CO2激光非垂直切割高分子材料理論與試驗研究.pdf

1、高分子材料在現(xiàn)代工業(yè)中使用的越來越多。為了追求外型美觀、安全，而由PET薄膜作為材料制成的模塑產(chǎn)品大量使用曲面造型，而傳統(tǒng)沖切模在切割復(fù)雜曲面邊界時束手無策，而激光可以適應(yīng)復(fù)雜曲面膜片的切割。激光在曲面膜片切割時，有時由于空間干涉，無法時刻保證激光光束垂直于材料表面，且如果可以實現(xiàn)激光光軸和材料表面不垂直切割（即非垂直切割），那么切割設(shè)備成本可以大大降低，如三軸數(shù)控切割。本文從激光垂直切割模型出發(fā)，通過求解待切材料表面閾值能量方程，建立

2、了激光非垂直切割能量分布模型，并進行了試驗研究，為高分子材料的激光切割選擇工藝參數(shù)提供理論指導(dǎo)。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)基于激光切割的原理，研究分析了PET薄膜在CO2激光作用下的變化機理，并從宏觀層面研究分析PET薄膜對CO2激光能量的吸收模型，通過多組預(yù)實驗確定了激光入射角、離焦量和激光線能量值為影響CO2激光切割PET薄膜切割質(zhì)量的主要參數(shù)。
　　(2)基于能量守恒定律，建立了高分子材料在激光非垂直切割時的傳

3、熱模型，并搭建量熱試驗平臺，CO2激光光束以不同的入射角輻照到PET薄膜材料表面，同時使用美國FLIR（菲力克）紅外測溫儀測量PET薄膜激光輻照區(qū)域溫度隨著時間的變化曲線，擬合PET薄膜的激光吸收率隨激光入射角變化而變化的曲線，并與吸收率的理論預(yù)測值（菲涅耳公式）進行了對比研究。研究結(jié)果表明:激光入射角處于[0，0.6]rad范圍內(nèi)，試驗值相對理論值的誤差處于12％以下;激光入射角介于(0.6，1.3]rad時，材料的激光吸收率理論值與

4、試驗值之間誤差處于20％以下;激光入射角介于(1.3，π/2)rad時，材料的激光吸收率理論值與試驗值之間誤差處于15％以下。主要是因為隨著激光入射角的增大，部分激光被材料反射到空氣中，導(dǎo)致材料沒有吸收激光并進行能量轉(zhuǎn)化。
　　(3)通過研究分析激光在非垂直切割時材料表面的線能量分布，建立了激光非垂直切割能量分布模型，進而求解閾值能量方程，并對切縫寬度和熱影響區(qū)寬度隨激光線能量值、激光入射角和離焦量的變化規(guī)律進行了深入研究。研究結(jié)

5、果表明:PET薄膜的切縫寬度值、熱影響區(qū)寬度值主要受激光輸入線能量值、入射角和離焦量影響。在入射角[-57.3°，57.3°]，離焦量[-15mm，15mm]范圍內(nèi)，切縫寬度值、熱影響區(qū)寬度值變化平緩;當入射角超過[-57.3°，57.3°]范圍時，隨入射角的增大，切縫寬度值、熱影響區(qū)寬度值則急劇增大。
　　(4)基于激光非垂直切割能量分布理論模型，搭建激光非垂直切割PET薄膜試驗平臺，采用基恩士VHX-600E數(shù)碼顯微鏡測量切縫