热塑性塑料激光透射焊接机理和工艺的研究

上海交通大学硕士学位论文PMMA/ABS热塑性塑料激光透射焊接机理和工艺的研究姓名：李姣申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：唐新华20080201上海交通大学硕士论文PMMA/ABS热塑性塑料激光透射焊接机理和工艺的研究摘要热塑性塑料的激光透射焊接以其优良的焊接质量、易于控制、可焊接微小零件（尺寸小于500μm）等诸多优点成为人们研究的热点，特别是汽车热塑性零件，激光透射焊接已成为该领域的首选加工方法。但是国内对于该课题的研究还非常少，无论是理论的研究，还是产业化方面都无法与国外相比。因此，开展塑料激光透射焊接研究有着十分重要的意义。本文首先研究了塑料激光焊接的机理，得出：不仅要考虑光与聚合物的相互作用；还要想到塑料的热学性能（玻璃化转变温度、粘度、热导率、热膨胀性等）与金属不同，所以采用搭接结构比较合适。其次，设计并确定了激光透射焊接的实验方案，包括选择激光器、焊接材料、焊接方法，设计焊接夹具，为了研究焊接因素对焊接质量的影响，对焊接样品进行破坏性拉伸试验和金相试验。结果表明：对于PMMA和ABS的激光透射焊接，在有夹具夹持的条件下，可以用能量密度进行定量判定：当焊缝宽Φ=5mm，焊接速度v=5mm/s，能量密度ED=0.364J/mm2，焊接强度昀高，焊接质量昀好；当ED0.364J/mm2，两种材料在界面处由范德华分子力粘在一起，并未焊牢；当ED∈[0.368，I上海交通大学硕士论文0.376]J/mm2，一般也认为是焊牢，但由于焊接功率大于昀优焊接功率，造成少量ABS的热分解，裂解产物又有少部分燃烧，因此形成小的黑色空洞，所以焊接强度下降；当ED0.376J/mm2，因激光功率过高，造成ABS大量的热分解，焊缝里形成很多连接在一起的黑色空洞，造成焊缝未焊牢，焊接强度明显下降。由于研究与确定焊接工艺参数需要通过大量的实验，耗费大量的人力和物力，文本尝试使用ANSYS有限元分析软件进行焊接温度场的模拟，以此确定有效的焊接能量参数。本文在焊缝宽Φ=3mm，焊接速度v=30mm/s，焊接功率P=20W、28W和35W时，分别进行温度场的模拟，得到的结果与真实的实验结果吻合良好。关键词：激光透射焊接，热塑性塑料，能量密度，有限元数值模拟，温度场II上海交通大学硕士论文MECHANISMANDTECHNICSRESEARCHOFPMMA/ABSTHERMOPLASTICLASERTRANSMISSIONWELDINGABSTRACTMoreandmorepeoplearehighlightinglasertransmissionweldingofthermoplasticbecauseofsomanyadvantages,suchasexcellentweldingquality,easytocontrol,availableformicro-welding(seamlessthan500μm)andsoon.Especiallythermoplasticinautomobileindustry,lasertransmissionweldingisthefirstchoiceinthisfield.However,therearefewdomesticstudiesonthisresearchsubject,whichresultshugegapbetweendomesticandforeignontheoryandindustrialization.Therefore,researchonlasertransmissionweldingofthermoplastichasasignificantmeaning.Firstofall,thepaperstudythemechanismofplasticlasertransmissionweldingandreachaconclusion:notonlythelightmatterinteractionmusttakeintoconsideration,butalsothethermalbehaviorofpolymer(suchasglasstemperature,viscosity,heatconductivity,heatexpansion),becauseIII上海交通大学硕士论文thesebehaviorsarequitedifferentfrommetal.Itisprovedthatoverlapweldisthepreferredgeometry.Then,experimentalschemeisplotted,includingchoosinglaserequipment,weldingmaterials,weldingmethodanddesigningnewfixturewhichisspecialforlasertransmissionwelding.Anddestroyingtensilestrengthandmetallographicmicroscopyareconductedforexperimentalsamplesinordertoinvestigatetheinfluenceofweldingfactorsonweldingquality.Asaresult,PMMA/ABSlasertransmissionwelding,intheconditionofclamping,canusetheEnergyDensity