304不锈钢与塑料异种材料激光振荡扫描焊接工艺及机理研究

发布时间：2020-07-07 05:23

【摘要】：塑料与金属在使用性能上有良好的互补性,将塑料与金属连接可以实现结构轻量化,为工业生产带来很高的经济效益,但是传统机械连接和化学胶结分别存在密封性和环境污染问题。激光焊接由于具有效率高、无接触、能量控制精确等优点而逐渐受到塑料与金属异种材料连接研究的关注。本文引入振荡扫描激光焊接工艺(圆形扫描方式)来尝试提高塑料与金属异种焊缝的质量,并基于304不锈钢和PA66/PET塑料研究了其工艺特性和结合机理。主要研究结果如下:首先,基于正交试验和方差分析法探讨了不同工艺参数对304不锈钢/PA66塑料激光扫描热传导焊缝剪切强度的影响规律。结果表明焊缝界面可划分为三个区域:完全熔化区域(CMZ)、部分熔化区域(PMZ)和软化区域(SZ)。PMZ相对于整个焊缝界面的面积占比是决定焊缝剪切强度的主要因素,当PMZ面积占比从35.9%提高到52%时,对应的焊缝剪切强度从2.9 MPa提高到了7.75 MPa。研究发现C-O-Cr化学键主导的结合力是界面结合的主要作用力。PMZ中C-O-Cr化学键的相对含量是CMZ的2倍,因此具有更高的结合强度。正交试验表明增大激光束振荡频率有利于增加PMZ面积占比,从而对焊缝剪切强度影响最显著,其贡献百分比为63.07%;另外,扫描半径影响最小,其贡献百分比仅为5.49%。其次,研究了304不锈钢/PET塑料激光透射焊接的工艺特性,发现焊缝形貌可分为两类:一类是焊缝中心区域气孔明显大于两侧的非均匀性焊缝;另一类是各区域气孔大小相近的均匀性焊缝。假设激光光斑能量分布均匀的前提下,分析了不同扫描半径下一个圆扫周期内的能量分布规律,发现当扫描半径(r)与光斑半径(r_0)满足r_0≤r≤1.25r_0关系时,焊缝表现为均匀性焊缝。实验得到的激光扫描透射焊接最优工艺参数为:激光功率300 W,焊接速度50 cm/min,正离焦20 mm,光束扫描半径2 mm,振荡频率为300 Hz。在此条件下,焊缝成形良好,剪切拉力为1036 N,达到PET母材强度的78.1%。最后,对比研究了304不锈钢/PET塑料热传导焊接和透射焊接工艺特性,发现热传导焊接和透射焊接主要在气孔形成方面存在差异。热传导焊缝气孔在膨胀时同时受到上下两个方向的挤压力,容易从母材间隙排出,而透射焊缝内气孔仅受单方向向上的反作用力,气孔容易膨胀熔合。热传导焊缝中气孔率的降低有利于增加有效连接面积,且其更容易形成C-M和C-O-Cr化学键加强界面结合,因而热传导焊缝剪切性能优于透射焊缝。在相同工艺参数下,304不锈钢/PET塑料激光热传导焊缝剪切拉力由透射焊接时的1036 N提高至1283 N,达到了母材的96.7%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG456.7;TN249
【图文】：

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以下几个方面：（1）航空航天领域[17]：CFRTP 材料制作机翼前缘、压力容器、引擎罩等构（2）汽车领域：灯罩、车门电子锁、发动机罩、蓄电池箱等[18]；（3）生物器件领域：生物基工程塑料聚氨酯、可生物降解聚氨酯[19]；（4）自动化领域[20]：塑料产品与自动化领域一直强调的柔性制造系统的理常契合。（5）电子封装领域：手机、固定电话等各种电子产品。具体应用实例如图 1示。可见，在各个领域中塑料与金属异种材料连接件的需求量很大。有研究表明在最大的民用飞机 A380 机身上有 22%质量的部件采用了 CFRTP 材料，其燃油消以降低 13%左右。另有数据表明[18]，德国汽车制造中塑料平均占总材料的 15%，国这一比例仅为 7%。因此，尚需进一步加强对塑料与金属异种材料连接技术的研以减少这一差距。

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（1）机械连接机械连接是指使用螺栓或者铆钉[8, 21]、搭扣将塑料和金属连接在一起，具体包接、螺栓连接、压力装配、搭扣连接等，塑料与金属件铆接示意图如图 1-2a 和 b 所机械连接大部分是通过外部压力使连接处产生局部变形通过机械咬合的方式结合起。由于热铆接应用较多，目前对于机械连接的研究主要集中于热铆接。但是热工艺较繁琐，有些需要在金属表面预先制孔，限制了工件的设计自由度。同时热铆22]破坏了接头表面的完整性，如图 1-2c 和 d 所示，无法适用于精密连接，同时加程中有高负载，需要可靠的夹紧系统[1]，并且结合强度不够稳定。机械连接具有加工成本低且螺栓连接强度等优点[23]，但其密封性差、容易造力集中、工艺琐碎不利于实现自动化、外部紧固件的使用会增加接头的重量不利量化。

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的地方；胶黏剂的老化会影响连接件的使用寿命，同时化学胶黏剂挥发会污染环境。（3）熔接熔接主要是指塑料在连接过程中存在熔化和再凝固现象，同时金属也可能发生部分熔化。熔接最主要的形式为焊接，如热工具焊接、电阻丝焊接、热气焊接、激光焊接[27]、电磁感应焊接、超声波焊接[28]和搅拌摩擦焊接[13]等。王希靖[29]等人对 2 mm 厚的 ABS 塑料板和 6082-T6 铝合金进行搅拌摩擦点焊，发现将铝合金板放在上方，塑料板放在下方的搭接方式有利于实现良好的连接，所得焊接接头的抗拉剪载荷最大为 3.31 kN。K. Nakata 等人[7]利用搅拌摩擦焊接 PA6 与AA6061 铝板（如图 1-3 所示），研究了搅拌摩擦焊接参数对气孔和焊缝强度的影响规律，发现增加搅拌头转速可以降低界面气孔数量并且增加焊缝强度；通过电子显微镜对焊缝断面形态进行分析，发现不同断面形态对应的强度不同。搅拌摩擦焊接对装夹要求较高，多用于连接平面构件，对于管材焊接不适用。

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