複合材料在航空領域的大量使用，推動了相關應用的發展。使用複合材料能降低重量，這一點對航空業而言特別重要。然而，複合材料的各個構成部分屬性往往不相同，即使是在極小的區域內，物理屬性也很可能會顯著變化。碳纖維增強塑料（CFRP）就是一個典型的例子。碳纖維能吸收所有波長，且具有極高的熱導率，而環氧基體的吸收性及導熱性都要差得多，所以這兩部分的物理屬性差異極大。

盡管資料表明，切割和鑽孔工藝確實取得了一些進展，但是在加工這種“特殊材料“時，怎樣才能確保滿足工業(ye) 應用需要呢？這個(ge) 問題到現在還沒有明確的答案。環氧樹脂為(wei) 熱固性聚合物，不能使用傳(chuan) 統的激光焊接工藝，而且，如今的空業(ye) 和交通業(ye) 都希望能盡可能縮短生產(chan) 周期，這些都驅動著複合材料向著熱塑性方向發展。可以預見的是，伴隨著激光燒結工藝的進一步完善，熱塑性複合材料將大有可為(wei) 。在本文中，我們(men) 將對相關(guan) 研究進行回顧，並分享熱塑性複合材料激光焊接工藝的研究成果。

高分子聚合物能降低構件重量，這一點在整個(ge) 交通業(ye) 中已達成共識，比如空中客車A380，其中25%都是複合材料，在A350上這一比例更是高達50%！汽車業(ye) 也一樣，生產(chan) 商紛紛用複合材料來提高產(chan) 量、降低成本，縮短生產(chan) 周期。

複合材料種類多樣，但至少要有一種強化材料和一種基體(ti) 材料。基體(ti) 材料用於(yu) 包覆、支撐並固定強化材料的相對位置。複合材料的力學屬性及物理屬性會(hui) 隨著組成方式的變化而變化，設計者可根據某種結構或元件的特定需要，選擇相匹配的屬性。隻是，這種特性同時也成為(wei) 激光應用的難點：1）非同質；2）各向異性。

眾(zhong) 所周知，激光器能夠對光束進行有效的時間和空間控製，所以當操作對象為(wei) 同質表麵時，優(you) 勢顯而易見，這主要由於(yu) 光束及目標之間的交互反應在各個(ge) 方向上均能保持穩定性及重複性。當然，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微差異，比如孔隙率或晶界等，不過這種差異對於(yu) 大功率的光纖激光器而言，幾乎可以忽略。但是，複合材料的情況就完全不一樣了，不僅(jin) 不同質，而且在三個(ge) 維度上的屬性均可能表現出極大的差異，光束投射的位置及方向都會(hui) 影響結果，尤其是長纖維強化複合材料。在多種纖維強化複合材料中，最“棘手”的，同時也是應用最為(wei) 廣泛的就是碳纖維強化和玻璃纖維強化複合材料，它們(men) 與(yu) 基材的熔點相差極大，對光的吸收屬性也完全不同，甚至於(yu) 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”使得本來極具靈活優(you) 勢的激光工藝在麵對複合材料時總是顯得有些“力不從(cong) 心“。然而，盡管困難重重，人們(men) 仍在進行大量專(zhuan) 項研究，以期尋求上述問題的解決(jue) 方案。 

纖維與光纖激光器

以幾何學的角度定義(yi) ，纖維其實是一種具有極高長度及芯徑比的圓柱體(ti) 。這一定義(yi) 賦予了纖維最重要的屬性，即極高的表麵積體(ti) 積比。軸向強度大，可結合基材的表麵積大，這種特性使人們(men) 傾(qing) 向於(yu) 使用纖維對材料進行強化。有趣的是，光纖激光器也是利用這種表麵積體(ti) 積比特別高的幾何特性。光纖激光器的原理是在光纖內(nei) 部生成光束，所以表麵積越大，諧振腔的冷卻要求就越低。當光纖芯徑較小時，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(wei) 複合材料加工的重要光源，這也是原因之一。

