为了减小激光切割碳纤维复合材料热影响区的宽度，采用响应曲面法的Box-Behnken试验设计，以激光入口处的热影响区宽度为响应，建立了激光入口处热影响区宽度的回归方程。研究了激光功率、扫描速度、辅助气体压力、焦点位置等因素以及其交互作用对响应的影响。根据回归方程和实际的切割效果优化了工艺参数。试验结果表明，激光入口处热影响区宽度影响因素的重要程度依次为激光功率、扫描速度、焦点位置、辅助气体压力。最佳工艺参数为激光功率170 W、扫描速度1.5 m/min、辅助气体压力为0.6 MPa，焦点置于试件上表面。对最佳工艺参数进行试验验证，结果表明，激光入口处热影响区宽度为486.13 μm，回归方程的预测平均误差为5.3%。

利用光纤激光器切割1 mm厚铜-钢-铜层合板时,会出现反射率高、氧气辅助切割表面氧化严重及板材切割后切缝宽等问题。提出了激光预处理法,通过控制能量输入和氧化反应,材料表面产生了浅层熔化,从而预处理区域的元素构成、形貌及物化性质得到改变。最终获得了缝宽小于光斑直径的狭缝光栅试件。利用IPP软件对预处理后浅层熔化区域内的氧化物分布进行了测定,并计算了氧化物面积占浅层熔化区面积的比例。利用预处理法,获得了满足质量要求的狭缝光栅件,切割后的热影响区大大减小且背面无挂渣,切割前后覆层铜材料的性质得到保护,光纤激光切割铜-钢层合板的质量得到保证。

激光圆弧扫描弯曲可实现圆弧槽形舱壁件无模具成形, 研究其曲面变形规律以及其曲面变形特征具有重要的工程应用意义。首先, 详细分析了扫描次数n、圆弧扫描半径R、板材宽度W以及扫描基准线至自由端长度L对矩形金属层合板曲面变形的影响。同时, 结合各参数对曲面变形作用效果及曲面变形量试验测量数据, 求得各参数下曲面变形量经验函数, 并对其变化规律及趋势进行分析。最后, 利用激光圆弧扫描弯曲策略进行了圆弧槽形舱壁件样件试制, 其中单段圆弧槽两侧壁曲率半径均值分别为84.51、86.77 mm。文中方法为矩形金属层合板激光圆弧扫描弯曲曲面变形规律分析及成形圆弧槽形样件提供了试验依据。

翘曲变形是影响层合板激光弯曲成形精度的重要因素, 因此研究激光往复扫描过程中的翘曲变形具有重要的实际意义。文中使用ANSYS软件, 建立不锈钢-碳钢层合板有限元模型, 通过模拟激光作用下层合板的温度场、应力场分布, 结合自由端的变形, 分析了单道往复式扫描翘曲变形机理。模拟结果表明: 随着往复扫描次数的增加, 温度场扫描线两端区域温度交替波动升高使两端热量均衡, 中间区域热累积现象使热应力增大。每次激光扫描后, 激光作用区板材下表面的残余应力场对下次扫描时的翘曲变形都有一定促进作用, 使翘曲变形增大, 1~6次扫描后弦高从0.217 mm增大到0.363 mm, 但随着扫描次数增加, 促进作用减弱, 弦高增长量略降低, 最大值为0.058 mm。对比实验数据和模拟结果, 温度场最大误差为9.85%, 翘曲线Z向位移最大误差为4.33%, 其中, 弦高误差为2.16%, 为层合板激光弯曲成形的精确控制提供了计算依据。

翘曲变形是影响复合板激光弯曲成形精度的重要因素。基于ANSYS软件和电子探针面扫描实验, 建立了含结合面的不锈钢-碳钢复合板激光弯曲有限元模型, 对一次扫描过程中产生的翘曲变形进行数值模拟。通过模拟激光作用下复合板的温度场、应力场及残余应力分布, 结合自由端的变形, 分析了翘曲变形产生的过程及原因。模拟结果表明: 激光扫描过程中, 受初始温度及边界效应的影响, 扫描线上各点最高温度分布的不均匀百分比为18.33%。经0.2 s热传导及热量散失的共同作用后, 扫描线中间区域出现热累积现象, 热应力增大, 产生了翘曲变形。对扫描线到自由端整体区域进行残余应力模拟分析可知, 板材在其区域内部产生了翘曲作用力与区域周边约束反作用力, 其大小和方向与翘曲的变形吻合。对比实验数据和模拟结果, 翘曲线最大误差为3.90%, 其中, 弦高误差为3.33%, 为复合板激光弯曲成形的角度控制提供了计算依据。

