基于粗糙表面的激光透射焊接PC热传递与数值模拟

发布时间：2020-07-13 23:58

【摘要】：激光透射焊接具有焊速高、热影响区小、无残渣、焊缝变形小等优点,已成为现代工业发展必不可少的加工方法。热塑性塑料的激光透射焊接过程是一个非稳态不均匀温度场形成与发展、机械力持续作用和塑料形成流动等方面相互耦合共同作用的复杂过程,基于理想接触表面的理论研究和单一物理场的分析研究已不能满足生产实际的要求。因此,需要考虑真实粗糙表面与多个物理场耦合的影响,对进一步探明激光焊接过程中能量传输与转换、焊缝的形成具有理论意义,对汽车工业、航天及生物医药装备制造等行业的发展具有深远的实际意义。本文以聚碳酸酯(PC)为研究对象,基于焊接试件三维粗糙表面模型,建立热传递数学模型,解析三维粗糙表面形貌引起的接触面间空隙对热传递的影响规律;构建基于粗糙表面的三维有限元模型,探讨焊接工艺参数对温度场、流场以及两场耦合场的影响机理;建立激光透射焊接工艺参数与焊接质量之间的数学模型,对激光透射焊接工艺参数进行优化。研究内容如下:首先,研究激光透射焊接过程中激光光束与焊接试件的相互作用,测量了PC透光试件与吸收试件的透射率、反射率和吸收率,研究吸光试件不同粗糙表面对反射率和吸收率的影响。其次,采用三维表面重构对焊接试件三维粗糙接触表面进行建模,确定分形为三维表面重构的方法,测定焊接试件粗糙表面轮廓,确定其分形维数与尺度系数等参数,利用各项异性三维W-M函数确定接触面的几何模型以及数值计算模型,通过三维软件建立实体模型。再次,采用响应曲面法作为焊接实验结果与数值分析结果的分析方法,建立焊接工艺参数与接触热导率之间的数学模型。通过单因素实验确定激光功率、焊接速度与夹紧力的范围。采用焊接实验确定实验焊缝宽度,通过仿真模拟确定接触热导率。基于响应曲面法建立了接触热导率的数学模型,得到描述接触热导率和焊接工艺参数的二次多项式方程。通过预测结果和实验结果对比,来验证模型的准确性。采用响应曲面法作为焊接工艺参数的优化方法,建立三因素五水平试验方案,以激光功率、焊接速度、夹紧力为自变量,焊缝处的焊接强度与焊缝宽度为因变量,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。最后,采用ANSYS对激光透射焊接PC过程中进行温度场与流场模拟。考虑了PC透光件的光学属性对激光特性的影响,测量吸收件表面的激光功率和光斑直径,根据吸收试件与激光的相互作用建立吸收试件的体热源模型。根据接触热导率模型确定不同焊接工艺参数下的接触热导率。对激光透射连接PC的温度场、流场进行模拟分析,确定焊接工艺参数对温度场与流场的影响规律。本文的研究成果为明晰激光焊接过程中不同工艺参数的共性机理研究提供了有益帮助,对研究与发展精确、高效、低成本的激光透射焊接工艺和装备具有重要的理论意义和工程应用价值,同时也为聚碳酸酯在工业中的普遍应用提供了技术支撑。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG456.7
【图文】：

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【参考文献】