熱固性複合材料

目前，工業(ye) 上用得比較多的主要是較厚的高強度輕量化複合材料，所以這也是本文研究的重點。這種複合材料大多數都會(hui) 用到長纖維，因為(wei) 這樣能夠最大限度地改善材料屬性，有助於(yu) 整個(ge) 結構的承重。對於(yu) 製造業(ye) 而言，傳(chuan) 統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，然後將纖維布放平，使其與(yu) 基材結合。比較新的工藝是使用預浸帶（纖維預浸於(yu) 樹脂中）及自動鋪帶機（ATP），這樣不僅(jin) 能夠更為(wei) 自由地量身定製高性能材料，同時也能大幅提升速度。

  
 圖1 用於(yu) ATP的預浸帶

航空業(ye) 用得最多的是碳纖維+熱固性環氧樹脂基材，E級（電子級、成本低，韌性好）、S級（抗拉強度大）長玻璃纖維應用也比較廣泛。這就使得本來已經非常複雜的應用工藝變得更加雪上加霜，比如玻璃纖維，雖然其本身不會(hui) 強烈吸收近紅外光源，但是纖維表麵的塗層就不一定了。

FR4（阻燃型）玻璃纖維增強環氧樹脂，顧名思義(yi) ，是指強化材料為(wei) 玻璃纖維，基體(ti) 材料為(wei) 環氧樹脂的複合材料，主要用於(yu) 電子行業(ye) 、非結構性元件，通常用波長較短（355 nm）的二極管泵浦固態（DPSS）激光器，或者是波長更長一點的二氧化碳氣體(ti) 激光器進行加工。至於(yu) 金屬基複合材料（MMCs）及陶瓷基複合材料（CMCs），目前也在用激光器進行加工，但是優(you) 勢不明顯。

CFRP切割及鑽孔的工藝難點

環氧樹脂具有不可逆的熱固屬性，所以隻能考慮用燒蝕切割及鑽孔工藝。然而，在操作時人們(men) 又發現了一個(ge) 問題，那就是複合材料的兩(liang) 種構成部分自身的物理屬性差異極大。碳纖維在環境壓力下不會(hui) 熔化，蒸發溫度極高（>3500°C），而聚合物的損傷(shang) 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，熱導性也很強。由於(yu) 碳纖維會(hui) 高效吸收熱能，並使其沿纖維方向高速傳(chuan) 導，所以極易破壞熔點較低的基材。玻璃纖維情況類似，燒蝕所需的功率密度與(yu) 碳纖維相當，且高於(yu) 基體(ti) 所能承受的溫度限值（如圖2所示）。

圖2 用激光器在CFRP上鑽孔時的典型損傷(shang) 形態

另外，在穿孔和切割過程中，人們(men) 還發現，用傳(chuan) 統工藝生產(chan) CFRP片材時，基體(ti) 和纖維加載的厚度會(hui) 些許差異，使光束被引導至其他位置，特別是在進行熔穿切割或是鑽孔時，總會(hui) 出現問題。目前，大部分二維複合材料采用的都是壓平的方法，這也意味著在到達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量也不甚相同。還有一個(ge) 問題：盡管CFRP的瑕疵識別已經取得了許多進展，但是對邊緣質量的精確量化仍未建立統一的標準，而這一點恰恰是在熱加工過程中不可避免的。

CFRP切割及鑽孔的應用進展

自上世紀80年代中期起，人們(men) 就開始就激光工藝應用於(yu) 二維CFRP複合材料進行大量的研究。在激光器的選擇上，不僅(jin) 有紅外線固態激光器，還有遠紅外二氧化碳氣體(ti) 激光器；在複合材料的選擇上，覆蓋多種強化纖維類型，包括碳纖維、芳綸（對位芳酰胺纖維）、E級玻璃纖維、S級玻璃纖維，基體(ti) 材料基本都是環氧樹脂。

