【摘 要】
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碳纤维具有非常高的比模量和比强度,在工业生产的高性能纤维中占据着重要地位,目前碳纤维材料在越来越多的领域发挥着重要作用,例如高新技术领域的航空航天、新能源汽车、建筑、体育用品等。激光切割是无接触式加工,并且实现窄切缝、材料去除率高、去除速度快、自动化程度高等高质量加工,避免了传统加工中常见的刀具磨损、效率低、高成本问题,但同时存在热损伤问题。气体辅助激光加工技术可以在一定程度上提高切割质量和激光利
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碳纤维具有非常高的比模量和比强度,在工业生产的高性能纤维中占据着重要地位,目前碳纤维材料在越来越多的领域发挥着重要作用,例如高新技术领域的航空航天、新能源汽车、建筑、体育用品等。激光切割是无接触式加工,并且实现窄切缝、材料去除率高、去除速度快、自动化程度高等高质量加工,避免了传统加工中常见的刀具磨损、效率低、高成本问题,但同时存在热损伤问题。气体辅助激光加工技术可以在一定程度上提高切割质量和激光利用率,而当前气体辅助脉冲激光切割碳纤维复合材料的影响和作用机理少见报道。本文利用气体辅助激光在高峰值功率和高扫描速度下切割碳纤维复合材料,研究氮气、氧气两种气体辅助方式对切槽形貌的影响;同时研究在激光参数变化时对上表面形貌、切割深度和热影响区的影响规律,并分析气体辅助激光加工碳纤维复合材料的机理,具体研究如下:（1）根据碳纤维复合材料的结构和属性,总结了脉冲激光与材料相互作用过程和气体环境对加工的影响,研究激光加工碳纤维复合材料时热损伤形成的原因和造成热损伤的主要工艺参数。（2）探讨热输入对加工的影响及工艺机理,利用COMSOL仿真软件模拟不同激光峰值功率和重复频率下激光加工碳纤维复合材料时温度场变化规律,从而优化工艺参数,探索更好的去除条件。（3）进行单因素实验,研究气体压力、峰值功率、重复频率和扫描速度对质量的影响,对比分析氮气和氧气辅助激光切割碳纤维复合材料的去除机制。结果表明,气体压力在0.5MPa到0.7MPa区间内,气流束作用比较稳定;在峰值功率和重复频率增大时,热影响区宽度和刻蚀深度随之增大,峰值功率为1800W、重复频率为1200Hz时,加工效果更佳;扫描速度增大时,热影响区宽度和刻蚀深度随之减小;氮气辅助下,气流冷却作用效果比较明显,在一定程度上抑制热扩散;氧气辅助下,氧气与材料作用产生的氧化放热效应能够促进材料的热融化,可以提高材料去除率和切割深度。（4）研究氮氧混合气体中氧气含量对切割质量的影响,实验结果得出,氧气含量为15%和20%时,氮气可以抑制切缝表面的氧化,切缝宽度较小,氧化作用发生在切缝中的深层材料,提高材料的去除率,切缝锥度较小。（5）使用响应曲面法,建立氧气辅助激光划切碳纤维复合材料时所得热影响区尺寸和切割深度的预测模型,分别针对目标为最小热影响区尺寸、最大切割深度进行加工参数优化,并进行实验验证,预测结果和实验结果基本吻合。
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