TC4与PBTCF30的激光直接连接

作     者：李成杰 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘会霞

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：激光直接连接 钛合金 碳纤增强聚合物 中间层 金属表面织构 工艺参数优化 

摘      要：近年以来,轻质合金和碳纤增强型聚合物在各行业产品结构轻量化设计中的应用越来越广泛,使得金属与聚合物的连接成为必不可少的需求,激光直接连接技术已成为解决这一问题的有效途径与研究热点。本文选择钛合金TC4和碳纤增强聚合物PBTCF30材料,使用半导体连续激光器进行了激光直接连接,实验探究了其连接性能与连接机理,并进行了工艺参数建模与优化。主要研究内容与成果如下:1)TC4与PBTCF30的激光直接连接性能及机理研究:(1)对未添加中间层的钛合金与PBTCF30进行激光直接连接证明其可行性,并进行单因素实验。实验结果表明,连接强度随激光连接功率和连接速度的增大呈现先增大后减小的趋势,但总体二者之间连接强度较低。(2)用不同激光连接工艺参数进行添加中间层PC的激光直接连接实验,并改变PC层厚度,研究其对连接质量的影响。结果表明,适当厚度的PC层的添加能有效提升连接强度,随着输入激光能量的增大,连接强度最大时对应的PC层厚度也越大。(3)连接机理研究:通过接头处横截面形貌观测发现,PBTCF30基体材料与PC材料熔化后会流入金属表面粗糙凹坑中形成机械铆接;通过流变实验测试发现所添加中间层PC流动性优于下层PBTCF30材料,能够更好地流入金属表面粗糙凹坑中,从而提升连接性能;XPS分析发现添加的PC中间层能够与TC4反应,形成Ti-O化学键,说明在连接界面处存在化学键是形成界面连接的另一机理。2)基于表面织构的TC4与PBTCF30激光直接连接性能及机理研究:(1)在金属表面通过皮秒脉冲激光进行织构处理,改变激光扫描直径、扫描间距扫描次数,得到不同直径和深度的微孔造型并记录不同参数下的预处理时间。(2)通过单因素实验研究各织构参数和预处理后连接功率和连接速度对接头强度的影响。结果表明,随着各织构参数和连接参数的增大,连接强度先增大后减小。(3)连接机理研究:PBTCF30材料在熔融状态能够充分填充TC4表面微孔造型,使得机械铆接效应显著增强,是连接强度增大的主要因素。但连接功率过高会导致PBTCF30内部分解现象加剧,产生较大尺寸气泡且当微孔织构过深时,孔内气体无法及时逸出,易在连接界面处形成孔隙,对连接强度的提升产生影响;XPS分析表明,连接界面存在Ti-O、Ti-C化学键是连接强度形成的又一因素。3)激光直接连接工艺参数建模与优化研究:(1)选择对连接性能较好的表面织构处理的钛合金与PBTCF30的连接进行工艺参数优化研究。通过响应面法建立了各工艺参数与连接强度及预处理时间的数学模型,并验证所建模型可靠性较高,分析了各工艺参数组合对预处理时间和连接强度的交互式影响。结果表明,扫描间距对预处理时间的影响最大,扫描次数次之,扫描直径最小;织构扫描间距与次数、扫描间距与连接速度、连接功率与连接速度对连接强度的交互式影响较大。(2)使用Matlab与加速粒子群优化算法在两种准则下对工艺参数进行单目标与多目标优化,得到了不同准则下对应的最佳工艺参数组合。本文为激光直接连接TC4与PBTCF30在实际生产中的应用奠定了理论基础,并提供了技术支持,同时也为其他金属与增强型聚合物之间的激光直接连接提供了新途径。