隨著皮秒及毫秒激光器的問世，研究人員發現了一些有趣的現象。後來，人們(men) 又用納秒級激光器以532 nm、266 nm波長在CFRP等高分子複合材料上進行實驗。激光切割最常用的方法是使用檢流掃描儀(yi) 及多通道高速傳(chuan) 導，不添加輔助氣體(ti) 。小孔徑衝(chong) 擊鑽方法相同；但如果是大孔徑，則需要用到同心圓和/或螺旋切割工藝。由於(yu) 適合商業(ye) 應用的短波長、短脈寬的激光器平均功率有限，所以當厚度超過1 mm時，盡管切割質量還不錯，但是速度太慢。當用模型確定最小的熱損傷(shang) 時，結果顯示，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，功率計算值達到幾千瓦。切割速度與(yu) 材料厚度往往與(yu) 平均功率直接相關(guan) 。在實際的商業(ye) 應用中，成本/ 千瓦 功率也是一個(ge) 重要的考量因素。

最近，一組光纖激光器加工空客A350XW結構部件的相關(guan) 數據使人眼前一亮。厚度2.2 mm，用激光器切割、鑽孔，使用多通道、高速掃描工藝，可惜的是，最後出於(yu) 收益考慮，激光器未被采用。盡管困難重重，前行的腳步卻從(cong) 未停止。研究發現，用二氧化碳作為(wei) 輔助氣體(ti) ，結合檢流計、遠程切割工藝，可有效降低熱能，配合不同的掃描方式，結果頗具實用性，尤其是像鑽孔這種可以平行加工的應用。

CFPR的其他激光應用

去漆：多年來，人們(men) 一直在進行關(guan) 於(yu) 激光去漆方麵的研究，目前有若幹種商業(ye) 係統可用於(yu) 金屬去漆，所用激光器為(wei) 二氧化碳激光器和連續型/脈衝(chong) 型光纖激光器。大量使用複合材料的航空業(ye) 仍停留在化學去漆階段，毫無疑問，化學方法對環境有害，所以激光去漆工藝對航空業(ye) 而言特別重要。有兩(liang) 種方法看起來都不錯，一種是用連續型光纖激光器，另一種是用高平均功率、Q開關(guan) 光纖激光器。不過目前獲取到的相關(guan) 信息非常少，唯一知道的就是現在正在使用的自動轉子葉片去漆係統（BRBSS），這種係統用於(yu) 直升機螺旋槳複合材料的脫漆。

BRBSS采用的是脈衝(chong) 型紅外線激光器，附帶一個(ge) 色彩識別係統。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，如果用戶通過閉環反饋係統進行全程控製，還能選擇連同底漆一起去除，完全不會(hui) 破壞下麵的複合材料。創新性、高平均功率、Q-開關(guan) 光纖激光器的應用，可顯著降低每 kW功率的成本。多機器並用，有助於(yu) 提高清除率。和其他領域一樣，該應用的定位也是具有成本優(you) 勢，經過多年的發展完善，其商業(ye) 價(jia) 值已日益凸顯。

提高粘合強度：人們(men) 還在進行兩(liang) 項與(yu) 激光器及複合材料相關(guan) 的工藝研究。其一是在傳(chuan) 統的粘合工藝之前，用波長為(wei) 355 nm的紫外線（UV）激光器或是波長為(wei) 308 nm的準分子激光器對複合材料表麵進行清潔及強化。傳(chuan) 統的表麵處理有單一機械性打磨或是等離子處理等，與(yu) 之相比，用紫外線激光器處理，複合材料表麵的粘合力有所改善，但是僅(jin) 僅(jin) 憑借這一點，還不能得出後者必定優(you) 於(yu) 前者的結論。雖然粘合強度數據本身不能充分說明問題，但是顯著且持續的改善比例（>20%）卻足以證明，紫外線激光器在複合材料表麵處理方麵確有其優(you) 勢。

局部修複：另一個(ge) 研究重點是用脈衝(chong) 激光器進行局部修複。目前被公認為(wei) 最具應用前景的方案是在受損區域進行激光燒蝕，再注入少量粘合劑，進行局部修複。其商業(ye) 價(jia) 值仍有待考證。

