面向汽车轻量化的激光处理铝合金与聚乳酸连接强度机理研究

发布时间：2020-11-02 01:24

　　 多种材料在汽车上的应用是实现汽车轻量化的有效手段,但不同材料之间的连接是亟待解决的问题。聚乳酸(PLA)是制造和使用过程均无污染的塑料材料,将该材料应用在汽车上既满足汽车轻量化要求,又能有效解决环保问题。随着PLA及其复合材料制品在汽车上的推广应用,该材料与金属板材等多种材料之间的连接亦亟待解决。本文以5052铝合金与PLA为研究对象,针对PLA材料强度低、耐老化性能差以及铝合金与PLA连接强度不高等问题。结合国内外学者研究基础以及项目需求,从铝合金表面激光处理、中心复合设计优化激光工艺参数、玄武岩纤维(BF)增强PLA、温度老化和有限元仿真与应用等方面展开面向汽车多材料轻量化的铝合金-PLA一体化连接机理研究。具体研究工作包括以下几个方面:(1)为了研究铝合金表面特征对铝合金-PLA连接强度的影响,在酸碱溶液去除铝合金表面氧化膜的基础上,以激光处理的方式获得了具有微观形貌的铝合金。从宏观力学性能和微观形貌方面研究了铝合金表面激光处理工艺参数(激光功率、扫描线宽、扫描速度)与铝合金-PLA连接强度的相关性。结合铝合金表面微观组织形貌、粗糙度和铝合金-PLA连接强度,分析了激光处理铝合金表面对铝合金-PLA连接强度增强的机理。结果表明,对于不同的激光功率,铝合金-PLA连接强度随着激光功率的增加呈现先上升后降低的趋势;对于不同的扫描线宽,铝合金-PLA连接强度随着扫描线宽的降低而下降;对于不同的扫描速度,铝合金-PLA连接强度随着扫描速度的增加呈现先降低后增加的趋势。经激光处理的铝合金表面主要通过增加接触面积、提高强化系数和机械咬合的共同作用,使得铝合金-PLA的连接强度提高。(2)通过中心复合设计方法完成铝合金-PLA连接试验方案设计,基于多元非线性理论,建立了激光功率、扫描线宽和扫描速度与铝合金-PLA连接强度的多元非线性回归模型。采用逐步回归迭代策略,分析了各激光工艺参数以及各工艺参数交互作用对铝合金-PLA连接强度的影响。结果显示,激光功率对铝合金-PLA连接强度的影响最强,扫描线宽对铝合金-PLA连接强度的影响次之,扫描速度对铝合金-PLA连接强度的影响最弱。激光功率和扫描线宽的交互作用增加了连接时铝合金与PLA的接触面积,使得铝合金-PLA连接强度显著增强。扫描速度的作用是使蒸汽压力与表面张力产生变化从而影响铝合金-PLA连接强度。经过试验验证得到模型预测值与试验所得值基本吻合,此模型可有效预测铝合金-PLA连接强度。而且发现铝合金-PLA连接试样失效的位置主要发生在PLA本身,失效的模式主要为内聚失效。(3)为了提高铝合金与PLA的连接强度,采用在PLA中添加BF获得BF/PLA复合材料的方式对PLA进行增强。获得了不同BF含量的BF/PLA复合材料,研究了BF含量对BF/PLA复合材料-铝合金连接强度的影响。通过SEM(Scanning Electron Microscope,扫描电镜)分析了不同的BF含量BF/PLA复合材料的断口形貌及规律,以DSC(Differential Scanning Calorimeter,差示扫描量热法)分析了BF含量对BF/PLA复合材料结晶成核的影响。研究发现,当BF含量为40%时,BF/PLA复合材料与激光处理铝合金的连接强度最大为59 MPa。BF含量为40%时,结晶温度为85℃,成核结晶率大幅提升。成核结晶率的提高直接导致了BF/PLA复合材料与铝合金连接强度的增强。(4)以高温85℃和低温﹣35℃作为温度老化条件,采用不同的时间间隔与周期,研究了高温和低温以及时间对BF/PLA-铝合金连接强度的影响规律。结合DSC测试得到的结晶特性和SEM获得的微观特征,不同环境条件下,对BF/PLA-铝合金连接强度随老化时间变化情况进行了分析和多种方式的拟合预测。结果显示,BF/PLA-铝合金连接强度随着老化时间的增长而降低。高温老化失效机理主要是使BF/PLA复合材料分解造成强度降低,低温的失效机理是由于铝合金与PLA之间膨胀系数不一致所产生的热应力造成强度降低。通过对比拟合系数,发现多项式函数能够有效预测BF/PLA-铝合金连接强度随老化时间的变化。(5)通过对铝合金-PLA连接的微观形貌简化建立了计算模型,采用Tie绑定和零厚度Cohesive单元方式对铝合金-PLA连接强度进行了有限元模拟。以车辆控制单元壳体为案例对铝合金-PLA连接技术在轻量化上的应用进行了研究,结合拓扑优化、模态分析和刚度分析得到了BF/PLA-铝合金壳体,并试验验证了方案的可行性。结果发现,以激光功率35 W处理获得的矩形形貌铝合金表面,获得的铝合金-PLA试样连接强度最好,与中心复合设计分析以及试验获得的结果相吻合。零厚度Cohesive单元更能有效反应铝合金-PLA连接的真实情况,与试验结果吻合度更高。通过对车辆控制单元壳体拓扑优化获得了最佳材料分布。通过模态和刚度分析,验证了优化的可行性。以40%BF和60%PLA最佳配比制备的BF/PLA复合材料与铝合金连接完成壳体加工制作。经过试验验证,BF/PLA-铝合金连接壳体能够满足使用要求,达到8.9%的减重效果。该应用案例证明了铝合金-PLA连接技术在汽车多材料轻量化应用上的可能性,为金属-塑料一体化连接技术的推广与应用奠定了基础。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U466
【部分图文】：

