下时，粗糙度变化趋于平缓。当扫描速率为20 mm/s时，粗糙度由11.380 μm降到10.175 μm, 此时粗糙度数值波动不大，表明功率在8W及以下时，扫描速率对表面粗糙度的影响由主要因素转为次要因素，此时由激光功率占主导地位。

图  8  扫描速率对粗糙度的影响

Figure  8.  Effect of scanning speed on roughness

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经脉冲激光雕刻后，材料表面产生冷凝物^[29]，主要由树脂残留物和碳纤维断裂的碎屑组合而成。冷凝物会对材料后续的雕刻造成能量吸收不均匀的影响，可由超声波清洗去除。图 9所示为超声波清洗对粗糙度的影响规律示意图。图 9a为清洗前测量的材料表面粗糙度，当激光功率一定时，粗糙度随扫描速率的增大而增加；当扫描一定时，粗糙度随激光功率的增大而增加减小；当激光功率为10 W、扫描速率为20 mm/s时，粗糙度达到最大值(约为19.195 μm)。图 9b为清洗后测量的材料表面粗糙度，与图 9a中的粗糙度变化规律相似。当激光功率一定时，粗糙度随扫描速率的增大而增加；当扫描速率一定时，粗糙度随激光功率的增大而增加减小；当激光功率为10 W、扫描速率为20 mm/s时，粗糙度达到最大值(约为14.710 μm)。实验表明, 经超声波清洗后，材料表面粗糙度整体下降，主要是激光加工后的残留物会粘结在材料表面，在测量时会造成影响导致数值偏大，清洗过程中超声波振动使部分残留物脱落，达到清洗材料表面使粗糙度降低的效果。在扫描速率为20 mm/s时，粗糙度下降幅度尤为明显，此时由于激光出光次数增多，残留物较多，因此清洗前后的差距较大。

图  9  超声波清洗对粗糙度的影响

Figure  9.  Effect of ultrasonic cleaning on roughness

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2.4   图案加工效果

选取上述实验中加工质量最佳的激光参数进行加工，图案为“中国”(如图 10所示)。选取功率为9 W、速率为20 mm/s时，脉冲激光加工CFRP材料的表面质量最理想，此时表面残留物较少，较高的粗糙度有利于提高材料的胶接性能。

图  10  激光加工图案效果示意图

Figure  10.  Schematic diagram of laser processing pattern effect

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3.   结论

研究了脉冲激光参数(扫描速率、功率)对CFRP材料表面形貌特征变化的规律，并通过测量表面粗糙度来反映，该研究结果对提高材料胶结强度有一定帮助。

(a) 当功率为100 W、扫描速率为60 mm/s时, 出现材料穿透现象，并在速率降至20 mm/s时雕刻的图案完全穿透，推测此时已超出区域烧蚀阈值；当扫描速率为100 mm/s、功率在10 W~5 W之间时, 材料表面有明显变化，且在9 W~8 W时尤为明显，此时激光对树脂层和碳纤维层均造成烧蚀，碳纤维裸露在外使图案呈黑色。

(b) 探讨了功率在10 W~5 W、扫描速率在100 mm/s~20 mm/s变化时的粗糙度变化规律，发现在20 mm/s速率下, 粗糙度整体较大并有最大值(约为19.195 μm)，此时扫描速率为主要影响因素，激光功率次之。通过对比超声波清洗前后的粗糙度变化，发现功率为10 W、速率为20 mm/s时, 粗糙度由最大值骤降至约为14.710 μm，加工后的残余物残留在材料表面会导致材料表面质量不佳。测量过程中发现，在激光功率为9 W、扫描速率为20 mm/s时粗糙度最大，并且清洗前后数值波动不大，表面残留物最少，加工效果最理想。

(c) 数据测量时采用横向和纵向测量两种方式相结合，横向测量最大值(26.610 μm)远高于纵向测量最大值(11.780 μm)，前者最低值(9.570 μm)同样高于后者(5.290 μm)，两种方式测量数值均随着激光功率的降低和扫描速率的升高呈现下降趋势。此现象对往后研究中测量材料粗糙度的方式选择上提供一定参考。