《JOURNAL OF BUSINESS VENTURING》：A novel approach for reducing thermal damage in laser processing of CFRP through synergistic cryogenic cooling and lateral gas blowing: Mechanism analysis and parameter optimization
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激光加工碳纤维增强塑料时，传统方法易产生严重热损伤。本研究提出协同低温冷却与侧向气体吹扫（SCCLGB）策略，通过预冷降低材料热导率，利用氮气吹扫形成动态冷却层，实现93.7%的HAZ宽度缩减，并建立回归模型预测热影响区宽度与去除率。研究揭示了低温抑制热传导、气体吹扫促进相变冷却、减少氧化降解的三重机理。
Hong An|Yongfeng Qian|Haolin Guo|Xinzhe Xu|Hu Huang|Jiwang Yan
教育部数控设备可靠性重点实验室，吉林大学机械与航空航天工程学院，长春130022，中国
摘要
碳纤维增强塑料（CFRP）作为一种关键的轻质结构材料，由于其出色的机械性能，在汽车和航空航天工业中得到了广泛应用。然而，激光加工CFRP通常会导致严重的热损伤并破坏表面完整性，从而阻碍高质量零件的制造。为了克服这一限制，本研究提出了一种协同的低温冷却和侧向气体吹扫（SCCLGB）策略，以有效减轻激光加工CFRP过程中的热损伤。系统地研究了使用SCCLGB处理的CFRP的表面特性。与传统激光加工方法相比，SCCLGB可将热影响区（HAZ）的宽度减少高达93.7%。热损伤抑制的机制包括抑制热传递、增强对流冷却和减少氧化降解。建立了预测HAZ宽度和材料去除率（MRR）的回归模型，并通过实验进行了验证。详细分析了加工条件对HAZ和MRR的单独和交互作用。还制定了基于特定制造要求选择最佳加工条件的实用指南。这项工作为CFRP的高精度制造建立了一种新策略，为其在相关工业领域的应用提供了有前景的途径。
引言
汽车和航空航天工业的最新进展优先考虑减轻车身结构和飞机机身的重量，以提高燃油效率，从而降低运营成本并支持可持续性目标[1]、[2]、[3]。碳纤维增强塑料（CFRP）作为一种高性能复合材料，由于其出色的强度重量比、优异的耐腐蚀性和低热膨胀性，在汽车、航空航天和土木工程应用中的轻量化设计中变得不可或缺[4]、[5]、[6]、[7]。然而，CFRP的固有不均匀性和各向异性导致了各种加工缺陷，如分层、热损伤和纤维拔出，这些缺陷共同导致CFRP零件的报废率高达60%[8]。常见的加工方法包括传统的机械加工、电火花加工（EDM）、磨料水射流加工（AWJM）、电化学放电加工（ECDM）和激光加工[9]、[10]、[11]、[12]。虽然传统的机械加工成本效益高，但往往会导致纤维剥离、毛刺形成和工具快速磨损[13]。EDM可以实现CFRP的精密切割，并且表面损伤小，但CFRP本身较低的导电性限制了其效果[14]。此外，环氧树脂和碳纤维之间的导电性差异使得材料去除不均匀[15]。AWJM依靠含有磨料的射流去除材料，不会引起热损伤，但由于磨料的渗透存在纤维脱落和次表面分层的风险[16]。同样，ECDM避免了热损伤，但面临环境污染和加工灵活性有限的挑战，限制了其在工业中的应用[17]。相比之下，激光加工提供了一种非接触式的、环保的解决方案，可以消除工具磨损，并实现复杂CFRP零件的高精度制造[18]、[19]、[20]。然而，由于材料去除机制主要是热效应，过多的热量积累往往会导致严重的热损伤，包括广泛的热影响区和树脂降解[21]。因此，开发有效的策略对于推进CFRP激光加工的适用性和可靠性至关重要。
当前的研究指出，在激光烧蚀区域冷却不足是CFRP激光加工过程中热损伤的主要原因[22]、[23]。大量证据表明，将惰性气体或液体介质引入加工环境可以增强散热并帮助去除碎片，从而减轻热损伤并提高表面完整性[24]、[25]。例如，Qin等人研究了辅助气体（特别是氧气和氮气）对CFRP激光加工过程中热影响区（HAZ）形成的影响，发现氮气的辅助显著减少了热降解并使HAZ变窄[25]。早期研究进一步证实了氮气在抑制基体热解和防止碳纤维在高温下不受控制氧化方面的有效性[26]。然而，在气体压力不足或大面积加工的情况下，气体的对流冷却能力显著减弱，限制了它们控制热损伤的能力。
