基于铜膜中间层的聚碳酸酯激光透射焊接残余应力与工艺研究

作     者：姜沐晖 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王传洋

授予年度：2020年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光透射焊接 铜膜 残余应力 工艺优化 热-流耦合 热-固耦合 

摘      要：激光透射焊接（LTW）因为高焊接强度、无振动、无接触或微粒、热影响区小、非接触、效率高等优点,满足高精度制造的需求,逐渐成为了主流的塑料加工技术。激光透射焊接是由热力学、力学和聚合物流变学相互作用、耦合的复杂过程。焊接时,聚合物通过加入吸收激光的染料以获得更高的激光吸收速率,相较于其他金属、碳黑（CB）、Clearweld等,金属铜的导热性更好,可焊性更高,因此,本文选用金属铜代替染料作为吸收剂。由于焊缝热影响区（HAZ）温度剧烈变化以及分布不均匀,使得焊接件发生热变形,导致焊件接头处产生不利于结构刚度和承载能力的残余应力,所以,针对激光透射焊接工艺参数对焊接质量的影响进行研究,对减少焊接残余应力、提高焊接强度有重要的实际意义。本文以聚碳酸酯（PC）为研究对象,选用铜膜作为吸收剂,分析了 PC/Cu/PC激光透射焊接焊缝形貌和形成原理;利用小孔法测量焊接件焊缝中心位置的残余应力并研究了残余应力的分布,通过开展响应曲面实验研究焊接功率、焊接速度、铜膜的宽度对焊接强度和残余应力以及焊缝形貌的影响,并对工艺参数进行优化;建立了包含铜膜的热-流耦合以及热固耦合三维有限元模型,探讨了温度场、流场、应力的分布。本文主要的研究内容如下:首先,进行实验材料的制备,测量了 PC和铜膜的透射率、反射率、热膨胀系数等物理性能参数。进行了 PC/Cu/PC激光透射焊接实验,研究其可焊性、焊缝形貌及相关机理,分析了气泡、拉断面形貌、热膨胀等物理现象的特征及形成原因。通过有限元法确认了小孔法和逐层钻孔法的释放系数。利用小孔法测量了板件的中心位置的残余应力和板件不同位置的残余应力,逐层钻孔法测量焊件不同厚度的残余应力,从而探究了残余应力的分布。接着,通过开展单因素实验确定PC/Cu/PC激光透射焊接的焊接工艺参数范围。此过程中,主要研究了工艺参数（焊接功率、焊接速度、铜膜宽度）对焊接强度、残余应力、焊缝微观形貌的影响。对铜膜的变形深度及面积进行统计,研究了铜膜变形对焊接强度和残余应力的影响。通过响应曲面实验（RSM）建立焊接工艺参数与焊接强度和残余应力的数学模型,利用布谷鸟算法对工艺参数进行优化并获得了最佳工艺参数。然后,基于统一的动量方程,建立了基于铜膜中间层的聚碳酸酯激光透射焊接流-固耦合有限元模型,考虑了聚合物焊接时存在熔化和凝固的现象,通过仿真的方法再现了焊接过程中固体、液体以及固液（或糊状）的混合物共存并相互作用的现象。对激光透射焊接PC/Cu/PC的温度场、流场及热应力的数值及分布规律进行了研究,分析了材料相变对热应力布的影响。最后,开发了热-机械耦合计算模型,对激光焊接PC/Cu/PC的热应力及残余应力分布进行数值评估。根据传热条件计算残余应力分布,强调了热参数的时间依赖性对残余应力分布的影响,基于热粘弹性本构方程,利用COMSOL导入热粘弹性参数进行计算,对模拟结果进行讨论,并与实验结果进行比较。本文的研究为金属吸收剂激光透射焊接研究提供了有价值的参考,对于残余应力的研究有利于开发工艺参数来完成高质量的焊接,模拟仿真对研究激光透射焊接热应力具有理论意义和参考价值。