5052铝–玻璃纤维金属层合板CO2激光钻孔中激光功率、辅助气体压力与进给速度对热影响区及孔几何质量的影响：随机全因子试验与多响应评价

《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of Laser Power, Assist-Gas Pressure, and Feed Rate on HAZ and Hole Quality in CO 2 Laser Drilling of 5052 Aluminum–Glass Fiber Metal Laminates

　　

纤维–金属层合板（FMLs）兼具纤维增强复合材料的轻质特性以及金属层的强度和损伤容限，但其非均质结构使高质量制孔仍具挑战。本研究采用随机三因素、三水平全因子设计，对实验室制备的5052铝–玻璃纤维金属层合板进行连续波CO₂激光钻孔研究。激光功率、辅助气体压力和进给速度分别在2.5–3.5 kW、6–10 bar和6600–8600 mm/min范围内变化。27个处理组合各在3个独立钻孔上重复，共获得81个观测。孔质量以热影响区（HAZ）宽度、孔径相对标称6.00 mm直径的绝对偏差以及孔壁角相对理想90°几何的偏差进行评价。全因子方差分析（ANOVA）表明，激光功率是影响HAZ宽度的主导因素，进给速度和激光功率×辅助气体压力交互作用也显著。孔径精度呈现最强的交互结构，激光功率、辅助气体压力和进给速度三因素交互作用约占总变异的30.2%（p<0.001）。对于孔壁几何，采用带符号锥度偏差进行因子推断，以保留相对90°的偏差方向；而绝对锥度偏差用于多响应评价。激光功率是影响带符号锥度偏差的主导因素，并存在显著的激光功率×辅助气体压力交互作用。HAZ宽度对激光功率呈非单调依赖，在2.5–3.0 kW增加，在3.5 kW降低。多响应评价确定6 bar辅助气体压力、2.5 kW激光功率和7600 mm/min进给速度为实验评价组合中的最佳平衡条件，平均HAZ宽度为0.255 mm、直径偏差为0.020 mm、绝对锥度偏差为0.797°。结果表明，可靠控制CO₂激光钻孔FML孔质量需同时考虑热损伤、尺寸精度及加工参数间交互作用。

研究背景方面，纤维金属层合板（FMLs，由金属层与纤维增强聚合物层交替组成的混合材料）兼具金属与纤维增强复合材料的互补特性，GLARE?等层合板已面向航空航天应用发展。螺栓和铆钉机械紧固仍是复合材料及FML结构的重要连接方式，因此高质量制孔十分关键。然而FMLs的非均质结构使金属层和纤维增强层对机械与热载荷响应不同，传统钻孔可能产生分层、纤维拔出、基体开裂、毛刺和孔壁缺陷，并伴随推力与刀具磨损；超声辅助钻孔虽可降低推力和分层，但激光加工作为非接触方法可避免刀具–工件直接作用及切削刃磨损和机械力。不过激光局部热输入会引起基体降解、热影响区（HAZ，激光加工造成材料受热影响的区域）以及孔几何偏离，包括锥度。已有研究多集中于FMLs传统钻孔或聚合物基复合材料激光加工，针对铝–玻璃FMLs中激光功率、辅助气体压力和进给速度对热与几何质量，尤其参数交互作用的综合影响仍不充分。基于此，研究人员对实验室制备的5052铝–玻璃纤维层合板开展连续波CO₂激光钻孔研究，采用随机、重复的三因素三水平全因子试验，评价HAZ宽度、孔径绝对偏差和孔壁相对90°几何的偏差，并通过因子分析表征主效应与交互结构，利用多响应评价在实验参数空间内识别有利条件。研究结论表明，孔质量可靠控制必须同时考虑热损伤、尺寸精度和参数交互作用。

关键技术方法概括如下（不超过250字）：采用连续波CO₂激光（波长10.64 μm，最大功率6 kW）钻孔；以激光功率、氮气辅助气体压力和进给速度为三因素，各取三水平，进行随机三因素三水平全因子设计，每个处理组合独立钻3孔，共81个观测；样本来源为实验室手工铺层制备的Al/6G/Al型5052铝–玻璃纤维层合板，名义尺寸250 mm×250 mm、厚度约2.8–3.0 mm；孔径用分辨率0.01 mm的数显卡尺测量，孔截面经扫描电子显微镜（SEM）在20×、30×、45×下成像并用ImageJ测量HAZ宽度和孔壁角；采用全因子方差分析（ANOVA，检验因素及交互作用显著性的统计方法）在α=0.05下分析，并用R²、调整R²、预测R²、RMSE和残差诊断评价模型；Micro-CT和层析成像因铝所致伪影或对比不足未用于最终测量。