熱塑性複合材料的發展

所幸的是，以上種種“束手無策“都伴隨著熱塑性複合材料的應用，出現了轉機。熱塑性塑料可熱加工，可多次熔化凝固，同時保持屬性不變。與(yu) 熱固性複合材料在凝固過程中發生的永久不可逆的化學交聯反應完全不同，熱塑性塑料曝露於(yu) 高溫環境時發生的是降解反應，而非熔化。得益於(yu) 這種特性，熱塑性塑料具有抗斷裂性、可循環性、可修複性、耐化學性等多種屬性，最重要的是，可縮短加工時間，降低生產(chan) 成本。

應用最為(wei) 廣泛的熱塑性複合材料有聚醚酰亞(ya) 胺（PEI），聚醚醚酮（PEEK），以及聚苯硫醚（PPS），碳纖維強化或玻璃纖維強化範圍相同。我們(men) 來舉(ju) 一個(ge) 實際應用的例子：在2009年末成功完成首航的新型Gulfstream G650噴氣式飛機，其方向舵及尾舵均由熱塑性塑料製成，高溫接合，不用鑽孔及柳釘接合，這樣不僅(jin) 節約了成本，還降低了重量。複合材料用的是PPS基材，預浸纖維強化。預浸纖維表示纖維預先浸入樹脂基體(ti) ，然後經過熱熔粘合工藝，形成最終形狀。用這種材料支撐的部件堅硬、抗壓、牢固，形狀穩定，耐高溫，且重量比輕合金還輕。

人們(men) 就熱塑性複合材料的激光器切割及鑽孔工藝進行了大量的研究, 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(men) 發展激光工藝，提升工藝質量的希望。其實，真正的進展在於(yu) 這種新型材料的熱塑性，正是這種熱塑性，才使得激光固結及熱熔工藝的應用成為(wei) 可能。

圖3 ATP機頭 

 

熱塑性複合材料的激光固結

在生產(chan) 熱塑性複合材料時，預浸纖維的固結就是利用近紅外光纖激光器完成的。和其他行業(ye) 一樣，激光器也可以更換光源。在整個(ge) 自動鋪帶係統中，激光器是極為(wei) 關(guan) 鍵的部件（如圖3、4所示）。這些機器可以高速生產(chan) 複雜的3D部件，對激光光束時間及空間的精確控製，有助於(yu) 強化閉環溫度監控，提高熔融及固結工藝水平。隨著激光加熱係統（LHSs）的發展，AFP加熱係統可進一步升級熱氣炬（HGT）。很顯然，這也是未來的發展趨勢。在這個(ge) 領域 kW級光纖激光器隨處可見。

圖4 ATP運轉中

此外，人們(men) 還寄望於(yu) 通過激光加熱器改良熱固性複合材料AFP。現有的AFP大多數使用紅外線加熱係統，以便在編織之前提高預浸料表麵的粘著性，但是廣譜光總是會(hui) 幹擾紅外線高溫計，影響實時溫度控製的精確度。

熱塑性複合材料的激光焊接

在建築行業(ye) 中，人們(men) 常常需要將比較薄的玻璃纖維布板與(yu) 比較厚的碳纖維或玻璃纖維補強板接合起來，比如飛機內(nei) 飾、控製台表麵、直升機旋翼的後緣等。一般情況下，補強板的作用是使承重翻倍（提高局部承重），或是提高強度（減少承壓時麵板的撓曲/壓曲）。在熱固性複合材料中，通常使用粘合的方法將較薄的麵板與(yu) 較厚的底板接合起來，而對於(yu) 熱塑性複合材料而言，麵板既可以粘合（與(yu) 熱固性複合材料一樣），也可以焊接。在生產(chan) 大型結構部件時，粘合工藝的重複度很難滿足要求，因此人們(men) 已經將目光投向更加自動化、重複度更高的激光接合工藝。