研究了激光切割碳纤维复合材料(CFRP)过程中碳纤维的铺设方向和树脂含量对激光能量传递方向以及切割质量的影响。根据复合材料混合定律设定材料物理参数，建立了碳纤维铺设角度为0°、45°、90°，树脂含量由30%增至50%的单层CFRP三维有限元模型。数值模拟结果表明，激光多向切割单层CFRP时，烧蚀前沿的能量传递方向由激光切割方向主导；随着纤维铺设角度的增大，传递方向的角度增大；稳定切割时能量传递主要沿纤维铺设方向。随着纤维铺设角度的增大，切缝倾角增大，表面碳纤维烧蚀宽度几乎不变，温度场变宽，最高温度降低。切割不同树脂含量单层CFRP时，热影响区宽度和最高温度随树脂含量的增加都呈近似线性变化。与试验结果相比，数值模拟结果中的表面碳纤维被烧蚀宽度的平均误差为10.66%，热影响区宽度的平均误差为13.09%。

为了揭示激光切割碳纤维复合材料(CFRP)时材料对激光能量的吸收和传递机理，分别建立了激光同向切割单丝排列CFRP的三维有限元模型、丝-束直径比例三维模型和纤维-树脂两相三维模型。模拟结果表明，随着丝-束直径比例的减小，切缝宽度从229.45 μm降至95.60 μm，热影响区(HAZ)宽度从172.08 μm降至156.79 μm。试验与模拟结果基本一致，切缝宽度和HAZ宽度的误差分别为5.97%和1.13%。

本文设计了一套加工装置，对氧化锆陶瓷板激光切割的熔化物颗粒进行收集，并采用Imagine-Pro Pluse(IPP)图像处理软件对熔化物颗粒的形态(数量、形状、平均直径、标准差及其分布情况)进行研究。通过气熔比控制方法，对板厚分别为08 mm、1 mm、15 mm、3 mm的氧化锆陶瓷板进行激光切割实验。实验结果表明: 不同板厚参数下，球形熔化物颗粒所占百分比范围从9921%降到8981%，圆饼形从079%升至744%，哑铃形从0升至275%。随着板厚的增加，圆饼形和哑铃形颗粒所占百分比增大，球形颗粒所占百分比降低，球形颗粒平均直径和标准差随之增大，切面粗糙度由2287 μm增加到5946 μm。建立了熔化物去除几何模型，阐述了熔化物颗粒与切割质量的关系，球形颗粒所占的百分比越大，平均直径和标准差越小，切割质量越好，最终获得质量较高切割样件。

分别对厚度为1.0，1.5，2.0 mm的不锈钢-碳钢层合板进行激光弯曲试验。采用金相显微镜、电子探针和扫描电镜能谱仪对激光弯折区的元素扩散现象进行分析；采用纳米压痕试验测得过渡层附近的纳米硬度及弹性模量分布，对过渡层处纳米硬度、弹性模量和屈服强度的变化进行了分析。结果表明，弯折区过渡层处元素沿板厚方向连续稳定扩散，Fe、Ni、Cr元素扩散范围相近，1.0，1.5，2.0 mm厚层合板的过渡层厚度分别增加了2.5，3.5，3.0 μm。元素扩散促进了过渡层的冶金结合，保证了层合板过渡层的材料性能。

采用热结构间接耦合方法，建立了含结合面的不锈钢碳钢层合板(SCLS)脉冲激光弯曲多层有限元模型(FEM)，通过分析脉冲激光扫描过程中不锈钢层、碳钢层及其结合面的温度场、应力应变场的分布情况，探讨了结合面对层合板激光弯曲角度和质量的影响。研究结果表明,整个激光弯曲过程中结合面处温度平滑传递，横向应力和应变均存在明显突变，变形结束后，上下覆层呈现横向残余拉应力，中间基层呈现横向残余压应力；当激光功率为140 W、扫描速度为800 mm/min、离焦量为10 mm时，结合面最大Z向应力为87.5 MPa，小于层合板界面结合强度(≥210 MPa)。通过脉冲激光扫描实验和模拟，实现了层合板的有效弯曲，实验结果与模拟结果误差小于5%，为层合材料激光弯曲成形提供了理论与实验依据。