(ED)todeterminetheweldingqualityquantificationlly.Whenseamwidthis5mmandfeedrateis5mm/s,ifEDisequalto0.364J/mm2,theweldingintensityisthehighestandtheweldingqualityisthebest.IfEDislessthan0.364J/mm2,thereisnoweld,justanadhesionintheinterfaceofPMMAandABS.IfEDisbetween0.368J/mm2and0.376J/mm2,itiscommonlythoughttoweld,butbecausetheEDishigherthantheoptimalED,theabsorbingmaterialABSisdecomposed.Andthedecompositioniscombustible,causingtheblackcavitiesandtheweldingintensitydown.IfEDisabove0.376J/mm2,theabsorbingmaterialABSisdecomposedlargely,therefore,theblackcavitiescanconnecttogetherandtheweldingintensityisobviouslydown.AlltheabovecauseIV上海交通大学硕士论文badweld.Atlast,thepaperattempttousetheANSYSsoftwaretosimulatetheweldingtemperaturefield,inordertoreducethecostofthemanpowerandmaterialresourcesbecauseofthelargenumbersofexperiments.Respectivelywesimulatethetemperaturefieldofthelaserpower20W,28Wand35Watthesametimetheseamwidth3mmandthefeedrate30mm/s.Andtheresultsofthesimulationcanmatchtherealexperiments.KEYWORDS:lasertransmissionwelding,thermoplastic,energydensity,FEMnumericalsimulation,temperaturefieldV上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1引言随着石油的大规模开采使用和石油化工工业的高速发展，塑料作为一种工程材料，成本低廉、获取方便（石油炼化工业的产品）、加工成型技术简单快捷、成品重量轻、物理特性优良（比强度高、耐腐蚀、摩擦力小等）、能够提供各种工程性能，其应用非常广泛。塑料作为钢铁、铝、镁等金属和其他一些非金属材料在工程上的替代品，在工业制造和日常生活中的使用都越来越普遍，被广泛地应用于航空、船舶、汽车、电器、包装、玩具、电子和纺织等行业。但是，由于注塑、挤出加工工艺等方面的原因，相当一部分形状和结构复杂的塑料产品不能一次加工成型，这就需要一种工艺把多个零部件无缝连接到一起。通常塑料及其复合材料的连接方法有三种：机械连接、黏合剂黏结和焊接。(1)机械连接包括使用如金属或塑料螺钉的单独紧固件，进行铆合或压合接头连接。(2)黏合剂黏结是将黏合剂涂于将要连接的部件之间，起到连接各部件的作用。(3)焊接是通过加热将界面处的聚合物熔融或软化，在一定的压力和时间作用下，从而使聚合物分子链通过界面进行扩散形成链缠结，昀终获得焊接点强度。焊接方法又根据所采用的加热方式分为两大类：外加热和内加热[]1。外加热法通过对流或传导来加热焊接表面，包括热工具焊、热气焊、挤出焊、内植感应焊和内植阻抗焊。内加热法是通过技术直接在材料内部产生热源，从而取代外部加热。它分为两类：机械加热和电磁加热。机械内加热法是通过表面摩擦或分子间摩擦将机械能转化为热，包括超声波，振动和旋转焊接。电磁内加热法依赖于吸收电磁辐射从而转化为热，包括红外线，激光，射频和微波焊接。传统的热塑性塑料的连接方法有许多弊病：采用螺钉、卡环等机械连接强度不易达到要求且不能对连接表面质量有所要求；黏结剂黏结方法，需经过表面打毛、涂胶、粘接、固化、电烙铁烫平、修整等工序，全部采用手工操作，劳动强度大，工序多，生产效率低，质量难以保证，而且黏结剂的挥发成分污染环境，影响操作1上海交通大学硕士学位论文人员的身体健康；采用外部加热焊接，塑料件容易和加热源粘结在一起，且会造成空气污染；内植焊接的植入物要留在焊接面上，不利于回收；机械内加热法会使昀终产品有振动应力和热应力的残余，加速制品的老化。而激光焊接能生成精密、牢固和密封（不透气和不漏水）的焊缝，而且树脂降解少，产生的碎屑少，由于激光的非接触特性，不会产生污染。另一个优点是激光焊接比采用其他连接方式所产生的振动应力和热应力小，意味着制品或者装置的内部组织的老化速度更慢，因此更适合应用于易损坏的制品如电子传感器或微电机系统（MEMS）的制造[]2。1.2塑料激光透射焊接国内外研究现状1.2.1国内外理论研究1).国外理论研究国外对激光焊接塑料技术的理论研究比较广泛和深入，主要包括以下几个方面：(1)焊接工艺参数的研究激光焊接塑料的过程受众多因素的影响，比如：激光器的功率、实验材料厚度和种类、焊