厚板碳钢具有良好的焊接性、力学性能以及可切削性能,主要应用于航天航空、机械制造、造船业、车辆、桥梁建造等领域,其高效高质切割对于上述装备生产制造的提质提效具有重要意义。激光切割以其具有的窄切缝宽度、快切割速度、高生产效率、高自动化程度等优势,成为了近年来厚板碳钢切割的研究热点。激光切割是使用高能量密度瞬间熔化金属板材,在辅助气体的吹除作用下形成切缝。然而,在厚板碳钢切割过程中,由于激光热输入过大,切割过程稳定性控制困难,极易形成切面条纹粗大及底部挂渣等缺陷,严重影响切割效率和质量,制约了激光技术在厚板切割中的应用推广。针对上述问题,本文以20mm和30mm Q345钢板为对象,对厚板高功率激光切割的机理与工艺开展深入研究,阐明影响厚板高功率激光切割质量及效率的关键因素,建立厚板碳钢高功率激光切割工艺窗口,主要内容如下:首先,实验以20mm和30mm的Q345钢为研究对象,控制单一变量,系统地讨论各工艺参数对切割效率和切割质量的影响。对于20mm厚的Q345钢,在激光功率为9000W,切割速度为0.85m/min,氧气压力为1.8bar～2.0bar,离焦量为12.5mm～15mm,喷嘴直径为1.4mm,工作间距为0.5mm时,可获得Ⅰ级切缝。采用30mm厚的Q345钢工艺实验对激光切割厚板的规律进行验证,发现若想获得更高的切割质量和更快的切割效率,应选取尽可能大的激光功率,保证切透的前提下尽可能快的切割速度,较大的正离焦量以及合适的氧气压力和喷嘴直径。其次,通过建立熔化金属液受力分析模型对切割条纹产生机理及形貌开展定性分析,发现周期性氧铁燃烧反应导致切割条纹的产生,切缝内气体压力及熔化金属液温度变化导致条纹分层;基于高速摄像平台,对熔池的动态行为进行拍摄,阐释切割过程中熔池的去除方式、挂渣形成原因及不稳定的切割过程产生原因。然后,通过金相显微镜和SEM扫描电镜观察和分析,发现切口位置可分为三个区域,切边区、过渡区、母材区,其中,切边区的微观组织主要为粗大的马氏体组织,过渡区的微观组织主要为粒状贝氏体组织,母材区的微观组织主要为珠光体及铁素体组织。最后,通过数值模拟的方法建立气体流场模型,得到切缝内流场中气体速度和压力云图,发现沿板厚方向竖直向下,切缝内流场中的气体速度和气体压力不断减小,切缝顶部气体的最大压力值约为1.2×10~5Pa,最大速度值约为450m/s。