碳纤维复合材料（CFRP）具有比强度高、比刚度高，重量轻及可设计性等优点，因此越来越多地被应用于航空航天、汽车工业、体育用品、风力发电、土木工程和医疗等领域。但由于它层间强度低、各向异性、硬度高、脆性大，使得碳纤维复合材料的传统机械加工容易出现刀具极易磨损、材料容易分层等问题，而且由于构成碳纤维复合材料的两相材料热学性能相差过大，导致激光切割不可避免地会存在一定程度的热损伤，从而降低材料的力学性能。因此，研究如何降低激光切割CFRP的热损伤从而提高其切割质量显得非常有必要。

本文利用额定功率为W的毫秒脉冲Nd:YAG激光器，开展了在空气中和水下切割碳纤维复合材料（CFRP）的实验研究。采用单因素试验，考察了脉冲能量、频率、切割速度与气体压力等激光参数对切割质量的影响，得到了激光参数对切割CFRP材料切口的切缝宽度、锥角、正面纤维拔出长度与背面纤维拔出长度的影响规律，分别对激光在空气中切割和水下切割CFRP的机理进行了分析研究。通过正交设计试验，分别获得了激光在空气中和水下切割CFRP的最优切割参数组合，得到的主要结论如下：

1、脉冲能量过大、频率过高、切割速度过慢和气体压力过小都会导致材料的热损伤加大；而脉冲能量过小、频率过低和切割速度过快都会导致出现材料切割不透、背面切缝出现锯齿状和锥角过大等问题。激光水下切割CFRP能大大地降低激光切割导致的热损伤，使正面和背面纤维拔出长度大幅降低，热影响区大大减小，但激光水下切割也会出现材料锥角过大、背面切缝出现锯齿状和切割功率偏大等问题。

2、根据对激光切割CFRP的机理分析可知激光切割CFRP的切缝特点为上宽下窄；激光在空气中切割CFRP的热影响区特点为上窄下宽，而水下切割CFRP的热影响区特点为上宽下窄。

3、通过激光在空气中切割CFRP的正交设计试验，并对其结果进行极差分析和综合平衡分析，获得了激光在空气中切割CFRP的最佳切割参数：脉冲能量为1.7J，频率为Hz，切割速度为mm/min，气体压力为0.6MPa。

4、通过激光在水下切割CFRP的正交设计试验，并对其结果进行极差分析和综合平衡分析，得到了激光在水下切割CFRP的最佳切割参数：脉冲能量为2.1J，频率为Hz，切割速度为mm/min，气体压力为0.5MPa。

5、剪切强度试样的破坏形式均为层间剪切破坏，激光在空气中切割的CFRP试样除了单层剪切破坏外，还有少许多层剪切破坏；而且激光在水下切割的CFRP试样的层间剪切强度要比激光在空气中切割的CFRP试样大63.4%。

6、接剪切强度试样的破坏形式均为复合材料剥离破坏和少量的胶层剪切破坏；而且激光在水下切割的CFRP试样的胶接拉伸剪切强度比激光在空气中切割的CFRP试样大46.33%。

7、铆接剪切强度试样的破坏形式均为复合材料剪切破坏；而且激光在水下加工的CFRP试样的铆接静剪切强度比激光在空气中加工的CFRP试样大34.6%。

激光切割CFRP过程十分复杂，影响切割质量的因素也非常多，而且激光水下切割CFRP的技术还尚处于初级基础性研究阶段，因此现阶段碳纤维复合材料还不适合采用激光切割工艺来加工。