钛合金与玻璃的激光透射焊接实验研究、工艺优化及数值模拟

摘要

在微电子封装、电池、继电器、太阳能真空集热管、复合材料等领域，玻璃与金属的连接件都具有广泛的应用。激光透射焊接作为一种新型连接工艺，因其具有非接触、污染小、易控制等优点，在玻璃与金属的连接领域有较大的应用潜力。本文选用TC4钛合金和高硼硅玻璃3.3作为激光透射焊接的上下层材料，由于两种材料的化学成分差异，焊接强度较低。本文通过对TC4钛合金进行激光表面处理，来改善TC4钛合金与高硼硅玻璃激光透射焊接的焊接强度。论文探究这种工艺的焊接机理，并且进行焊接实验工艺参数优化以及温度场的数值模拟。 首先，使用半导体连续激光器对TC4钛合金进行表面预处理，在钛合金表面形成氧化层。在激光透射焊接试验中，比较钛合金表面处理前后焊接件的焊接强度，发现钛合金进行激光表面处理后的焊接件焊接强度比钛合金没有进行激光表面处理的焊接件的焊接强度提高了4倍左右。 其次，从微观形貌的角度，发现处理后的TC4钛合金与高硼硅玻璃的焊接件进行拉伸试验后的钛合金焊缝出现断裂，而玻璃焊缝处有大量粘附物，表明两种材料在激光透射焊接过程中产生了很强的连接效果；对焊缝的连接界面进行元素线扫描分析，分析焊缝处的化学成分，发现在激光透射焊接的过程中两种材料发生了元素扩散的现象，这是导致焊接强度较高的重要原因；使用表面接触角测量仪研究了激光表面处理对 TC4 钛合金表面接触角的影响，分析发现钛合金在处理后表面自由能提高，这是焊接强度提高的又一原因。 并且根据拉伸实验过程中的力-位移曲线和焊缝断面形貌对不同激光电压下焊接件的拉伸失效形式进行分析，当电压较低（440V）时，拉伸断裂的形式主要是脆性断裂；当电压提高（460V）时，拉伸断裂的形式主要是韧性断裂；当电压较高（480V）时，焊缝处的连接结构发生烧蚀，玻璃试样发生破裂的现象。结果表明，电压过高或者过低都会对焊接强度造成较大的影响。 随后，使用Isight软件通过分析激光表面处理实验和激光透射焊接实验的所有实验参数对焊接强度的贡献率，选择贡献率较大的实验参数进行中心复合实验设计。再使用Design-Expert V8软件通过响应面法（RSM）对TC4钛合金和高硼硅玻璃的激光透射焊接实验进行了实验设计，建立了工艺参数分别与焊接强度和焊缝宽度之间的数学模型，并分析工艺参数对焊接强度和焊缝宽度的交互式影响。最后通过不考虑其他因素达到最大焊接强度、在较低的成本下获得最大的焊接强度、在较小的焊缝宽度下获得最大的焊接强度三种优化准则进行优化，获得最优工艺参数。 最后，建立了TC4钛合金与高硼硅玻璃激光透射焊接过程的有限元模型，对实验过程中温度场的分布规律进行模拟。分析随着各个工艺参数的变化，温度场的变化规律。比较相同参数条件下焊缝宽度的实验值与模拟值，验证数值模拟的结果的可靠性。 本文为玻璃与金属之间的激光透射焊接研究奠定了理论基础，并且为 TC4 钛合金与高硼硅玻璃的激光透射焊接在实际工业应用中提供了技术支持。

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