基于搭接表面接触状态的激光透射焊接PC工艺研究与数值模拟

发布时间：2020-10-25 04:41

　　激光透射焊接技术作为一种新兴的、先进的热塑性聚合物的连接技术,由于环保、精密度高、热影响区小及焊接质量好等特点,逐渐成为热塑性聚合物最具潜力的连接方法之一。激光透射热塑性塑料焊接过程是一个非稳态不均匀温度场形成与发展、机械力持续作用等方面相互耦合作用的复杂过程,基于理想接触状态的理论研究已不能满足生产实际的要求,需要考虑搭接面的接触状态。因此,针对搭接面接触状态对焊接质量影响的研究,对于进一步明晰焊接过程中搭接面处热量传递机理以及焊缝的形成具有重要的理论价值。本文以聚碳酸酯(PC)为研究对象,建立焊接工艺参数与焊接质量之间的数学模型,对焊接工艺参数进行优化;基于焊接时搭接面接触状态的变化,建立搭接面热传递模型,分析不同接触状态对热传递的影响;建立挤压熔融模型,探究搭接面间的空隙对焊接质量的影响;构建基于搭接面接触状态及空隙的有限元模型,探究焊接工艺参数对温度场、焊接质量的影响机理。详细研究内容如下:首先,讨论激光在PC材料中传递和热能在PC材料中传递的基础理论,阐述激光透射连接的连接机理,并介绍实验材料的制备过程,得到符合激光透射焊接的PC板件,并对试件的透射率、反射率、密度、比热等物理参数进行实验测量。其次,进行激光透射焊接PC的工艺焊接实验。在考虑搭接面接触的基础上,讨论了激光功率、焊接速度和桥接间隙对焊接质量的影响。基于响应曲面法建立焊缝宽度与拉伸强度的数学模型,探究激光功率、焊接速度以及桥接间隙对焊接质量的交互式影响,并对模型进行验证,确定最优参数组合,从而有效提高焊接质量和效率。再次,根据焊接过程中搭接面接触状态从固-固接触逐渐转化为固-液接触,最后完全转化为液-液接触的变化过程,分析不同状态对搭接面处热传导影响,建立更符合实际焊接的搭接面热传导数学模型,并在COMSOL软件建立考虑搭接表面接触状态的焊接有限元模型,获得基于接触状态分析的焊接温度场。分析焊接温度场随激光功率和焊接速度变化规律,并对比不考虑接触状态下的温度分布,模拟结果与实际焊接数据相吻合,验证搭接面接触状态传热模型可靠性。最后,基于搭接面接触状态热传导模型,分析间隙条件下吸收层材料的热变形及吸收层向透射层传热过程,建立存在间隙下的挤压熔融模型。在简化的挤压熔融模型的基础上,分析不同焊接参数下的最大焊接间隙及焊接过程中的最高温度,进一步确定焊接参数范围。借助建立的挤压熔融模型,在COMSOL软件中建立桥接间隙下的有限元分析模型,获得间隙条件下的温度场分布。分析搭接间隙对焊接温度、焊缝宽度及焊接质量,优化焊接参数,减少焊接试验次数,提高焊接质量。本文建立的激光透射焊接热塑性聚合物搭接面热传递模型和挤压熔融模型能够为实验研究与数值模拟提供重要理论支持,同时对激光透射焊接技术的推广具有重要意义。
【学位单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG456.7
【部分图文】：