与气体辅助激光加工相比，水辅助激光加工通常提供更好的冷却性能。Wang等人证明，水下激光烧蚀CFRP可以有效抑制热量积累并显著缩小HAZ[8]。然而，烧蚀产生的碎片和气泡可能会散射或阻挡入射光束，而厚厚的静止水层会减弱激光能量，降低加工效率[27]。正如先前的工作所示，水射流辅助激光加工中的对流冷却效果大大减少了CFRP表面的热损伤[28]。Tangwarodomnukun等人报告称，通过在CFRP表面施加低压水射流生成薄而动态的水膜，可以将HAZ宽度减少20%[29]。然而，这种薄膜的流速有限，限制了它们的热提取能力。此外，长时间暴露在液态水中会促进CFRP吸收水分，可能损害其机械性能[30]。尽管混合水-气体射流可以提高薄膜的稳定性，但它们仍然难以在不导致表面降解的情况下保持最佳厚度和动态稳定性[22]。
为了克服这些限制，本研究提出了一种协同的低温冷却和侧向气体吹扫（SCCLGB）方法，以最小化热损伤并提高加工质量。与传统方法不同，SCCLGB利用低温处理来降低碳纤维和环氧树脂的固有导热性，从而从根本上限制了激光照射过程中的热量传播。更重要的是，超冷却的CFRP表面会形成霜层，在激光照射下发生原位相变，生成一层短暂的水层，该水层通过高速氮气射流被引导到烧蚀区域。这种协同配置实现了极其高效的热提取，实现了HAZ宽度的前所未有的减少和最小的基体损伤。值得注意的是，高速气体射流确保了瞬态冷却剂能够到达更深的加工区域，解决了传统气体辅助方法的一个关键缺点，即冷却效果在压力不足或加工区域较大时下降。此外，通过霜层升华和熔化形成的超薄水层在抑制HAZ和材料飞溅后迅速蒸发，从而避免了水辅助或混合辅助技术中持续存在的液体层引起的激光衰减和水分引起的降解。因此，SCCLGB通过独特的低温预处理和动态相变增强流体辅助的集成，超越了现有辅助策略的固有限制。此外，气体射流和流动冷却剂的共同作用有效地去除了再沉积的材料和碎片，显著提高了表面质量。
此外，系统地研究了四种不同的激光加工策略（包括直接激光加工、低温处理辅助激光加工、氮气辅助激光加工和SCCLGB辅助激光加工）对激光烧蚀CFRP关键表面特性的影响。评估的特征包括HAZ形态、表面粗糙度、材料去除率（MRR）、微观/纳米级地形和化学成分。通过将实验数据与多物理模拟相结合，阐明了SCCLGB中热损伤抑制和表面质量提升的基本机制。使用响应面方法（RSM）建立了预测HAZ宽度和MRR的回归模型，并通过独立实验进行了严格验证。定量分析了关键加工条件（特别是冷却温度、气体注入角度、气体流速和激光功率）对加工结果的单独和交互作用。这些模型在测试参数范围内表现出稳健性，并为在不同制造要求下的快速参数优化提供了可靠的框架。这项工作提出了一种基于激光的CFRP组件高精度制造的新方法，并为选择适当的加工条件提供了全面的框架，为先进复合材料的低热损伤加工提供了有价值的参考。
章节片段
材料
尺寸为50 mm × 50 mm × 2 mm的黑色CFRP层压板使用金刚石线锯切割成25 mm × 25 mm × 2 mm的测试样品，如图S1(a)所示。CFRP层压板由嵌入环氧基体中的碳纤维组成，呈现出多层交叉层结构，相邻层之间的取向分别为0°和90°。每层的平均厚度约为168 μm（见图S1(b)）。在激光加工之前，所有CFRP样品
加工质量和效率
激光加工的精度对CFRP组件的结构和功能性能至关重要，因此高精度的表面控制对于先进制造应用来说是不可或缺的。HAZ宽度和表面粗糙度是评估激光加工CFRP样品表面质量的关键指标。图2(a)和(b)比较了在四种不同加工方案下加工的CFRP样品的HAZ宽度和表面粗糙度。
结论
总之，本研究提出了一种名为SCCLGB的新低损伤加工方法，用于CFRP层压板的精密加工。对SCCLGB辅助激光处理后的表面形态和完整性进行了全面表征。结合RSM的工艺优化进行了系统实验研究，以阐明潜在机制并提高加工效果。主要发现总结如下：
(1).作者贡献声明
Hong An：撰写——原始草稿、调查、正式分析、数据管理。Yongfeng Qian：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、资金获取、数据管理。Haolin Guo：调查、正式分析。Xinzhe Xu：调查、正式分析。Hu Huang：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、方法论、资金获取、概念化。Jiwang Yan：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（批准号：52405480）、吉林省自然科学基金（批准号：20250102116JC）、国家重点研发计划项目（批准号：2022YFB4600204）和中央高校基本科研业务费（批准号：2023-JCXK-02）的支持。
