碳纤热塑复合材料/不锈钢激光连接实验与数值模拟研究
发布时间：2020-12-30 19:18
碳纤维热塑性复合材料(CFRTP)具有比强度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐热性好等特点,是轻量化制造的重要材料,在航空航天、新能源汽车领域应用前景广阔。实现CFRTP材料之间及CFRTP与金属材料之间高质量的连接是其应用的一个关键技术。激光连接技术具有速度快、强度高、振动应力小、工艺灵活等特点,在CFRTP与金属材料连接上较胶接、机械连接等技术具有优势。为了明晰CFRTP与金属材料的连接机理,探索连接工艺,获得高质量的连接接头,本文选择CFRTP与不锈钢作为实验材料,使用光纤激光器对CFRTP/不锈钢激光直接连接进行实验研究,建立了基于接触热导率的连接数学模型,并利用有限元法对激光连接过程中的温度场进行了预测分析。首先,利用光纤激光器对CFRTP/不锈钢激光直接连接进行了探索性实验研究,通过单因素实验法研究了工艺参数(激光功率、扫描速度和夹具压力)对连接质量(接头强度、接头熔宽和不锈钢熔宽)的影响规律。结果表明,工艺参数的选择直接决定着CFRTP/不锈钢的连接质量;利用激光共聚焦显微镜(LSCM)、扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)对接头进行观察和检测,分析发现连接界面处存在着机械连接(锚固...
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纤复合材料的应用：（a）宝马i3全碳纤车身；（b）宝马7系车体中的碳纤分布
测得接头的剪切强度达到25MPa。所以利用超声波焊接技术可以实现碳纤维热塑复合材料与金属的连接，但问题是会破坏纤维结构，且连接强度很难继续提高。图1.2 超声波焊接设备示意图Fig.1.2 Diagram of ultrasonic welding equipment（2）电阻加热焊碳纤热塑复合材料的电阻加热焊与金属的电阻焊有所不同：金属的电阻焊是在两个连接件表面之间产生电阻热而使之焊接在一起；而碳纤热塑复合材料的电阻加热焊则是在两个表面之间放置加热元件，通过加热元件来加热这两个连接件表面并使之焊接在一起，如图 1.3 所示。在航空、航天工业中经常使用电阻加热焊进行碳纤热塑复合材料与 7075-T6铝合金的连接，其抗剪强度为 17.7~19.9MPa，大部分接头断裂在结合界面上，甚至断裂在加热元件上[20, 21]。由于焊接后加热元件残留在接头中，成为接头的一部分，这就要求加热元件与复合材料之间必须具有很好的相容性，并能很好地形成结合。所以，电阻加热焊有一定的应用范围，但其最大的缺点是接头里残留有加热元件，会影响接头的疲劳性能。图1.3 电阻加热焊示意图 图1.4 搅拌摩擦焊示意图Fig.1.3 Diagram of resistance heating welding Fig.1.4 Diagram of friction stir welding（3）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是通过搅拌头与待连接件的摩擦产生热量（图1.4），使该部位复合材料中
元件与复合材料之间必须具有很好的相容性，并能很好地形成结合。所以，电阻加热焊有一定的应用范围，但其最大的缺点是接头里残留有加热元件，会影响接头的疲劳性能。图1.3 电阻加热焊示意图 图1.4 搅拌摩擦焊示意图Fig.1.3 Diagram of resistance heating welding Fig.1.4 Diagram of friction stir welding（3）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是通过搅拌头与待连接件的摩擦产生热量（图1.4），使该部位复合材料中
【参考文献】：
期刊论文
[1]接触热导率对CFRTP/不锈钢激光直接连接温度场的影响[J]. 王强,焦俊科,昝少平,张文武. 中国激光. 2017(04)
[2]CFRP与不锈钢激光焊接的有限元分析[J]. 王强,焦俊科,王飞亚,张文武,盛立远. 激光技术. 2016(06)
[3]界面状态对CFRTP/不锈钢激光连接接头强度的影响规律研究[J]. 王强,焦俊科,王飞亚,昝少平,张文武,盛立远. 应用激光. 2016(05)
[4]碳纤热塑复合材料激光连接技术研究进展[J]. 焦俊科,王强,昝少平,张文武. 航空制造技术. 2016(19)
[5]面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术[J]. 宋燕利,杨龙,郭巍,华林. 材料导报. 2016(17)
[6]304不锈钢与PET激光焊接性能研究[J]. 黄磊,陈希章,郑怀忠. 上海交通大学学报. 2016(S1)
[7]汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应用现状[J]. 刘万双,魏毅,余木火. 纺织导报. 2016(05)
[8]汽车轻量化材料技术发展现状[J]. 张艳君. 汽车零部件. 2016(04)
[9]汽车塑料进气歧管焊接技术的发展和应用[J]. 王光耀,魏莉霞,马鸣图. 新材料产业. 2016(04)
[10]CFRTP-不锈钢激光连接接头剪切强度及连接机理的研究[J]. 王飞亚,王强,焦俊科,张文武,蒋蓁,盛立远. 电加工与模具. 2015(06)
