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掺铒光纤激光切割碳纤维增强复合材料时热影响区与表面粗糙度的实验研究及建模

DOI：10.1016/j.matpr.2018.10.243 期刊：Materials Today: Proceedings 出版年份：2018 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 在当今时代，工业应用中主要采用两类复合材料——聚合物基复合材料和金属基复合材料，其产量需求正快速增长。但由于传统加工方法难以加工这些材料，它们在工业界的接受度并不高。缺陷形成、高强度和高硬度等因素导致传统工艺难以加工复杂形状，这促使了新型非传统加工方法的发展。激光加工法作为非传统工艺之一，因其切割速度快且不接触工件的优势，在复合材料切割领域日益普及。本实验采用掺铒光纤激光器研究碳纤维增强聚合物复合材料的可加工性，并观察不同加工参数对热影响区和表面粗糙度等性能指标的影响。研究发现该复合材料易于加工（但存在扫描电镜检测到的表面缺陷）。降低功率并提高扫描速度与离焦距离，可减小材料表面粗糙度和热影响区范围。
作者： Preeti Gautam，K.K.Singh
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究碳纤维增强聚合物复合材料的可加工性，以及使用掺铒光纤激光器时各种加工参数对热影响区和表面粗糙度等性能响应的影响。

研究成果

1. 采用响应面形态法观察激光参数对表面粗糙度和热影响区的影响。 2. 建立经验数学模型以更准确地预测表面粗糙度和热影响区。 3. 研究发现：随着激光功率增加、离焦量与扫描速度降低，表面粗糙度和热影响区均会增大。 4. 当激光功率为300W、扫描速度200mm/秒、离焦量0.8mm时，获得最小热影响区宽度（1.227mm）和最小表面粗糙度（1.143μm）。 5. 扫描电镜图像显示激光加工过程中工件表面产生了不规则形貌。

研究不足

该研究仅限于使用掺铒光纤激光器加工碳纤维增强复合材料（CFRP）。未探究其他类型激光器或加工方法的影响。此外，研究聚焦于特定范围的激光功率、扫描速度和离焦距离，可能无法涵盖所有可能的操作条件。

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