吉林大学博士学位论文2续表技术类别具体内容先进工艺汽车钢板：内高压成形、热冲压成形、辊压成形、激光拼焊、不等厚轧制板等镁合金/铝合金：半固态成形、高压铸造成形、低（差）压铸造成形等复合材料：在线模塑成型、在线注射成型、在线模压成型、RTM等连接工艺：激光焊接及激光钎焊、搅拌摩擦焊、锁铆及自锁铆技术、热熔自攻螺钉、胶粘连接等轻量化材料的研究主要包括高强度钢、铝合金、镁合金、复合材料等。轻量化结构优化主要包括整车及零部件结构拓扑优化、尺寸优化、形状/形貌优化、基于多学科的多目标优化[6-9]。未来汽车用材与结构设计之间的发展趋势如图1.1所示。图1.1未来汽车用材与结构设计发展趋势轻量化先进工艺技术包括先进制造工艺技术和先进连接技术。在先进制造工艺技术方面，主要包括：高强度钢板热冲压成形、液压成形、激光拼接焊成形，管材内高压成形等，铝/镁合金的半固态成形、高真空压铸、等温锻造等，复合材料在线模塑成型、在线注塑成型、在线模压成型等。先进连接工艺技术方面包括：激光焊接及激光钎焊、搅拌摩擦焊、锁铆及自锁铆技术、流钻螺钉、胶粘连接等。汽车轻量化连接技术包括激光焊接、搅拌摩擦焊、铆接技术、自锁铆、热熔自攻螺钉以及胶粘连接等技术，通过先进连接技术将轻量化构件连接成零部件

置到注塑模具中完成加工成型。金属-塑料一体化连接技术以其减重效果显著、集成度高、强度高等优点在车辆上得到应用。Hoffmann 等[87]在梅赛德斯 MFA1平台以如图 1.4 所示的仪表台横梁研究了金属-塑料一体化成型技术的适用性。采用激光处理的方式完成对金属表面 GEO2 和 GEO3 两个位置的自动化处理，塑料与金属间的连接在聚酯胺成型过程中实现。按照 DIN ISO 1110 标准在室温、﹣30℃和 100℃进行了热老化试验，在相应的 GEO2 和 GEO3 位置锯出圆形节段，以 2 mm/min 的速度沿管方向测试了剪切强度，结果表明热应力和机械应力没有导致强度下降。

第1章绪论13如图1.5所示为金属-塑料一体化连接刹车踏板，刹车踏板的主体骨架由金属材料制成，采用金属-塑料一体化连接技术将塑料注入模型中完成加工成形[20]。金属-塑料一体化连接技术的应用不仅提高了设计的自由度，而且在提高强度的同时达到了减轻重量的目的。图1.5金属-塑料一体化连接刹车踏板图1.6金属-塑料一体化连接防撞梁Chu等[88]以一种包含定性指标和定量指标的多目标轻量化评估方法，在材料成本（MC），总质量（MA），冲击能量吸收（EA），最大变形（MD）和峰值冲击力（PF）以及易于制造性（EM）和可回收性（RE）对比分析了高强度钢（HSS）、塑料-金属混合（PMH）（如图1.6所示）、玻璃纤维增强铝板（GLARE）三种保险杠梁。通过该评价方法分析获得三种防撞梁的次序是PMH>HSS>GLARE。Grujicic[89]深入研究了金属与聚合物连接时的相互作用，对成型过程进行了模拟，并讨论了金属-聚合物成型与汽车制造工艺的兼容性。结果显示，该技术的应用能够在降低车辆重量的同时达到降低成本的目的。金属与塑料一体化连接成型的紧密结合也表现在相关产品的气密性及防水效果上，对于气密性的研究得出，在高低压压差为49kPa的氦气与氩气气体室，
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本文编号：2866374