約50年來，飛機(jī)制造商一直在使用纖維增強(qiáng)塑料（Fiber-ReinforcedPlastic,FRP）材料。隨著行業(yè)對(duì)FRP材料優(yōu)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)越來越深，這種材料的使用率也在逐年穩(wěn)步提高。盡管在最初的時(shí)候FRP材料比傳統(tǒng)材料的成本要高一些，但是其在效率、保養(yǎng)和燃料節(jié)省收益上的優(yōu)勢(shì)非常明顯，因此這些優(yōu)勢(shì)才可以彌補(bǔ)在飛機(jī)初始投資成本較高的劣勢(shì)。
碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）由束縛在聚合樹脂里的碳纖維或玻璃纖維基底組成，從而帶來許多滿足需要的特性，最顯著的就是高強(qiáng)度重量比，還有高硬度、低熱膨脹系數(shù)以及優(yōu)異的耐腐蝕性。
使用較輕的FRP材料來制造飛機(jī)，每年能夠在飛行上節(jié)省幾百萬美元的燃料成本。舉例來說，波音787“夢(mèng)想客機(jī)”在使用壽命期間節(jié)省的飛機(jī)保養(yǎng)費(fèi)用約為3000萬至4000萬美元之間。
FRP材料的優(yōu)點(diǎn)有很多，但眾所周知的是這種材料非常難加工。傳統(tǒng)的加工方法，比如機(jī)械銑削和鉆孔，會(huì)引起破片、熱損害、分層、纖維拔出以及對(duì)工具的嚴(yán)重磨損。近來，人們研究使用水注切割，但還是會(huì)引起纖維分層以及其他的實(shí)用性限制。舉例來說，當(dāng)加工起始的地方不是在材料的邊緣時(shí)，就需要鉆一個(gè)導(dǎo)向鉆孔。作為一種非接觸式的材料移除工藝，激光加工能夠提供解決上述問題的方案。然而，一直以來，在這種應(yīng)用中，激光和材料之間的相互作用尚沒有得到廣泛理解。針對(duì)這個(gè)問題，JKLasers公司聯(lián)合英國(guó)利物浦約翰摩爾大學(xué)（JohnMooresUniversity）一起開展了研究。
為了讓研究人員更加了解激光和材料之間的相互作用，在研究中使用了兩種光束特性不同的激光源來加工。使用帶有鉆孔噴嘴的Nd:YAG激光器JK300D（以光纖傳輸，具有高峰值功率）來進(jìn)行沖擊鉆孔試驗(yàn)。使用帶有切割噴嘴的200瓦單模光纖激光器JK200FL進(jìn)行切割試驗(yàn)。使用配有掃描頭的JK200FL進(jìn)行穿孔和銑削試驗(yàn)。
激光和材料的相互作用
影響FRP加工的主要因素在于碳纖維或玻璃纖維與聚合物基底相比，特性差異極大。汽化纖維要求的激光功率要比汽化聚合物的高很多。
當(dāng)處理CFRP時(shí)，物件的反應(yīng)差異是最明顯的。汽化聚合物僅僅要求少量的熱能，而碳纖維的導(dǎo)熱能力非常好，這也意味著在切割纖維前，大量的能量已經(jīng)被傳導(dǎo)走了。因此，對(duì)于高品質(zhì)激光加工來說，必須特別注意管理材料的熱量輸入。
在用Nd:YAG激光器進(jìn)行沖擊鉆孔的過程中，使用了兩種不同的輔助氣體：氮?dú)夂投趸?。結(jié)果顯示，使用的輔助氣體對(duì)孔的質(zhì)量有較大的影響。
當(dāng)使用氮?dú)庾鳛檩o助氣體時(shí)，樣本表面上留下了聚合物基底熱分解后的薄層。而使用二氧化碳作為輔助氣體時(shí)，處理后FRP的表面質(zhì)量要提高許多。出現(xiàn)這樣的結(jié)果是由于二氧化碳的冷卻質(zhì)量要好一些。
當(dāng)使用光纖激光器對(duì)FRP材料進(jìn)行切割時(shí)，帶來的熱損害很少。這是因?yàn)榧す馄鞯墓獍叱叽绾苄 ?/p>
這些結(jié)果對(duì)于航空和航天工業(yè)來說是非常有利的。因?yàn)椴牧系拇蟛糠植]有受激光加工影響，因此復(fù)合材料依然非常牢固和穩(wěn)定。
與在切割試驗(yàn)中取得的結(jié)果類似，激光銑削試驗(yàn)結(jié)果顯示，光纖激光器的小光斑尺寸對(duì)銑削應(yīng)用非常有利。激光處理后的纖維并沒有熱損害的痕跡，SEM高倍放大后可看到基底材料只有輕微的熔化痕跡。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了使用光纖激光器對(duì)航空和航天復(fù)合材料進(jìn)行銑削的可能性。
同樣還是使用光纖激光器JK200FL在FRP復(fù)合材料上環(huán)鉆2毫米直徑的孔。切割試驗(yàn)表明，對(duì)于厚度超過1毫米的復(fù)合材料來說，試圖像處理金屬一樣來處理復(fù)合材料，其切割結(jié)果并不讓人滿意。
因此需要稍大的切口使得材料能夠脫離，不讓基底粘附在新的切割面上。這種設(shè)計(jì)的策略稱為激光螺旋狀鉆孔。
與使用Nd:YAG激光器鉆出的孔相比，激光螺旋狀鉆孔的熱損害要少一些，表面的邊緣質(zhì)量看上去好一些。頂部表面的回?zé)恐挥袔资⒚住?/p>
光纖激光器鉆孔試驗(yàn)的結(jié)果顯示，配有掃描頭的激光加工中，其加工速度與孔的開放式幾何結(jié)構(gòu)相配合，能夠減少FRP復(fù)合材料表面基底材料的損害。
總結(jié)
使用光纖傳輸?shù)母叻逯倒β实腘d:YAG激光器和200瓦單模光纖激光器的試驗(yàn)結(jié)果表明，激光器能夠提供傳統(tǒng)技術(shù)手段無法提供的加工質(zhì)量。
熱管理是加工FRP復(fù)合材料的關(guān)鍵。通過使用如二氧化碳這樣的輔助氣體，能夠極大減少激光光束引起的損害。
使用光纖激光器的試驗(yàn)表明，小光斑尺寸以及隨之帶來的精細(xì)定向熱輸入對(duì)于加工FRP復(fù)合材料非常有利。擁有高光束質(zhì)量、小光斑尺寸以及可選掃描系統(tǒng)的光纖激光器被證明非常適用于加工這些材料。試驗(yàn)結(jié)果還表明，激光螺旋狀鉆孔在今后的航空航天及汽車領(lǐng)域激光加工應(yīng)用中將扮演重要的角色。
