CO2激光加工木塑复合材料的实验研究与预测建模：优化切割深度与热影响区的关键参数分析

针对木塑复合材料(WPCs)激光切割中热影响区(HAZ)控制与切割效率难以平衡的问题，研究人员通过全因子实验设计系统研究了CO2激光参数（进给速度1000-3000 mm/min、气体压力1-3 bar）对18 mm厚WPC切割质量的影响。研究发现高进给速度(3000 mm/min)配合3 bar气压可实现最小HAZ(0.5 mm)，而低速(1000 mm/min)确保全穿透但HAZ达1.2 mm。建立的线性回归模型(R2≥0.96)为工业级WPC精密加工提供了量化指导。

　　

随着环保理念的普及，木塑复合材料(WPCs)作为传统实木的可持续替代品，在建筑和制造业中的应用日益广泛。这种由木质纤维(60%)和再生高密度聚乙烯(HDPE,40%)构成的复合材料，兼具木材的机械性能和塑料的耐腐蚀特性。然而，其异质性结构和热敏感性给精密加工带来巨大挑战——传统机械切割会导致刀具磨损、材料撕裂等问题，而激光加工虽能实现非接触式切割，却容易因热输入不当引发材料炭化、分层等缺陷。特别是在处理18 mm厚结构用WPC时，如何平衡切割深度与热影响区(HAZ)成为行业痛点。

针对这一技术难题，诺丁汉特伦特大学(Nottingham Trent University, UK)工程系的研究团队开展了系统性研究。通过设计全因子实验，采用1500 W CO₂激光器，在三种进给速度(1000/2000/3000 mm/min)和三种辅助气体压力(1/2/3 bar)条件下，对WPC样本进行切割实验。研究团队创新性地将多元方差分析(MANOVA)与能量基础分析相结合，建立了切割深度、HAZ宽度与工艺参数间的定量关系模型。相关成果发表在《Results in Engineering》上，为WPC的精密激光加工提供了重要理论依据和实践指南。

关键技术方法包括：(1)采用三水平全因子实验设计，对27个样本进行切割；(2)使用Leica DVM6数码显微镜定量测量HAZ宽度和切割深度；(3)开发6分量表对切割轮廓和表面质量进行视觉评分；(4)基于比能量输入(SEI=功率/进给速度)建立能量-质量关联模型；(5)通过MANOVA和线性回归分析参数显著性。

3.1 进给速度与气体压力对切割深度的影响

实验数据揭示进给速度是决定切割深度的主导因素。当速度从1000 mm/min增至3000 mm/min时，切割深度从18 mm(全穿透)降至9 mm，呈现显著线性负相关(R2=0.964)。而气体压力对深度影响可忽略(p>0.5)，在3000 mm/min高速下即使3 bar气压仍无法实现全穿透。

3.2 热影响区(HAZ)与热损伤

HAZ宽度受双因素协同影响：1000 mm/min低速切割时HAZ达1.2 mm，而3000 mm/min配合3 bar气压可将其压缩至0.5 mm。显微镜图像显示高压气体(3 bar)能有效清除切缝内炭化残留物，使切边炭化层厚度减少20%。

3.3 切割轮廓与切缝几何形态

高速切割(3000 mm/min)产生更窄、更垂直的切缝，但存在未切透风险；低速切割虽保证全穿透，却因热积累导致切缝上端轻微锥度。值得注意的是，过高气压(3 bar)在低速时会引发熔体侧向飞溅，使切缝质量评分降低0.5分(6分制)。

3.4 切面表面质量

表面炭化程度与工艺参数呈强相关性：低速低气压(1000 mm/min,1 bar)条件下切面布满烟灰，视觉评分仅3分；而高速高气压(3000 mm/min,3 bar)组合获得近乎无炭化的光滑表面(5.5-6分)。MANOVA证实气体压力对表面质量的改善效应在低速时更为显著(p<0.05)。

3.7 基于能量的切割深度与HAZ分析

引入比能量输入(SEI)概念后，发现切割深度与SEI呈强线性正相关(R2=0.994)，而HAZ宽度随SEI增加线性扩展(R2=0.991)。这为预测不同功率下的切割性能提供了普适性指标——每增加1 W·min/mm的SEI，切割深度平均增加0.45 mm，同时HAZ扩大0.06 mm。

这项研究通过严谨的实验设计和统计分析，明确了CO₂激光加工WPC的核心规律：进给速度主导切割深度，气体压力调控热损伤程度。研究人员建立的预测模型(R2≥0.96)可实现工艺参数的精准调控——当需要全穿透时建议采用1000 mm/min进给速度配合2 bar气压；而追求最小HAZ时则应选择3000 mm/min与3 bar组合。特别值得注意的是，研究发现18 mm厚WPC的切割存在明显能量阈值：低于1100 mm/min的进给速度才能确保全穿透，这为工业设备选型提供了关键参数。

该成果的突出价值在于：(1)首次系统量化了厚截面WPC激光加工的参数-质量关系；(2)提出的能量分析方法可推广至其他复合材料加工；(3)开发的优化矩阵(表7)可直接指导生产实践。未来研究可拓展至其他WPC配方(如PP基)或采用脉冲激光模式，进一步降低热损伤。这些发现不仅推动了WPC加工技术的发展，也为可持续材料的精密制造提供了新思路。