激光无吸收剂焊接透明塑料的实验研究

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激光焊接技术具有焊接速度快、精度高、焊接强度大、无污染、热应力小等诸多优势。随着产品轻量化和节能环保需求的日益增长,激光焊接技术在热塑性塑料焊接方面的应用越来越广,其所加工的塑料制品在电子、航空航天、汽车、医疗等领域均得到了广泛的应用。传统的激光塑料焊接技术采用的方式是使激光透过上层透光材料到达下层吸光材料,吸光材料通常是有色塑料或者表面添加了吸收剂的透明塑料,“透明”是指塑料对可见光和近红外波段的光吸收能力弱且透光率非常高。在新冠疫情和人口老龄化问题的影响下,医用透明塑料制品的需求迅速扩大,在医疗、食品包装等卫生环境要求极高的领域,具有一定污染性的激光吸收剂通常是禁止添加的,这使传统的激光焊接技术难以适用,限制了透明塑料制品的生产与应用。热塑性透明塑料对波长在1.7-2 μm的激光吸收强烈,针对上述存在的问题以及利用材料的吸收特性,使用波长1710nm的半导体激光器,在不使用激光吸收剂的情况下对多种透明热塑性塑料(PC、PMMA、PET)进行了同种塑料之间的焊接实验研究。首先对塑料的受热行为、相容性、及其与激光的相互作用等方面进行了理论研究,表明透明塑料之间的可焊接性。随后对多种透明塑料进行了焊接实验,得到了焊缝强度接近基材的PET和PMMA试样。根据焊接试样拉伸失效后的外观及材料性能的分析发现PMMA和PET两种塑料在拉伸时易发生脆性断裂,而抗冲击性能优异的PC塑料能更好的反映焊接参数与试件拉拔力之间的关系。因此选择PC塑料作为主要研究对象,研究了激光功率、离焦量、不同波长激光器对焊接效果的影响。在激光功率20 W、焊接速度6.5 mm/s、离焦量-6 mm的情况下得到了最大拉拔力为1334.4 N且外观理想的PC焊接试件。除塑料板材外,对透明塑料制成的医用输液管进行了焊接实验,得到了满足量产需求的样品。设计响应曲面实验,研究了激光功率、焊接速度、夹具压力、保压时间四因素对PC试件拉拔力和焊缝宽度的影响规律,并对比了上层塑料有无散热时焊接试件在外观与力学性能方面的区别。在COMSOL软件中建立有限元分析模型对焊接过程中PC塑料的温度场分布进行了模拟,探究了激光功率和焊接速度的变化对温度场分布和焊缝宽度的影响,为实验提供指导。
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