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本研究系统探究了连续波激光加工在CFRP层压板中引起的孔结构及热影响区（HAZ）对剩余拉伸强度的影响。通过激光烧蚀实验、开孔拉伸测试和热-力学耦合模拟发现，激光加工产生的HAZ导致应力重分布，使峰值应力从几何边界转移到HAZ与完好材料过渡区，且剩余强度较机械钻孔降低50-68%。研究表明，激光诱导缺陷不能等同于机械钻孔孔洞，其等效性需考虑几何尺寸与材料退化耦合效应
韩欣松|尾崎E Vance|朱龙宇|韩志林|孙宝忠|冯宇|罗传阳
上海高性能纤维与复合材料中心（省部共建），东华大学民用航空复合材料研究中心，中国上海201620
摘要
连续波激光辐照在碳纤维增强聚合物（CFRP）层压板中引入了一种与传统钻孔缺陷根本不同的损伤模式。本研究通过激光烧蚀实验、开孔拉伸测试和序贯耦合的热机械模拟，系统地研究了激光诱导穿孔对残余抗拉强度的结构影响。激光辐照产生了锥形烧蚀坑，周围是明显的热影响区（HAZ），其特征包括基体热解、界面降解、微裂纹和分层。与仅代表纯几何不连续性的钻孔不同，激光诱导的缺陷包含一个几何结构与材料降解相互耦合的区域。开孔拉伸测试结果显示，与相同名义直径的钻孔试样相比，强度降低了50-68%，并伴随着早期载荷下降和阶段性失效行为。有限元分析表明，硬度降低的热影响区改变了孔周围的应力分布，使峰值应力从几何边界转移到降解区域与完好材料之间的过渡区。引入了一个基于有效缺陷尺寸的无量纲结构参数来关联残余强度的降低。尽管在每个激光斑点组内观察到单调的强度降低趋势，但数据集并未集中在一条统一曲线上，这表明强度降低不能仅用几何结构的变化来解释。研究结果证实，激光诱导的缺陷不能等同于机械钻孔形成的开孔。烧蚀几何形状和热诱导材料降解的综合作用从根本上决定了激光损伤CFRP层压板的应力传递和渐进失效机制。
引言
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料广泛用于飞机和无人驾驶飞行器的主要承力结构中，其中损伤容忍度的评估对结构安全至关重要。在传统的服役场景中，复合材料层压板的结构完整性评估通常考虑由紧固件或加工引入的缺陷，如开孔。这些缺陷通常被视为几何不连续性，即假设孔周围的层压材料在力学上保持均匀且未受损[1]、[2]、[3]。在这种框架下，应力集中在孔边缘，残余强度主要由孔径与宽度的比例和纤维束宽度等几何参数决定[4]、[5]。
然而，高能激光武器的快速发展在航空航天复合材料结构中引入了一种根本不同的损伤模式。多项实验研究表明，激光辐照不仅产生几何空腔，还产生周围的热影响区（HAZ），其特征包括基体分解、纤维暴露和层间分层[6]、[7]、[8]、[9]。吴等人[10]和杨等人[11]报告称，连续波激光辐照CFRP层压板后会产生一个锥形烧蚀坑，周围是明显的热降解区域，在该区域内观察到基体热解和纤维-基体脱粘。同样，Pagano等人[12]量化了随着激光功率密度增加热影响区尺寸的变化，并表明分层现象会超出可见的烧蚀边界扩展。这些观察表明，激光诱导的穿孔不仅涉及材料去除，还涉及一个在结构上仍与层压板相连的硬度降低区域。
除了形态学特征外，还研究了激光加工对残余力学性能的影响[13]、[14]。赵等人[15]报告称，由于局部纤维升华、基体热解和层间分层，复合材料的残余承载能力有所下降。Wolfrum等人[16]进一步证明，激光烧蚀复合材料的残余抗压强度与热影响区面积密切相关。在疲劳载荷场景中，Kalyanasundaram等人[17]发现，激光加工引入的热诱导缺陷成为损伤传播的起始点。这些研究表明，激光烧蚀孔周围的热影响区可能积极参与应力传递并影响失效过程。
然而，现有的关于激光与CFRP相互作用的研究主要集中在热效应或材料降解的角度，关注烧蚀坑的形态、温度变化以及激光功率密度对烧蚀特性的影响[18]、[19]、[20]、[21]。尽管残余强度的降低与热影响区大小有关，但这些发现通常是从材料损伤严重程度的角度进行讨论的，而不是从结构应力传递机制的角度[13]、[16]。因此，目前尚不清楚激光烧蚀孔是否可以等同于传统开孔模型中的机械钻孔缺陷。在传统的开孔模型中，假设几何不连续性外的层压材料保持其原始力学性能[22]。然而，硬度降低的热影响区的存在会在空腔周围引入非均匀的材料场，这可能会改变应力分布、移动峰值应力位置，并改变渐进失效的顺序。因此，有必要对这种差异进行系统的结构评估，以确定这种等效假设是否仍然成立。
本研究通过实验和数值比较了具有相同名义孔径的激光烧蚀孔和传统钻孔孔的CFRP层压板，以解决这一问题。进行了连续波激光穿孔和开孔拉伸测试来表征残余承载行为。此外，建立了一个包含激光热源和温度依赖性材料降解的耦合热机械数值模型，以分析激光烧蚀孔周围的应力分布和渐进损伤过程。结果表明，硬度降低的热影响区积极参与应力传递，导致应力峰值迁移和失效机制的转变。这些发现为热影响区在损伤容忍度评估中的影响提供了结构上的见解。
材料与试样
本研究使用T300碳纤维/环氧预浸料制备CFRP层压板。层压板采用真空袋成型工艺制造，层叠顺序为[0/45/90/-45]?s，名义厚度约为3.0毫米。根据ASTM D5766/D5766M-02a [23]标准从固化后的层压板中加工出钻孔试样。详细几何形状如图1所示，总长度为250毫米。为了研究激光诱导损伤大小对残余性能的影响
宏观形态
激光辐照过程中的烧蚀过程如图2所示。在初始辐照阶段（图2(b1)），入射激光能量在辐照中心迅速转化为热能，导致基体剧烈热解和材料汽化。产生的热蒸汽与空气混合并燃烧，产生明亮的火焰和灰白色烟雾，而背面表面保持完好（图2(b2)）。一旦检测到穿透，立即终止辐照。
结论
本研究系统地研究了连续波激光穿孔对CFRP层压板的形态特征、残余抗拉行为和渐进失效机制，以传统钻孔开孔作为参考。主要结论如下：
连续激光辐照产生一个锥形烧蚀坑，周围是机械降解的热影响区（HAZ）。虽然烧蚀直径随激光功率增加而增大，但HAZ的范围
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了上海自然科学基金（24ZR1401700、25ZR1402003）和国家高能束加工技术重点实验室基金（KZ571801）以及国家自然科学基金（52472465）的支持。