為(wei) 此人們(men) 進行了一係列實驗，用於(yu) 評估可行性，並確定各種熱塑性複合材料接合的機械屬性。試驗的目標是用所需的纖維及基體(ti) 生產(chan) 出可用於(yu) 航空業(ye) 的既牢固、又美觀的複合材料，並將纖維/基體(ti) 的屬性與(yu) 激光焊接工藝的參數相關(guan) 聯。最後一組試驗為(wei) 兩(liang) 種PEI基材的複合材料之間的激光焊接：麵板0.25 mm厚，白色塗層（WP）,S2級玻璃纖維強化；補強板有兩(liang) 種，一種1.0 mm厚，S2級玻璃纖維強化，WP，另一種為(wei) 全碳纖維強化U形加筋板。

鑒於(yu) 碳纖維具有卓越的光吸收屬性，所以人們(men) 習(xi) 慣於(yu) 將碳纖維設為(wei) 底板，但是長纖維強化材料中有多層碳纖維，且織法多樣，這些都會(hui) 影響激光的傳(chuan) 導與(yu) 吸收，使情況變得複雜。一般來說，未經著色的或是天然的玻璃纖維對紅外線的穿透性強於(yu) 經過染色的基體(ti) 材料，更利於(yu) 激光焊接工藝的應用，所以，為(wei) 了增加終端產(chan) 品的美觀性，往往會(hui) 再增加一道增白處理。也正是因為(wei) 這個(ge) 原因，人們(men) 正在著力尋求能夠焊接染色纖維與(yu) 基體(ti) 材料的新型工藝。

其實激光焊接在本質上都是要依賴激光的傳(chuan) 輸（如圖5所示），其區別在於(yu) 麵板對光的吸收度更高，尤其是二氧化鈦白色麵板，接頭上方會(hui) 出現熔透現象，隻是區域極小，肉眼幾乎觀察不到，染了白色後就更加難以識別了。

 

 
圖5 傳(chuan) 統的激光傳(chuan) 導焊接示意圖

 試驗的研究重點是在白色加強板材料中加入三種不同水平的碳色素，用於(yu) 提高接頭強度。試驗所用的激光器為(wei) 1.07μm波長，連續型，光束直徑4.2 mm，多重準直，平均功率170 W。用笛卡爾XY坐標係記錄光束與(yu) 目標物之間的相對運動。用厚度為(wei) 0.25英寸的矽棚板夾持需要接合的部分。盡管焊接接頭的拉伸剪切強度通常不及粘合接頭，但是隻要焊道足夠寬，就能滿足強度要求。我們(men) 可以通過調節光纖激光器的功率密度，改變焊道的寬度。

圖6 S2級特殊玻璃纖維強化PEI基體(ti) 複合材料的數據結果

初步研究結論如下：

• 功率密度> 870 W/cm2時，如果存在任何汙染，會(hui) 看到局部快速碳化，未經染色的麵板變化更加明顯。這說明在實際生產(chan) 中不能超過該功率密度，因為(wei) 在生產(chan) 環境中很難做到絕對清潔。

• 當白色染色麵板與(yu) 含有不同水平碳元素的補強板（LC、MC及HC結果如圖6所示）焊接時，其接頭強度高於(yu) 天然複合材料與(yu) 黑色AS4增強基材的焊接接頭。

• 麵板和底板同時用二氧化鈦（TiO2）著色，可形成良好的接頭強度。

• 底板的碳色素含量相對較低，並負載二氧化鈦時，接頭強度將顯著高於(yu) 天然複合材料與(yu) 黑色補強板的接頭，究其原因，應是二氧化鈦著色劑的光線離散效應 有助於(yu) 提高焊道區域的融合度。 

目前還在進行的另一項研究是“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階段，強度及持久性均有待提高，但是人們(men) 確已實現了用紅外線激光器焊接金屬與(yu) 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）。  

結論 

盡管研究取得了一些進展，但是複合材料的不同質性仍然是激光應用的主要挑戰。在加工加厚（厚度>3 mm）複合材料結構構件時，短波激光器及超短波激光器的經濟優(you) 勢及商業(ye) 應用價(jia) 值仍有待進一步考證。光纖激光器的發展有助於(yu) 拓展適合於(yu) 複合材料的激光工藝。熱塑性複合材料的崛起，催生出新型激光固結工藝，並推動著相關(guan) 技術的研發與(yu) 應用。