CO2激光非垂直切割高分子材料理论与试验研究

摘要

高分子材料在现代工业中使用的越来越多。为了追求外型美观、安全，而由PET薄膜作为材料制成的模塑产品大量使用曲面造型，而传统冲切模在切割复杂曲面边界时束手无策，而激光可以适应复杂曲面膜片的切割。激光在曲面膜片切割时，有时由于空间干涉，无法时刻保证激光光束垂直于材料表面，且如果可以实现激光光轴和材料表面不垂直切割（即非垂直切割），那么切割设备成本可以大大降低，如三轴数控切割。本文从激光垂直切割模型出发，通过求解待切材料表面阈值能量方程，建立了激光非垂直切割能量分布模型，并进行了试验研究，为高分子材料的激光切割选择工艺参数提供理论指导。本文主要研究内容如下:
　　(1)基于激光切割的原理，研究分析了PET薄膜在CO2激光作用下的变化机理，并从宏观层面研究分析PET薄膜对CO2激光能量的吸收模型，通过多组预实验确定了激光入射角、离焦量和激光线能量值为影响CO2激光切割PET薄膜切割质量的主要参数。
　　(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时的传热模型，并搭建量热试验平台，CO2激光光束以不同的入射角辐照到PET薄膜材料表面，同时使用美国FLIR（菲力克）红外测温仪测量PET薄膜激光辐照区域温度随着时间的变化曲线，拟合PET薄膜的激光吸收率随激光入射角变化而变化的曲线，并与吸收率的理论预测值（菲涅耳公式）进行了对比研究。研究结果表明:激光入射角处于[0，0.6]rad范围内，试验值相对理论值的误差处于12％以下;激光入射角介于(0.6，1.3]rad时，材料的激光吸收率理论值与试验值之间误差处于20％以下;激光入射角介于(1.3，π/2)rad时，材料的激光吸收率理论值与试验值之间误差处于15％以下。主要是因为随着激光入射角的增大，部分激光被材料反射到空气中，导致材料没有吸收激光并进行能量转化。
　　(3)通过研究分析激光在非垂直切割时材料表面的线能量分布，建立了激光非垂直切割能量分布模型，进而求解阈值能量方程，并对切缝宽度和热影响区宽度随激光线能量值、激光入射角和离焦量的变化规律进行了深入研究。研究结果表明:PET薄膜的切缝宽度值、热影响区宽度值主要受激光输入线能量值、入射角和离焦量影响。在入射角[-57.3°，57.3°]，离焦量[-15mm，15mm]范围内，切缝宽度值、热影响区宽度值变化平缓;当入射角超过[-57.3°，57.3°]范围时，随入射角的增大，切缝宽度值、热影响区宽度值则急剧增大。
　　(4)基于激光非垂直切割能量分布理论模型，搭建激光非垂直切割PET薄膜试验平台，采用基恩士VHX-600E数码显微镜测量切缝宽度和热影响区宽度，与模型预测值进行对比研究。研究结果表明:激光入射角α在[0，π/3)rad、离焦量L在[-15，15]mm、Pv在[0.47，9.6]J/mm模型预测值与试验值符合的很好，模型预测值与试验值误差处于10％以下。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题背景与意义

1．2 激光切割国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 激光非垂直切割非金属材料当前存在的问题

1．4 本文的主要研究内容和目标

第2章 CO2激光作用下PET薄膜的变化机理研究

2．1 引言

2．2．1 激光切割参数

2．2．2 基模高斯光束

2．2．3 高斯光束传播规律

2．2．4 激光功率密度分布

2．3 PET薄膜在CO2激光作用下变化机理研究

2．3．2 PET薄膜对CO2激光能量的吸收模型

2．3．3 CO2激光作用下PET薄膜传热分析

2．4 本章小结

第3章 PET薄膜对CO2激光吸收率研究

3．1 引言

3．2 试验原理

3．3 试验系统与方法

3．3．1 量热试验系统

3．3．2 量热试验材料选取与处理

3．3．3 量热试验方法

3．4 试验结果

3．5 PET薄膜激光吸收率测算

3．6 本章小结

第4章 CO2激光非垂直切割能量分布模型构建与研究

4．1 引言

4．2．1 激光垂直切割理论模型

4．2．2 激光垂直切割能量分布

4．3 CO2激光非垂直切割能量分布模型

4．3．1 激光非垂直切割能量分布模型

4．3．2 激光非垂直切割能量分布

4．4 非垂直切割能量分布模型求解与分析

4．4．1 模型求解

4．4．2 切缝宽度预测

4．4．3 热影响区宽度预测

4．4．4 切缝中心与能量中心偏心研究

4．5 本章小结

第5章 CO2激光非垂直切割PET薄膜的试验研究

5．1 引言

5．2 激光非垂直切割试验系统

5．3 激光非垂直切割试验方法

5．3．1 试验方法分析

5．3．2 试验数据处理

5．4 试验结果与理论模型对比研究

5．4．1 切缝宽度的试验值与理论预测值对比

5．4．2 热影响区宽度的试验值与理论预测值对比

5．5 激光非垂直切割中轮廓研究

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果