表面织构对异种材料焊接接头性能的影响研究
发布时间：2021-11-15 01:36
新材料、新能源的开发和应用,给现代工业的发展注入了蓬勃的动力。在工业生产过程中,单一材料已经难以实现当前产品的技术要求,异种材料连接的研究势在必行。金属材料与塑料焊接不仅可以满足轻量化得要求,还可以充分发挥两种材料的优势。论文针对目前金属与塑料难以实现高强度焊接的问题,采用表面织构预处理和激光照射焊的方法,实现了铝合金与塑料高强度的连接。本文采用8k W的碟片激光器以2mm厚PET和1.5mm厚的1060铝合金作为研究对象,研究铝合金板表面织构形貌和排布间距对铝合金-PET激光焊接接头性能的影响。首先,利用无表面织构的铝合金板和PET板进行了铝合金-PET激光照射焊接工艺的初步优化试验,初步确定了激光离焦量、预紧力和激光功率范围,实现了铝合金-PET焊接接头的有效连接;其次,利用激光打标机对铝合金板做表面织构预处理研究,探究了标刻参数对铝合金表面织构成形形貌的影响规律,结果表明织构形貌是由离焦量和标刻次数共同影响的结果;再次,考虑铝合金板表面织构对铝合金-PET界面传热效率的影响,对有织构铝合金-PET激光照射焊接工艺进行了二次优化,确定了最终的激光功率;最后,采用完全正交和单因素优化...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PET激光焊接原理[27]
第1章绪论5图1.2不锈钢与PET激光透射焊接示意图[28]激光透射焊适用于透光型塑料和高吸光材料的金属，然而对于低吸光率金属材料，激光透射焊难以形成可靠的焊接接头。金属侧激光照射焊不仅适用于透光型塑料与金属的焊接，也适用于不透光塑料与金属材料的焊接。清华大学的谭向虎[33]采用激光照射焊实现了CFRP塑料与不锈钢的焊接。研究通过对不锈钢表面添加镀Cr层，大大提高了焊接接头的力学性能。激光连接过程中,镀Cr层与CFRP在连接界面处发生反应,形成了Cr-O-PA6T化学键合,是接头界面强度得以提高的重要原因。大连理工大学的谢龙[34]与孙雪会[35]进行了镁合金与PET塑料的激光照射焊接试验。谢龙的试验通过对镁合金与PET激光焊接接头形貌、元素分布及力学性能等进行分析，建立了焊接接头的连接机理。孙雪会通过优化激光焊接工艺参数，获得了强度可靠的焊接接头。研究表明，气泡的存在对焊接接头的力学性能产生积极的影响，同时分析得到在镁合金与PET的激光焊接过程中，镁合金的氧化膜与的CO基团很可能发生了络合反应，形成了化学键，化学键使其与基体结合在一起，从而形成较强的接头拉伸剪切载荷。激光焊接工艺过程中，工艺参数高度灵活可调，精确度高，可以实现无接触焊接，对金属与塑料等高分子材料的焊接具有非常良好的适应性[36-37]。随着先进制造技术的发展，在面向焊接产品智能化、自动化与柔性化的发展趋势中，金属与高分子材料激光焊接具有很好的发展前景[38-39]。1.3表面处理在异种材料连接领域的应用及现状表面处理是为了满足产品的耐蚀性、耐磨性或其他特种功能要求，在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层或者对基体材料表面层形貌进行改造的一种工艺方法，在航空航天领域及机械摩
第1章绪论7机械连接的一种重要形式。铆接技术具有抗震和抗冲击等优点，易实现自动化，在目前汽车制造及航空航天领域广泛应用[47]。随着铆接工艺的发展，有人发明了无铆钉铆接技术。无铆钉铆接是一种板料连接工艺。在成形过程中通过凸模与凹模之间的协同作用，使板料产生塑性变形，通过材料之间的流动和上翻使材料连接表面形成燕尾状自锁结构，从而实现连接作用，提升了连接接头的抗剪切和抗拉拔的能力[48]。铆接过程分为四个阶段，如图1.3所示。图1.3无铆钉铆接过程示意图[48]黄志超[49]等人对铝合金与碳纤维复合材料自冲铆接强度影响因素进行了试验分析。不同碳纤维铺层方向示意图如图1.4所示。试验通过对不同铺层方向碳纤维与铝合金进行铆接，分析得到碳纤维铺层方向对铆接强度有非常重要的影响。机械连接可以获得结合强度较高的接头，但是应力集中、密封性差等问题在应用过程中仍需解决[50]。图1.4碳纤维铺层方向示意图[49]1.3.3表面处理在焊接中的应用通过化学表面处理可以改变金属材料表面组成成分，提高接头的结合强度。李翠梅[51]通过焊接前对镁合金表面进行碱洗和酸洗两种不同的预处理，研究了表面处理对AZ31B镁合金板材超声波焊接性的影响。结果表明，经碱洗的镁合金表面覆盖较厚的Mg(OH)2覆膜，此覆膜在焊接过程中容易剥离、聚集，使超声波焊接接头性能降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]透明FEP塑料激光焊接工艺研究[J]. 方涛,于捷. 塑料科技. 2019(11)
