木材作为一种可再生和循环利用的生物资源,具有天然的纹理之美和优良的加工性能,是世界公认的绿色材料之一。传统木材机械加工主要以锯切、铣削、刨削、砂光为主,这些方式由于加工锯路宽、加工余量大、运动轨迹约束等条件限制难以实现复杂构件的非接触成型加工。激光加工作为一种先进的特种加工技术是科学发展的典型创新性成果,是我国加工行业优化提升的重要基础,作为对传统工艺的渗透和替代,其自主可控、安全高效等优势使其在木材加工领域得到发展,绿色节能的加工过程以及综合利用率的提高也符合我国木材加工行业优化升级的产业政策。但是木材的燃点较低,激光聚焦产生高温在使木材瞬间汽化的同时,导致切口周围热影响区扩大,致使木材激光加工表面产生烧痕和残碳现象,严重影响木制品加工表面精度和成型质量,限制了该工艺的推广应用。针对上述问题,本文将气体辅助与木材激光加工有机结合,通过理论分析、多场耦合模拟以及实验验证的方法对气体辅助激光加工薄木技术进行系统性研究。主要研究内容如下:研究气体辅助激光加工薄木成型机理。通过对激光频率和时序的精准调控,利用高能量激光束对木材进行照射,分析激光能量与木材的热作用以及能量在切缝内的吸收与反射过程,根据激光加工过程中气体射流的撞击作用,分析气流特性对流场结构的影响,揭示激光—气体射流—木材的多尺度作用及成型机理。通过实验进行机理的深入探究,以薄木为研究对象,对比不同气体对切割质量的影响规律,通过扫描电镜进行微观比对,探讨气体的物理属性对激光加工薄木的抑制燃烧作用。研究气体辅助激光加工薄木过程中热量传递的数值模拟及影响规律。采用COMSOL有限元软件建立面向于气体辅助激光加工过程中的多场耦合温度场传热模型,通过激光加工热源模型分析以及控制边界条件加载,讨论无气体辅助、氮气辅助和氦气辅助情况下温度场分布差异,分析气体射流在激光加工木材过程中的作用意义。研究气体辅助激光加工过程中温度场瞬态变化规律以及切缝形成过程,分析不同工艺参数对气体辅助激光加工过程的温度分布、烧蚀损伤体积以及汽化体积的影响规律,通过实验验证温度场模型的合理性以及仿真分析结果的可靠性。研究辅助气体抑制燃烧的浓度分布区间以及多场耦合下的气流影响。构建激光加工薄木过程中气体扩散模型,通过有限差分法求解激光照射条件下木材不发生燃烧反应的必要条件以及区间分布。建立气体辅助激光加工薄木的轴对称撞击射流模型,通过对有无燃烧放热反应发生的仿真结果对比,揭示气体射流对切缝中流场结构稳定性以及对压力、速度和剪切力分布的影响趋势。研究不同气体压力以及喷嘴与工件在不同距离下流场结构和特征量的变化情况,分析气体参数对气体流动稳定性的影响规律,并获得适用于激光加工薄木成型质量良好的工艺参数。采用樱桃木为试验材料,通过对传统激光加工与气体辅助激光加工对比分析,探究工艺参数、纹理方向、加工方法对木材切缝宽度、表面粗糙度、微观形貌、表面成分的影响。通过单因素试验,获得气体辅助激光加工工艺参数对薄木成型质量的影响规律,采用响应曲面法对各响应因素的交互作用进行显著性分析,获得气体辅助激光加工樱桃木的切缝宽度、切缝深度和表面粗糙度的预测模型及最佳工艺参数。以最佳工艺参数进行切割试验,通过表面切割质量对比和切缝微观形貌分析,验证所建立模型具有较好的预测效果,为实现切割质量优化提供适当的参考。