短脉冲固体激光器用于加工碳纤维材料

1．引言

碳纤维（carbon fiber，简称CF）就是纤维状的炭，含碳量在95%以上，是具有高强度、高模量的新型纤维材料，由含碳量高的人造纤维或者合成纤维（如片状石墨微晶等）在特定的工艺下制得。作为一种高性能的纤维材料，碳纤维已经在工业、民用及军事领域，得到广泛的应用。

图1. 薄片式碳纤维材料

碳纤维材料的最早发明者是爱迪生，1879年，他将棉丝炭化，用来做白炽灯的灯丝。从1950年代开始，随着空间技术的发展，对新型材料的需求也越来越旺盛，碳纤维材料得到长足的发展。截止到目前为止，日本是碳纤维材料的最大制造国，美国是碳纤维材料的最大使用国。我国在碳纤维材料方面的研究、生产及应用，近年来也取得突破性的进展，后来居上。

本文主要探讨了利用激光的方式加工薄片式碳纤维材料，该材料厚度0.1mm，细节如图1所示。该材料用于制作小型无人机翅膀骨架结构，如图2所示。

图 2. 小型无人机翅膀骨架结构

激光加工相对于传统的加工方式，有加工速度快、无毛边、热效应小、可切割为任意形状等诸多优势。目前做非金属材料精密加工的激光器，主要为固体激光器，且尤以短脉冲及超短脉冲激光器的使用效果最佳。该种类型的固体激光器，脉冲宽度只有10ns或者10ps甚至是飞秒量级。而飞秒激光器由于稳定性及成本问题，在工业领域，尚未得到广泛应用。而纳秒和皮秒激光器中，又以皮秒激光器的加工效果更佳，在热效应、加工残渣及边缘效果方面，皮秒均彰显更大的优势，对比如图3所示。

图3. 纳秒及皮秒激光加工效果对比

而在同一脉冲宽度下，激光器的波长越短，热效应也越小。目前市面上的固体激光器波长主要包括1064nm红外、532nm绿光、355nm紫外以及266nm深紫外。而266nm深紫外激光器的成本高，且多为国外垄断，国内目前多数的激光器生产厂家还处在低功率或者未产业化的阶段。

本文着重介绍532nm纳秒绿光激光器、355nm纳秒紫外激光器以及1064nm皮秒红外激光器这三种激光器（激光器均来自北京莱泽光电技术有限公司），在碳纤维薄膜材料加工中的实验研究。

2．实验研究

本实验依次采用三种不同的激光器，对材料进行切割处理，切割的图形为圆形和正方形，圆形的直径为4mm，正方形边长4mm。详细数据如下：

2.1 355nm纳秒紫外激光器加工

加工参数如下：

2.2 532nm纳秒绿光激光器加工

加工参数如下：

2.3 1064nm皮秒红外激光器

加工参数如下：

3 实验结果

3.1 355nm纳秒紫外加工分析

加工效果如下图所示。4×4mm方形加工时间7.9s，φ4mm圆形加工时间6s。在加工方形样品是，加工边缘的烧蚀区域约40μm，热影响区约100μm；圆形样品的热影响区约为90μm。

3.2 532nm纳秒绿光加工分析

加工效果如下图所示。4×4mm方形加工时间0.44s，φ4mm圆形加工时间0.36s。在加工方形样品是，加工边缘的烧蚀区域约50μm，热影响区约150μm；圆形样品的热影响区约为150μm。

3.3 1064nm皮秒红外加工分析

加工效果如下图所示。4×4mm方形加工时间0.4s，φ4mm圆形加工时间0.32s。在加工方形样品是，加工边缘的烧蚀区域约20μm，热影响区约70μm；圆形样品的热影响区约为70μm。

4 分析及结论

4.1加工时间：皮秒和绿光接近，紫外最慢，主要是受激光器的功率限制。

4.2边缘效果：紫外的功率低，需要振镜控制光路走很多遍才能将材料去除，因此造成了较为严重的热影响区，可以看到，热影响区的颜色是三种光源中最深的。但是，紫外激光本身接近冷光源，加工接近冷加工，所以，其热影响区的尺寸排在三者中间。皮秒激光依靠短脉冲的优势，在三者中，加工效果最佳。绿光的热影响区尺寸最大，没有紫外的冷光源和皮秒激光的短脉冲优势，主要原因是由波长引起的。

综上所述，皮秒激光器以其高功率及短脉冲的优势，加工效果最好，但设备成本过高。紫外激光以其短波长、类似冷光源的优势，加工效果良好，但受限于功率低，加工时间偏长。绿光激光相对于紫外激光器而言，波长稍长，加工效果略差，但是功率高于紫外激光器，加工时间快。