热塑性塑料激光透射焊接的实验研究与数值模拟

摘要

热塑性塑料的激光透射焊接以其优良的焊接质量、易于控制、可焊接微小零件等诸多优点成为人们研究的热点。国外在激光透射焊接产业化和专利申请方面已经比较完善，但可能是处于保密的考虑发表的研究论文并不多；国内现已认识到了热塑性塑料激光透射焊接的广阔应用前景，但是国内对于该课题的具体研究还非常少，无论是理论、专利申请还是产业化方面都无法与国外相比。因此，开展激光透射焊接热塑性塑料研究有着重要的理论意义和巨大的实际应用价值。 本文根据热塑性塑料的激光透射焊接机理，采用实验和数值模拟相结合的方法，以透明PS和PVC为研究对象，进行了较为系统的研究： 首先，采用正交实验方法，对透明PS之间和透明PVC之间分别进行了激光透射焊接，找到了其最佳工艺参数组合；研究了各工艺参数对焊接强度和焊缝宽度的影响大小，分析结果发现各工艺参数对PS之间焊接强度的影响大小顺序为：焊接速度>激光器平均功率>光斑直径>焊后保压时间>激光器频率>夹具夹紧力；各工艺参数对PVC之间焊接强度的影响大小顺序为：焊接速度>激光器平均功率>激光器频率>焊后保压时间>光斑直径>夹具夹紧力，为提高焊接质量提供了工艺上的指导；另外，对PS和PVC两种不同塑料之间成功地进行了激光透射焊接，得到了其最优工艺参数，并进行了定量分析，发现各工艺参数对PS和PVC之间焊接强度的影响大小顺序为：焊接速度>夹具夹紧力>光斑直径>激光器平均功率>激光器频率>焊后保压时间；从焊接强度和外观质量两方面，对黑漆吸收剂和C1earveld吸收剂焊接的样品进行了比较，发现Clearweld吸收剂焊接的样品在焊接强度和外观质量上均优于黑漆吸收剂焊接的样品；对焊接过程中出现的黑色焦黄色焊缝、焊缝凸起和焊接断裂现象进行了分析。其次，采用有限元的方法，建立了比较适合于热塑性塑料激光透射焊接的传热和热力耦合数值模拟计算模型，模拟了热塑性塑料激光透射焊接的温度场、应力场，讨论了焊接速度、激光平均功率和光斑直径对温度场和应力场的影响，发现模拟结果与实验结果比较吻合。通过数值模拟可以对焊接过程熔池的尺寸加以控制，优化焊接工艺参数，为研究焊接机理提供了新的方法，为提高焊接精度提供了依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2热塑性塑料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本文的主要内容和研究方法

1.4本文的研究意义

第二章热塑性塑料激光透射焊接的原理、工艺及焊接方法

2.1激光透射焊接原理

2.1.1激光透射焊接基本原理

2.1.2塑料激光焊接的优点

2.1.3塑料激光焊接的应用

2.2激光透射焊接工艺

2.2.1激光器

2.2.2材料

2.2.3吸收剂

2.3激光透射焊接方法

2.3.1轮廓焊接

2.3.2同步焊接

2.3.3准同步焊接

2.3.4掩膜焊接

2.3.5放射状焊接

2.3.6 Globo焊接

2.4本章小结

第三章激光透射焊接实验及工艺研究

3.1实验材料、焊接形式和激光器

3.1.1实验材料

3.1.2焊接形式

3.1.3激光器

3.2热塑性塑料激光透射焊接工艺参数

3.3实验方法和分析方法

3.3.1正交实验设计介绍

3.3.2正交实验法的优点

3.3.3正交实验的数据处理

3.4焊接件测试方法

3.4.1切片实验

3.4.2拉伸测试

3.5 PS之间焊接的最优工艺参数组合

3.5.1实验及实验结果

3.5.2实验结果分析

3.6 PVC之间焊接的最优工艺参数组合

3.6.1实验及实验结果

3.6.2实验结果分析

3.7 PS和PVC之间焊接的最优工艺参数组合

3.7.1实验及实验结果

3.7.2实验结果分析

3.8吸收剂对焊接质量的影响

3.8.1焊接强度

3.8.2外观质量

3.9黑色焦黄色焊缝、焊缝凸起和焊接断裂现象分析

3.9.1黑色焦黄色焊缝

3.9.2焊缝凸起现象

3.9.3焊接断裂现象

3.10本章小节

第四章激光透射焊接的温度场和应力场的有限元模拟

4.1温度场的有限元模拟

4.1.1模拟的必要性

4.1.2有限元软件ANSYS简介

4.1.3激光透射焊接的热传导

4.1.4激光透射焊接温度场的有限元计算方法

4.1.5温度场有限元模拟过程

4.1.6温度场有限元模拟结果及分析

4.2激光透射焊接应力场的有限元模拟

4.2.1应力场模拟的必要性

4.2.2应力场模拟的热力耦合

4.2.3屈服准则

4.2.4应力场的有限元模拟结果及分析

4.4本章小结

第五章总结与展望

5.1研究结果总结

5.2展望

参考文献

附录A激光透射焊接与超声波焊接的实验对比

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及专利