约50年来，飞机制造商一直在使用纤维增强塑料（Fiber-Reinforced Plastic, FRP）材料。随着行业 对FRP材料优点的认识越来越深，这种材料的使用率也在逐年稳步提高。尽管在最初的时候FRP材料比传统材料的成本要高一些，但是其在效率、保养和燃料节省收益上的优势非常明显，因此这些优势才可以弥补在飞机初始投资成本较高的劣势。

　　碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料（GFRP）由束缚在聚合树脂里的碳纤维或玻璃纤维基底组成，从而带来许多满足需要的特性，最显著的就是高强度重量比，还有高硬度、低热膨胀系数以及优异的耐腐蚀性。

　　使用较轻的FRP材料来制造飞机，每年能够在飞行上节省几百万美元的燃料成本。举例来说，波音787“梦想客机”在使用寿命期间节省的飞机保养费用约为3000万至4000万美元之间。

　　FRP材料的优点有很多，但众所周知的是这种材料非常难加工。传统的加工方法，比如机械铣削和钻孔，会引起破片、热损害、分层、纤维拔出以及对工具的严重磨损。近来，人们研究使用水注切割，但还是会引起纤维分层以及其他的实用性限制。举例来说，当加工起始的地方不是在材料的边缘时，就需要钻一个导向钻孔。作为一种非接触式的材料移除工艺，激光加工能够提供解决上述问题的方案。然而，一直以来，在这种应用中，激光和材料之间的相互作用尚没有得到广泛理解。针对这个问题，JK Lasers公司联合英国利物浦约翰摩尔大学（John Moores University）一起开展了研究。

　　为了让研究人员更加了解激光和材料之间的相互作用，在研究中使用了两种光束特性不同的激光源来加工。使用带有钻孔喷嘴的Nd:YAG激光器JK300D（以光纤传输，具有高峰值功率）来进行冲击钻孔试验。使用带有切割喷嘴的200瓦单模光纤激光器JK200FL进行切割试验。使用配有扫描头的JK200FL进行穿孔和铣削试验。

激光和材料的相互作用

　　影响FRP加工的主要因素在于碳纤维或玻璃纤维与聚合物基底相比，特性差异极大。汽化纤维要求的激光功率要比汽化聚合物的高很多。

　　当处理CFRP时，物件的反应差异是最明显的。汽化聚合物仅仅要求少量的热能，而碳纤维的导热能力非常好，这也意味着在切割纤维前，大量的能量已经被传导走了。因此，对于高品质激光加工来说，必须特别注意管理材料的热量输入。

在用Nd:YAG激光器进行冲击钻孔的过程中，使用了两种不同的辅助气体：氮气和二氧化碳。结果显示，使用的辅助气体对孔的质量有较大的影响。

　　当使用氮气作为辅助气体时，样本表面上留下了聚合物基底热分解后的薄层。而使用二氧化碳作为辅助气体时，处理后FRP的表面质量要提高许多。出现这样的结果是由于二氧化碳的冷却质量要好一些。

　　当使用光纤激光器对FRP材料进行切割时，带来的热损害很少。这是因为激光器的光斑尺寸很小。图1和2显示的是光纤激光器切割表面和带来热损害的SEM图像。从图像上可以清楚地看到热损害被限制在复合材料的单独一层上。

　　这些结果对于航空和航天工业来说是非常有利的。因为材料的大部分并没有受激光加工影响，因此复合材料依然非常牢固和稳定。

　　图3显示的是机械切断产生的边缘质量同光纤激光切割相比较的情况。在机械切断的样本上，可以看到复合材料大部分突出纤维，而在激光切割的样本上可以看到光滑的边缘。