激光直接连接金属与聚合物的试验研究及数值模拟

摘要

近期以来，碳纤维增强聚合物（CFRP）和金属合金在汽车、航空航天、化工等领域的零部件轻量化设计中的应用逐渐增加，这使得对CFRP和金属合金进行连接成为一种重要和必需的趋势，激光直接连接金属与聚合物由于具有经济环保、效率高、加工柔性好的特点，已经成为当前轻量化设计领域的一个研究热点。
　　本文选择钛合金(Ti-6Al-4V)和碳纤维增强尼龙(PA66CF20)作为试验材料，使用半导体激光器进行了激光直接连接钛合金与PA66CF20的试验研究，并使用ANSYS软件对连接过程的温度场进行数值模拟。
　　首先，使用半导体激光器对激光直接连接钛合金与PA66CF20的可行性进行研究，并在试验中分析了激光工艺参数（激光功率、扫描速度和离焦量）对连接质量（接头宽度和连接强度）的影响，观测了金属与聚合物的表面形貌随激光功率的变化趋势。结果表明，接头宽度随着激光功率的增加而增加，随着扫描速度的增大而减小，随着离焦量的增加先上升后下降；连接强度分别随着激光功率、扫描速度和离焦量的增加呈现先上升后下降的趋势。试验中观测了钛合金与PA66CF20连接界面处的横截面微观形貌，并使用X射线电子能谱仪(XPS)检测剥离后的连接界面。分析结果表明，在聚合物与金属之间形成了Ti-C与Ti-O化学键，在连接界面处存在的物理连接、化学连接和机械连接的共同作用使得形成具有一定强度接头。
　　其次，通过采用试验设计方法中的响应曲面方法(RSM)，对激光直接连接钛合金与PA66CF20进行了试验设计。根据得到的试验结果，建立了激光功率、扫描速度及离焦量与接头宽度及连接强度的数学模型，验证了试验模型，并对数学模型进行了方差分析。结果表明，使用RSM建立的数学模型能够很好的反映出连接质量与试验工艺参数之间的关系，且预测值与试验结果可以很好的吻合。试验研究了激光直接连接所使用的工艺参数对连接质量（接头宽度和连接强度）的交互式影响趋势，结果显示激光功率和离焦量对连接质量具有最大的交互式影响。使用两种优化准则，通过满意度函数对试验工艺参数进行了数值优化计算，分别得到了不同优化准则下的最优工艺参数。
　　再次，针对接头连接强度的不足，受研究得到的连接机理中机械连接的启发，提出一种对钛合金表面使用皮秒激光器进行织构加工以提高连接强度方法，分析比较了四种不同的织构方式对连接质量的影响，并探究了不同的织构深度下的连接质量。试验结果表明，通过金属表面织构可以有效的提高钛合金与PA66CF20的连接质量，横向直线织构(textureA)和纵向直线织构(texture B)的连接强度都提高了约39.39％，分别为9.13Mpa和9.21Mpa;折线织构(texture C)的连接强度为8.84MPa;井字型织构(texture D)对金属与聚合物的接头连接强度提高了25.95％。织构深度对连接强度具有显著影响，在研究的织构深度范围内，横向直线织构(texture A)深度的增加使得连接强度由9.13MPa上升至11.63MPa，连接强度随着纵向直线织构(texture B)深度的增加呈现出先上升后下降的趋势。
　　最后，使用有限元分析软件ANSYS对激光直接连接钛合金与PA66CF20进行了温度场模拟，分析了工艺参数（激光功率、扫描速度和离焦量）对温度场的影响，通过比较模拟结果与试验结果，发现二者可以较好的吻合，为使用有限元分析对工艺参数进行优化，减少试验量打下了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属与聚合物连接新方法

1．2．1 超声波焊接

1．2．2 摩擦点焊连接

1．2．3 感应焊接

1．3 激光直接连接金属与聚合物

1．3．1 激光直接连接金属与聚合物的基本原理

1．3．2 激光直接连接金属与聚合物的特点

1．4 激光直接连接金属与聚合物的国内外研究现状

1．4．1 国外研究现状

1．4．2 国内研究现状

1．4．3 激光直接连接金属与聚合物存在的主要问题

1．5 课题研究意义及主要内容

1．5．1 课题研究意义

1．5．2 主要研究内容及方法

1．5．3 课题来源

第二章 试验设备与试验设计方法

2．1 试验设备

2．1．1 激光连接设备

2．1．2 微机控制电子万能试验机

2．1．3 基恩士电子显微镜

2．1．4 数控超声波清洗机

2．1．5 金相全自动试样切割机

2．1．6 皮秒激光徽加工设备

2．1．7 X射线光电子能谱仪

2．2 试验材料及其制备

2．2．1 钛合金

2．2．2 碳纤维增强尼龙

2．2．3 材料的清洗

2．3 试验设计与分析方法

2．3．1 响应曲面方法概述

2．3．2 响应曲面试验规划方法

2．3．3 响应曲面法的数据处理

2．3．4 响应曲面优化方法基础

2．4 本章小结

第三章 金属与碳纤维增强尼龙的激光直接连接的试验研究

3．1 激光直接连接金属与聚合物的过程

3．2 试样的连接形貌观测

3．3 连接工艺参数对连接质量的影响

3．3．1 激光功率对连接质量的影响

3．3．2 扫描速度对连接质量的影响

3．3．3 离焦量对连接质量的影响

3．4 连接机理的分析

3．4．1 X射线光电子能谱分析

3．4．2 连接界面的横截面分析

3．5 本章小结

第四章 激光直接连接钛合金与碳纤维增强尼龙的工艺参数优化与连接强度提高研究

4．1 连接装置与材料

4．2 基于RSM方法的连接工艺参数建模与分析

4．3 试验结果与分析

4．3．1 接头宽度的数学模型

4．3．2 工艺参数对接头宽度的影响

4．4．3 连接强度的数学模型

4．4．4 工艺参数对连接强度的影响

4．5 数学模型的验证

4．6 工艺参数的优化

4．7 激光直接连接不同表面织构的金属与聚合物研究

4．7．1 四种表面织构

4．7．2 连接试验结果

4．7．3 不同织构深度对连接强度的影响

4．8 本章小结

第五章 激光直接连接金属与聚合物的温度场数值模拟

5．1 激光直接连接温度场模拟相关理论

5．1．1 有限元求解方法

5．1．2 激光直接连接的温度场模拟理论

5．1．3 激光直接连接温度场分析的有限元求解

5．2 温度场的有限元模拟过程

5．2．1 前处理

5．2．2 加载及计算

5．2．3 后处理

5．3 温度场模拟结果及其分析

5．3．1 温度场变化规律

5．3．2 激光功率对温度场的影响

5．3．3 扫描速度对温度场的影响

5．3．4 离焦量对温度场的影响

5．3．5 模拟结果与试验结果的对比

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 研究结果总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

致谢