硕士论文
[1]不相容聚合物激光透射连接机理、工艺与数值模拟研究[D]. 陈国纯.江苏大学 2016
[2]接枝改性聚乙烯与尼龙66激光透射焊接实验研究与数值模拟[D]. 蒋海荣.江苏大学 2016
[3]金属/复合材料机械连接热接触效应研究[D]. 金峻峰.武汉理工大学 2015
[4]316L不锈钢焊接接头的组织和力学性能研究[D]. 毛楠.哈尔滨工业大学 2012
[5]304不锈钢薄板激光焊接技术研究[D]. 张维哲.大连理工大学 2009
[6]304不锈钢激光焊接的建模与仿真[D]. 李建强.天津大学 2004
本文编号：2948162
【文章来源】：宁波大学浙江省
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纤复合材料的应用：（a）宝马i3全碳纤车身；（b）宝马7系车体中的碳纤分布
测得接头的剪切强度达到25MPa。所以利用超声波焊接技术可以实现碳纤维热塑复合材料与金属的连接，但问题是会破坏纤维结构，且连接强度很难继续提高。图1.2 超声波焊接设备示意图Fig.1.2 Diagram of ultrasonic welding equipment（2）电阻加热焊碳纤热塑复合材料的电阻加热焊与金属的电阻焊有所不同：金属的电阻焊是在两个连接件表面之间产生电阻热而使之焊接在一起；而碳纤热塑复合材料的电阻加热焊则是在两个表面之间放置加热元件，通过加热元件来加热这两个连接件表面并使之焊接在一起，如图 1.3 所示。在航空、航天工业中经常使用电阻加热焊进行碳纤热塑复合材料与 7075-T6铝合金的连接，其抗剪强度为 17.7~19.9MPa，大部分接头断裂在结合界面上，甚至断裂在加热元件上[20, 21]。由于焊接后加热元件残留在接头中，成为接头的一部分，这就要求加热元件与复合材料之间必须具有很好的相容性，并能很好地形成结合。所以，电阻加热焊有一定的应用范围，但其最大的缺点是接头里残留有加热元件，会影响接头的疲劳性能。图1.3 电阻加热焊示意图 图1.4 搅拌摩擦焊示意图Fig.1.3 Diagram of resistance heating welding Fig.1.4 Diagram of friction stir welding（3）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是通过搅拌头与待连接件的摩擦产生热量（图1.4），使该部位复合材料中
元件与复合材料之间必须具有很好的相容性，并能很好地形成结合。所以，电阻加热焊有一定的应用范围，但其最大的缺点是接头里残留有加热元件，会影响接头的疲劳性能。图1.3 电阻加热焊示意图 图1.4 搅拌摩擦焊示意图Fig.1.3 Diagram of resistance heating welding Fig.1.4 Diagram of friction stir welding（3）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是通过搅拌头与待连接件的摩擦产生热量（图1.4），使该部位复合材料中
【参考文献】：
期刊论文
[1]接触热导率对CFRTP/不锈钢激光直接连接温度场的影响[J]. 王强,焦俊科,昝少平,张文武. 中国激光. 2017(04)
[2]CFRP与不锈钢激光焊接的有限元分析[J]. 王强,焦俊科,王飞亚,张文武,盛立远. 激光技术. 2016(06)
[3]界面状态对CFRTP/不锈钢激光连接接头强度的影响规律研究[J]. 王强,焦俊科,王飞亚,昝少平,张文武,盛立远. 应用激光. 2016(05)
[4]碳纤热塑复合材料激光连接技术研究进展[J]. 焦俊科,王强,昝少平,张文武. 航空制造技术. 2016(19)
[5]面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术[J]. 宋燕利,杨龙,郭巍,华林. 材料导报. 2016(17)
[6]304不锈钢与PET激光焊接性能研究[J]. 黄磊,陈希章,郑怀忠. 上海交通大学学报. 2016(S1)
[7]汽车轻量化用碳纤维复合材料国内外应用现状[J]. 刘万双,魏毅,余木火. 纺织导报. 2016(05)
[8]汽车轻量化材料技术发展现状[J]. 张艳君. 汽车零部件. 2016(04)
[9]汽车塑料进气歧管焊接技术的发展和应用[J]. 王光耀,魏莉霞,马鸣图. 新材料产业. 2016(04)
[10]CFRTP-不锈钢激光连接接头剪切强度及连接机理的研究[J]. 王飞亚,王强,焦俊科,张文武,蒋蓁,盛立远. 电加工与模具. 2015(06)
硕士论文
[1]不相容聚合物激光透射连接机理、工艺与数值模拟研究[D]. 陈国纯.江苏大学 2016
[2]接枝改性聚乙烯与尼龙66激光透射焊接实验研究与数值模拟[D]. 蒋海荣.江苏大学 2016
[3]金属/复合材料机械连接热接触效应研究[D]. 金峻峰.武汉理工大学 2015
[4]316L不锈钢焊接接头的组织和力学性能研究[D]. 毛楠.哈尔滨工业大学 2012
[5]304不锈钢薄板激光焊接技术研究[D]. 张维哲.大连理工大学 2009
[6]304不锈钢激光焊接的建模与仿真[D]. 李建强.天津大学 2004
本文编号：2948162
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