研究结果如下。3.1 模型充分性与全因子方差分析：通过全因子模型充分性统计得出，模型对孔径绝对偏差解释能力最强（R²=0.819），其次为带符号锥度偏差（R²=0.762）和HAZ宽度（R²=0.674）；对应调整R²分别为0.733、0.647、0.517，预测R²分别为0.590、0.470、0.270。3.2 热影响区宽度：基于81个孔截面SEM测量和ANOVA得出，激光功率对HAZ宽度影响最大，进给速度和激光功率×辅助气体压力交互作用也显著（p<0.05），辅助气体压力单独不显著，三因素交互作用接近但未达到0.05显著水平；HAZ宽度对激光功率呈非单调依赖，从2.5至3.0 kW增加、在3.5 kW降低；全部重复处理中最小处理平均HAZ为0.244 mm（2.5 kW、6 bar、8600 mm/min）。原文提出，中间功率可能因熔融物与孔壁接触时间较长而促进HAZ，较高功率下熔融物喷射和汽化增强可能缩短熔融物停留时间并限制HAZ增长，但该机制未被直接测量，应视为物理解释而非实验证明的因果关系。3.3 锥度偏差：以孔壁角θ相对层合板表面测量，理想圆柱孔θ=90°；因子推断采用带符号锥度偏差（Δθ=θ?90°，保留孔壁角偏离90°的方向），工程比较和多响应评价采用绝对锥度偏差（E_T=|θ?90°|，不保留方向）。ANOVA得出带符号锥度偏差模型显著（p<0.0001），解释约76.2%变异；激光功率为主导单因素，约占总变异32.1%，其次为激光功率×辅助气体压力交互作用（18.4%）；辅助气体压力和进给速度主效应显著，辅助气体压力×进给速度交互作用在0.05水平显著，而激光功率×进给速度及三因素交互作用不显著。示例中两侧壁角相差约0.14°，测得90.662°和90.523°，对应绝对锥度偏差0.662°和0.523°，平均约0.593°。3.4 孔径偏差：通过孔径绝对偏差（E_D=|D?6.00|，D为实测直径）的ANOVA得出，孔径偏差具有最强交互结构；激光功率和辅助气体压力主效应显著，进给速度主效应在α=0.05下不显著（p=0.072），但进给速度参与与激光功率及辅助气体压力的显著交互；激光功率×辅助气体压力×进给速度三因素交互作用高度显著（p<0.001），约占总校正变异30.2%，说明尺寸精度强烈依赖组合工艺条件，不能仅由主效应解释。3.5 有利条件多响应评价：由于实验仅评价27个名义参数组合，多响应分析用于在实验研究域内识别有利条件而非预测连续全局最优；同时最小化HAZ宽度、孔径绝对误差和绝对锥度偏差。评价得出6 bar辅助气体压力、2.5 kW激光功率和7600 mm/min进给速度为实验评价组合中的最佳平衡条件，平均HAZ宽度0.255 mm、直径偏差0.020 mm、绝对锥度偏差0.797°；响应特定最小值分别为HAZ 0.244 mm（6 bar、2.5 kW、8600 mm/min）和锥度偏差0.080°（10 bar、3.5 kW、7600 mm/min）。3.6 残差诊断：对各因子模型进行残差诊断得出，部分响应存在一定非正态偏离，而重复处理组合间方差齐性总体满意；对HAZ宽度和直径偏差取对数进行敏感性分析后主要因子结论未实质改变，故以原工程单位报告；带符号锥度偏差用于因子推断以保留偏离方向；Cook距离分析未发现严重影响观测；锥度数据最大偏离出现在10 bar、3.0 kW、6600 mm/min，其中一个测得壁角为87.93°，因该观测为实验记录且无测量或转录错误证据而保留；由于三因素三水平完全因子模型估计全部27个处理组合均值，残差变异为处理内纯误差，独立传统失拟检验不可估计。

讨论总结：原文讨论强调，CO₂激光钻孔FMLs的孔质量受热损伤、尺寸精度和孔壁几何的共同影响，且参数交互作用不可忽略；HAZ的非单调功率响应需结合熔融物排出和汽化等可能机制理解，但未直接测量；多响应评价给出的是实验评价组合中的最佳折中，而非连续全局最优；残差诊断支持主要因子结论，饱和全因子模型无法独立估计失拟。研究结论翻译如下：(1) 激光功率是影响HAZ宽度的主导因素，进给速度和激光功率×辅助气体压力交互作用也具统计显著性；HAZ对激光功率呈非单调依赖，从2.5至3.0 kW增加、在3.5 kW降低；较高功率下熔融物喷射和汽化增强可能促成该行为，但该机制未被直接测量。(2) 孔径精度强烈受加工参数间交互作用支配；激光功率×辅助气体压力×进给速度交互作用高度显著（p<0.001），约占总校正变异30.2%，表明尺寸精度不能仅由主效应充分解释。(3) 带符号锥度偏差主要受激光功率影响，其次为激光功率×辅助气体压力交互作用；辅助气体压力和进给速度也表现显著主效应，表明孔壁几何依赖能量输入及加工参数的耦合作用。(4) 多响应评价确定6 bar辅助气体压力、2.5 kW激光功率和7600 mm/min进给速度为实验研究组合中的最佳平衡条件，平均HAZ宽度0.255 mm、直径偏差0.020 mm、绝对锥度偏差0.797°；该条件代表实验观测的最佳折中，而非连续全局最优。