激光透射焊接聚碳酸酯和聚苯醚的实验研究与数值模拟

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近年来,随着产品轻量化和节能环保需求的增加,热塑性塑料及其复合材料已开始取代金属材料在工业中得到了广泛的应用,其中,聚碳酸酯(PC)和聚苯醚(PPO)以其优异的力化学性能广泛应用于电子电器、汽车工业等行业中。激光透射焊接技术因其焊接质量好、热应力和机械应力低、容易控制、焊接效率高、可焊接复杂零件等优点,成为PC和PPO焊接富有应用潜力的一种焊接技术选择。本文采用实验研究与数值模拟相结合的方法,针对PC和PPO的激光透射焊接性能进行了系统性的研究。  首先,对激光透射焊接聚碳酸酯和聚苯醚材料的焊接适用性进行了分析,主要从上层材料透射率、温度属性和相容性三个方面进行。通过测量激光透过聚碳酸酯后功率的衰减来确定材料的透射率;采用热分析法(差示扫描量热分析法以及热重分析法)测定了两种材料的温度属性;分析了相容性对异种材料激光透射焊接性能的影响。结果表明,聚碳酸酯和聚苯醚材料具有良好的焊接性能,可形成牢固焊缝。  然后,使用响应面法对激光透射焊接聚碳酸酯和聚苯醚材料的激光透射焊接工艺参数进行了分析和优化,使用中心复合设计法建立了工艺参数表,进行了激光透射焊接实验,使用万能试验机对焊件进行拉伸实验并使用基恩士显微镜测量焊缝宽度,应用响应面法建立了反映焊接工艺参数和焊接质量间关系的数学模型,在特定优化准则下对工艺参数进行优化处理。结果表明,激光功率、扫描速度和夹紧力对焊接质量都有明显的影响,而激光功率和扫描速度对焊接质量的影响更加显著;运用响应面法建立的数学模型通过方差分析和实验证明具有较高的可靠性;通过优化设计获取了特定优化准则下的最佳工艺参数。  之后,对激光透射焊接过程中产生的焊接缺陷进行了分析,根据焊缝拉伸过程中的力-位移曲线和焊缝断面形貌对不同扫描速度下焊件的拉伸剪切失效形式进行了分析。结果表明,气泡等焊接缺陷可通过优化工艺参数和使用合适的焊接条件避免或者减轻;不同扫描速度下焊接件的拉伸剪切失效形式具有较大差异,当扫描速度较大时(50mm/s),焊接件呈现明显的脆性断裂现象,随着扫描速度的减小(40mm/s),焊接件失效形式呈现韧性断裂机制,当扫描速度减小到一定值时(10mm/s),焊接件失效形式出现韧性和脆性的混合型断裂机制。  最后,使用有限元分析法对激光透射焊接PC和PPO材料的温度场分布进行了数值模拟与分析,获取了激光透射焊接的温度场云图分布及其变化规律,比较分析了不同工艺参数(激光功率、扫描速度)下焊缝宽度的模拟计算结果和实际实验结果差异。结果表明,焊缝区域的温度在激光扫描后呈现快速上升趋势,激光扫描后存在滞后的温度场分布,激光扫描进入稳态后扫描方向上各区域具有稳定的升温降温过程;通过将焊缝宽度的模拟计算结果和实验结果进行比较,发现两者差异较小且变化趋势相似,证明了激光透射焊接温度场数值模拟的可靠性。  本文的研究为激光透射焊接PC和PPO材料在工业上的应用奠定了理论和实验基础。
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