[2]CFRP/Al胶接接头形貌特征对连接性能影响[J]. 陈潇凯,符东,孙凌玉,李孟强. 北京理工大学学报. 2020(09)
[3]NiTi形状记忆合金激光焊接的研究进展[J]. 王晓南,汪杰,陈夏明,胡增荣,刘珍光,周健. 机械工程学报. 2019(10)
[4]铝合金与碳纤维复合材料自冲铆接强度影响因素研究[J]. 黄志超,程露,胡义华. 塑料工业. 2019(05)
[5]塑料焊接在汽车灯具中的应用及其影响因素探究[J]. 张玉坤. 合成材料老化与应用. 2019(02)
[6]铝合金和热塑性塑料搅拌摩擦焊接头组织及性能研究[J]. 任鑫成. 焊接技术. 2019(03)
[7]半导体-光纤激光复合焊接铝合金研究[J]. 朱宝华,李小婷,丁凯强. 应用激光. 2018(04)
[8]双束激光焊接的研究现状[J]. 赵燕春,张培磊,顾俊杰. 材料导报. 2018(S1)
[9]填充焊丝对A7204铝合金光纤激光-VPTIG复合焊接头的影响[J]. 王灿,吕俊霞,张建超,吴世凯. 中国激光. 2018(03)
[10]磁场对激光焊接钢/铝异种金属焊缝性能的影响[J]. 丁浩,徐家乐,谭文胜,黄舒,周建忠. 中国激光. 2017(09)
博士论文
[1]钛合金/不锈钢异种材料激光焊接头微观组织及力学性能的研究[D]. 张岩.吉林大学 2019
[2]轨道客车用SUS301L奥氏体不锈钢激光叠焊技术研究[D]. 刘佳.长春理工大学 2012
[3]光纤激光—电弧复合焊接高强铝合金工艺、缺陷产生与质量控制[D]. 严军.华中科技大学 2011
硕士论文
[1]异种材料超声辅助激光点焊机理研究[D]. 李忠.长春理工大学 2019
[2]5083铝合金电阻点焊接头成型及电极失效研究[D]. 佘亚东.河北科技大学 2019
[3]7075铝合金表面阳极氧化膜的制备及其摩擦学性能的研究[D]. 赵红锦.青岛理工大学 2018
[4]激光清洗5083铝合金阳极氧化膜对激光焊接质量的影响[D]. 董文祺.湖北工业大学 2018
[5]挤压成型2A12铝合金硬质阳极氧化膜的制备工艺及性能研究[D]. 时春燕.南昌航空大学 2018
[6]钢铝异种材料粘铆复合连接接头成形仿真研究[D]. 杨冠男.吉林大学 2018
[7]铝/钢异种金属激光-电弧复合焊接及胶焊研究[D]. 冯宝强.大连理工大学 2018
[8]304不锈钢与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）异种材料的焊接工艺研究[D]. 郑怀中.江苏大学 2017
[9]ABS与铝合金搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 彭军.兰州理工大学 2016
[10]汽车轻量化异种材料胶接接头力学性能研究[D]. 杨晓莉.大连理工大学 2014
本文编号：3495764
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
PET激光焊接原理[27]
第1章绪论5图1.2不锈钢与PET激光透射焊接示意图[28]激光透射焊适用于透光型塑料和高吸光材料的金属，然而对于低吸光率金属材料，激光透射焊难以形成可靠的焊接接头。金属侧激光照射焊不仅适用于透光型塑料与金属的焊接，也适用于不透光塑料与金属材料的焊接。清华大学的谭向虎[33]采用激光照射焊实现了CFRP塑料与不锈钢的焊接。研究通过对不锈钢表面添加镀Cr层，大大提高了焊接接头的力学性能。激光连接过程中,镀Cr层与CFRP在连接界面处发生反应,形成了Cr-O-PA6T化学键合,是接头界面强度得以提高的重要原因。大连理工大学的谢龙[34]与孙雪会[35]进行了镁合金与PET塑料的激光照射焊接试验。谢龙的试验通过对镁合金与PET激光焊接接头形貌、元素分布及力学性能等进行分析，建立了焊接接头的连接机理。孙雪会通过优化激光焊接工艺参数，获得了强度可靠的焊接接头。研究表明，气泡的存在对焊接接头的力学性能产生积极的影响，同时分析得到在镁合金与PET的激光焊接过程中，镁合金的氧化膜与的CO基团很可能发生了络合反应，形成了化学键，化学键使其与基体结合在一起，从而形成较强的接头拉伸剪切载荷。激光焊接工艺过程中，工艺参数高度灵活可调，精确度高，可以实现无接触焊接，对金属与塑料等高分子材料的焊接具有非常良好的适应性[36-37]。随着先进制造技术的发展，在面向焊接产品智能化、自动化与柔性化的发展趋势中，金属与高分子材料激光焊接具有很好的发展前景[38-39]。1.3表面处理在异种材料连接领域的应用及现状表面处理是为了满足产品的耐蚀性、耐磨性或其他特种功能要求，在基体材料表面上人工形成一层与基体的机械、物理和化学性能不同的表层或者对基体材料表面层形貌进行改造的一种工艺方法，在航空航天领域及机械摩
