【摘要】：塑料與金屬在使用性能上有良好的互補性,將塑料與金屬連接可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化,為工業(yè)生產(chǎn)帶來很高的經(jīng)濟(jì)效益,但是傳統(tǒng)機(jī)械連接和化學(xué)膠結(jié)分別存在密封性和環(huán)境污染問題。激光焊接由于具有效率高、無接觸、能量控制精確等優(yōu)點而逐漸受到塑料與金屬異種材料連接研究的關(guān)注。本文引入振蕩掃描激光焊接工藝(圓形掃描方式)來嘗試提高塑料與金屬異種焊縫的質(zhì)量,并基于304不銹鋼和PA66/PET塑料研究了其工藝特性和結(jié)合機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:首先,基于正交試驗和方差分析法探討了不同工藝參數(shù)對304不銹鋼/PA66塑料激光掃描熱傳導(dǎo)焊縫剪切強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明焊縫界面可劃分為三個區(qū)域:完全熔化區(qū)域(CMZ)、部分熔化區(qū)域(PMZ)和軟化區(qū)域(SZ)。PMZ相對于整個焊縫界面的面積占比是決定焊縫剪切強度的主要因素,當(dāng)PMZ面積占比從35.9%提高到52%時,對應(yīng)的焊縫剪切強度從2.9 MPa提高到了7.75 MPa。研究發(fā)現(xiàn)C-O-Cr化學(xué)鍵主導(dǎo)的結(jié)合力是界面結(jié)合的主要作用力。PMZ中C-O-Cr化學(xué)鍵的相對含量是CMZ的2倍,因此具有更高的結(jié)合強度。正交試驗表明增大激光束振蕩頻率有利于增加PMZ面積占比,從而對焊縫剪切強度影響最顯著,其貢獻(xiàn)百分比為63.07%;另外,掃描半徑影響最小,其貢獻(xiàn)百分比僅為5.49%。其次,研究了304不銹鋼/PET塑料激光透射焊接的工藝特性,發(fā)現(xiàn)焊縫形貌可分為兩類:一類是焊縫中心區(qū)域氣孔明顯大于兩側(cè)的非均勻性焊縫;另一類是各區(qū)域氣孔大小相近的均勻性焊縫。假設(shè)激光光斑能量分布均勻的前提下,分析了不同掃描半徑下一個圓掃周期內(nèi)的能量分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描半徑(r)與光斑半徑(r_0)滿足r_0≤r≤1.25r_0關(guān)系時,焊縫表現(xiàn)為均勻性焊縫。實驗得到的激光掃描透射焊接最優(yōu)工藝參數(shù)為:激光功率300 W,焊接速度50 cm/min,正離焦20 mm,光束掃描半徑2 mm,振蕩頻率為300 Hz。在此條件下,焊縫成形良好,剪切拉力為1036 N,達(dá)到PET母材強度的78.1%。最后,對比研究了304不銹鋼/PET塑料熱傳導(dǎo)焊接和透射焊接工藝特性,發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)焊接和透射焊接主要在氣孔形成方面存在差異。熱傳導(dǎo)焊縫氣孔在膨脹時同時受到上下兩個方向的擠壓力,容易從母材間隙排出,而透射焊縫內(nèi)氣孔僅受單方向向上的反作用力,氣孔容易膨脹熔合。熱傳導(dǎo)焊縫中氣孔率的降低有利于增加有效連接面積,且其更容易形成C-M和C-O-Cr化學(xué)鍵加強界面結(jié)合,因而熱傳導(dǎo)焊縫剪切性能優(yōu)于透射焊縫。在相同工藝參數(shù)下,304不銹鋼/PET塑料激光熱傳導(dǎo)焊縫剪切拉力由透射焊接時的1036 N提高至1283 N,達(dá)到了母材的96.7%。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TG456.7;TN249
【圖文】：

以下幾個方面：（1）航空航天領(lǐng)域[17]：CFRTP 材料制作機(jī)翼前緣、壓力容器、引擎罩等構(gòu)（2）汽車領(lǐng)域：燈罩、車門電子鎖、發(fā)動機(jī)罩、蓄電池箱等[18]；（3）生物器件領(lǐng)域：生物基工程塑料聚氨酯、可生物降解聚氨酯[19]；（4）自動化領(lǐng)域[20]：塑料產(chǎn)品與自動化領(lǐng)域一直強調(diào)的柔性制造系統(tǒng)的理常契合。（5）電子封裝領(lǐng)域：手機(jī)、固定電話等各種電子產(chǎn)品。具體應(yīng)用實例如圖 1示�？梢�，在各個領(lǐng)域中塑料與金屬異種材料連接件的需求量很大。有研究表明在最大的民用飛機(jī) A380 機(jī)身上有 22%質(zhì)量的部件采用了 CFRTP 材料，其燃油消以降低 13%左右。另有數(shù)據(jù)表明[18]，德國汽車制造中塑料平均占總材料的 15%，國這一比例僅為 7%。因此，尚需進(jìn)一步加強對塑料與金屬異種材料連接技術(shù)的研以減少這一差距。

（1）機(jī)械連接機(jī)械連接是指使用螺栓或者鉚釘[8, 21]、搭扣將塑料和金屬連接在一起，具體包接、螺栓連接、壓力裝配、搭扣連接等，塑料與金屬件鉚接示意圖如圖 1-2a 和 b 所機(jī)械連接大部分是通過外部壓力使連接處產(chǎn)生局部變形通過機(jī)械咬合的方式結(jié)合起。由于熱鉚接應(yīng)用較多，目前對于機(jī)械連接的研究主要集中于熱鉚接。但是熱工藝較繁瑣，有些需要在金屬表面預(yù)先制孔，限制了工件的設(shè)計自由度。同時熱鉚22]破壞了接頭表面的完整性，如圖 1-2c 和 d 所示，無法適用于精密連接，同時加程中有高負(fù)載，需要可靠的夾緊系統(tǒng)[1]，并且結(jié)合強度不夠穩(wěn)定。機(jī)械連接具有加工成本低且螺栓連接強度等優(yōu)點[23]，但其密封性差、容易造力集中、工藝瑣碎不利于實現(xiàn)自動化、外部緊固件的使用會增加接頭的重量不利量化。

的地方；膠黏劑的老化會影響連接件的使用壽命，同時化學(xué)膠黏劑揮發(fā)會污染環(huán)境。（3）熔接熔接主要是指塑料在連接過程中存在熔化和再凝固現(xiàn)象，同時金屬也可能發(fā)生部分熔化。熔接最主要的形式為焊接，如熱工具焊接、電阻絲焊接、熱氣焊接、激光焊接[27]、電磁感應(yīng)焊接、超聲波焊接[28]和攪拌摩擦焊接[13]等。王希靖[29]等人對 2 mm 厚的 ABS 塑料板和 6082-T6 鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦點焊，發(fā)現(xiàn)將鋁合金板放在上方，塑料板放在下方的搭接方式有利于實現(xiàn)良好的連接，所得焊接接頭的抗拉剪載荷最大為 3.31 kN。K. Nakata 等人[7]利用攪拌摩擦焊接 PA6 與AA6061 鋁板（如圖 1-3 所示），研究了攪拌摩擦焊接參數(shù)對氣孔和焊縫強度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)增加攪拌頭轉(zhuǎn)速可以降低界面氣孔數(shù)量并且增加焊縫強度；通過電子顯微鏡對焊縫斷面形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同斷面形態(tài)對應(yīng)的強度不同。攪拌摩擦焊接對裝夾要求較高，多用于連接平面構(gòu)件，對于管材焊接不適用。

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本文編號：2744706