红外加热辅助激光透射焊接异种聚合物的实验研究及数值模拟

摘要

激光透射焊接具有速度快、自动化程度高、焊接精度高、非接触、应力集中小等优点，在聚合物连接领域有着很好的应用前景。然而，异种聚合物二者温度属性差异较大时，很难在激光照射下共同熔融实现激光透射连接。针对这一问题，本文提出在激光透射焊接过程中添加红外加热灯对熔融温度较高的上层材料辅助加热的方案并展开研究，实现了温度属性差异大的ABS和PSU材料的激光透射焊接。探究了红外加热灯在焊接过程中辅助加热实现焊接的可行性、焊接机理、焊接工艺参数优化以及焊接过程数值模拟。 首先，从光学属性、温度属性、相容性以及上层材料吸热测试四个方面展开对红外加热辅助激光透射焊接可行性的研究分析。上层 PSU 材料对激光具有较高的透射率，可以使更多激光穿透上层材料到达中间层。下层材料透射率和反射率较低，可以在吸收剂的作用下吸收更多激光能量用于焊接；两种材料温度属性差异较大，共同的熔融温度范围较小，直接透射焊接实验难度较大，焊接效果不佳；从相容性的角度看，两种材料属于部分相容体系，可以用激光进行连接；通过上层材料的吸热测试，发现在一定的条件下，上层材料的上下表面可以形成近20℃的温差，可以弥补两种材料在温度属性上的差异。 其次，实验发现激光透射焊接使用红外灯后的焊接强度比原来提升了1.5倍左右；通过对焊缝微观形貌的观测，发现同等条件下使用了红外加热灯后的上层材料熔融程度加剧，提升了焊接强度；分析了焊缝区域的气泡尺寸对焊接性能的影响，激光功率越大，材料受热产生的气泡的尺寸越大，细小致密的气泡有助于提高焊接强度，大面积的气泡导致材料无效连接较多，降低焊接强度。 随后，采用中心复合设计法进行透射焊接实验设计，采用响应面法建立关于工艺参数与焊接强度的二阶数学模型，对该二阶数学模型的方差、合适性准确性进行验证后发现模型的可靠性很高。随后研究了工艺参数对焊接强度的交互式影响，并在满意度数学函数优化准则下对工艺参数进行优化。 最后，在ANSYS软件中建立数值模型，在有限元模型中用温度梯度表达了红外加热灯加热上层材料升温 20℃的这一现象。模拟了包含红外加热灯照射后的激光透射焊接过程中的温度场分布，对比分析了添加红外灯前后的温度场差异，探究了激光功率和焊接扫描速度的变化对温度场分布的影响，通过焊缝宽度的实验值和模拟值的对比，验证有限元模型的可靠性。 本文为激光透射焊接中添加红外加热灯辅助加热奠定了理论基础，为异种相容聚合物因温度属性差异大而导致焊接效果不佳的问题提供了一种工艺简单且行之有效的解决方案。

目录

1112

提交版后两页

第一章 绪论

1.1引言

1.2激光透射焊接的国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3国内外现状评述与本课题提出

1.4本课题的主要研究内容和研究方法

1.5课题来源

第二章 实验方案与实验设备

2.1激光透射焊接理论

2.2红外加热辅助激光透射焊接基本原理

2.3红外加热辅助激光透射焊接实验方案

2.4实验设备

2.5本章小结

第三章 红外加热辅助激光透射焊接ABS和PSU的可行性分析及机理研究

3.1焊接可行性分析

3.2红外加热辅助激光透射焊接ABS和PSU的实验对比结果与分析

3.3本章小结

第四章 红外加热辅助激光透射焊接ABS和PSU的工艺参数建模与优化

4.1实验设计与分析方法

4.2基于响应面方法的焊接工艺参数建模与结果分析

4.3本章小结

第五章 红外加热辅助激光透射焊接ABS和PSU的温度场数值模拟

5.1激光透射焊接温度场模拟相关理论

5.2温度场有限元模拟过程

5.3温度场模拟结果及分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1研究总结

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间承当科研情况及主要研究成果

致谢