第1章绪论7机械连接的一种重要形式。铆接技术具有抗震和抗冲击等优点，易实现自动化，在目前汽车制造及航空航天领域广泛应用[47]。随着铆接工艺的发展，有人发明了无铆钉铆接技术。无铆钉铆接是一种板料连接工艺。在成形过程中通过凸模与凹模之间的协同作用，使板料产生塑性变形，通过材料之间的流动和上翻使材料连接表面形成燕尾状自锁结构，从而实现连接作用，提升了连接接头的抗剪切和抗拉拔的能力[48]。铆接过程分为四个阶段，如图1.3所示。图1.3无铆钉铆接过程示意图[48]黄志超[49]等人对铝合金与碳纤维复合材料自冲铆接强度影响因素进行了试验分析。不同碳纤维铺层方向示意图如图1.4所示。试验通过对不同铺层方向碳纤维与铝合金进行铆接，分析得到碳纤维铺层方向对铆接强度有非常重要的影响。机械连接可以获得结合强度较高的接头，但是应力集中、密封性差等问题在应用过程中仍需解决[50]。图1.4碳纤维铺层方向示意图[49]1.3.3表面处理在焊接中的应用通过化学表面处理可以改变金属材料表面组成成分，提高接头的结合强度。李翠梅[51]通过焊接前对镁合金表面进行碱洗和酸洗两种不同的预处理，研究了表面处理对AZ31B镁合金板材超声波焊接性的影响。结果表明，经碱洗的镁合金表面覆盖较厚的Mg(OH)2覆膜，此覆膜在焊接过程中容易剥离、聚集，使超声波焊接接头性能降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]透明FEP塑料激光焊接工艺研究[J]. 方涛,于捷. 塑料科技. 2019(11)
[2]CFRP/Al胶接接头形貌特征对连接性能影响[J]. 陈潇凯,符东,孙凌玉,李孟强. 北京理工大学学报. 2020(09)
[3]NiTi形状记忆合金激光焊接的研究进展[J]. 王晓南,汪杰,陈夏明,胡增荣,刘珍光,周健. 机械工程学报. 2019(10)
[4]铝合金与碳纤维复合材料自冲铆接强度影响因素研究[J]. 黄志超,程露,胡义华. 塑料工业. 2019(05)
[5]塑料焊接在汽车灯具中的应用及其影响因素探究[J]. 张玉坤. 合成材料老化与应用. 2019(02)
[6]铝合金和热塑性塑料搅拌摩擦焊接头组织及性能研究[J]. 任鑫成. 焊接技术. 2019(03)
[7]半导体-光纤激光复合焊接铝合金研究[J]. 朱宝华,李小婷,丁凯强. 应用激光. 2018(04)
[8]双束激光焊接的研究现状[J]. 赵燕春,张培磊,顾俊杰. 材料导报. 2018(S1)
[9]填充焊丝对A7204铝合金光纤激光-VPTIG复合焊接头的影响[J]. 王灿,吕俊霞,张建超,吴世凯. 中国激光. 2018(03)
[10]磁场对激光焊接钢/铝异种金属焊缝性能的影响[J]. 丁浩,徐家乐,谭文胜,黄舒,周建忠. 中国激光. 2017(09)
博士论文
[1]钛合金/不锈钢异种材料激光焊接头微观组织及力学性能的研究[D]. 张岩.吉林大学 2019
[2]轨道客车用SUS301L奥氏体不锈钢激光叠焊技术研究[D]. 刘佳.长春理工大学 2012
[3]光纤激光—电弧复合焊接高强铝合金工艺、缺陷产生与质量控制[D]. 严军.华中科技大学 2011
硕士论文
[1]异种材料超声辅助激光点焊机理研究[D]. 李忠.长春理工大学 2019
[2]5083铝合金电阻点焊接头成型及电极失效研究[D]. 佘亚东.河北科技大学 2019
[3]7075铝合金表面阳极氧化膜的制备及其摩擦学性能的研究[D]. 赵红锦.青岛理工大学 2018
[4]激光清洗5083铝合金阳极氧化膜对激光焊接质量的影响[D]. 董文祺.湖北工业大学 2018
[5]挤压成型2A12铝合金硬质阳极氧化膜的制备工艺及性能研究[D]. 时春燕.南昌航空大学 2018
[6]钢铝异种材料粘铆复合连接接头成形仿真研究[D]. 杨冠男.吉林大学 2018
[7]铝/钢异种金属激光-电弧复合焊接及胶焊研究[D]. 冯宝强.大连理工大学 2018
[8]304不锈钢与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）异种材料的焊接工艺研究[D]. 郑怀中.江苏大学 2017
[9]ABS与铝合金搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 彭军.兰州理工大学 2016
[10]汽车轻量化异种材料胶接接头力学性能研究[D]. 杨晓莉.大连理工大学 2014
本文编号：3495764
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