基于粗糙表面的激光透射焊接PC熱傳遞與數(shù)值模擬

發(fā)布時間：2020-07-13 23:58

【摘要】：激光透射焊接具有焊速高、熱影響區(qū)小、無殘渣、焊縫變形小等優(yōu)點,已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展必不可少的加工方法。熱塑性塑料的激光透射焊接過程是一個非穩(wěn)態(tài)不均勻溫度場形成與發(fā)展、機械力持續(xù)作用和塑料形成流動等方面相互耦合共同作用的復(fù)雜過程,基于理想接觸表面的理論研究和單一物理場的分析研究已不能滿足生產(chǎn)實際的要求。因此,需要考慮真實粗糙表面與多個物理場耦合的影響,對進(jìn)一步探明激光焊接過程中能量傳輸與轉(zhuǎn)換、焊縫的形成具有理論意義,對汽車工業(yè)、航天及生物醫(yī)藥裝備制造等行業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的實際意義。本文以聚碳酸酯(PC)為研究對象,基于焊接試件三維粗糙表面模型,建立熱傳遞數(shù)學(xué)模型,解析三維粗糙表面形貌引起的接觸面間空隙對熱傳遞的影響規(guī)律;構(gòu)建基于粗糙表面的三維有限元模型,探討焊接工藝參數(shù)對溫度場、流場以及兩場耦合場的影響機理;建立激光透射焊接工藝參數(shù)與焊接質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型,對激光透射焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。研究內(nèi)容如下:首先,研究激光透射焊接過程中激光光束與焊接試件的相互作用,測量了PC透光試件與吸收試件的透射率、反射率和吸收率,研究吸光試件不同粗糙表面對反射率和吸收率的影響。其次,采用三維表面重構(gòu)對焊接試件三維粗糙接觸表面進(jìn)行建模,確定分形為三維表面重構(gòu)的方法,測定焊接試件粗糙表面輪廓,確定其分形維數(shù)與尺度系數(shù)等參數(shù),利用各項異性三維W-M函數(shù)確定接觸面的幾何模型以及數(shù)值計算模型,通過三維軟件建立實體模型。再次,采用響應(yīng)曲面法作為焊接實驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果的分析方法,建立焊接工藝參數(shù)與接觸熱導(dǎo)率之間的數(shù)學(xué)模型。通過單因素實驗確定激光功率、焊接速度與夾緊力的范圍。采用焊接實驗確定實驗焊縫寬度,通過仿真模擬確定接觸熱導(dǎo)率�；陧憫�(yīng)曲面法建立了接觸熱導(dǎo)率的數(shù)學(xué)模型,得到描述接觸熱導(dǎo)率和焊接工藝參數(shù)的二次多項式方程。通過預(yù)測結(jié)果和實驗結(jié)果對比,來驗證模型的準(zhǔn)確性。采用響應(yīng)曲面法作為焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化方法,建立三因素五水平試驗方案,以激光功率、焊接速度、夾緊力為自變量,焊縫處的焊接強度與焊縫寬度為因變量,建立焊接工藝參數(shù)與焊接質(zhì)量之間的數(shù)學(xué)模型,對焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。最后,采用ANSYS對激光透射焊接PC過程中進(jìn)行溫度場與流場模擬�？紤]了PC透光件的光學(xué)屬性對激光特性的影響,測量吸收件表面的激光功率和光斑直徑,根據(jù)吸收試件與激光的相互作用建立吸收試件的體熱源模型。根據(jù)接觸熱導(dǎo)率模型確定不同焊接工藝參數(shù)下的接觸熱導(dǎo)率。對激光透射連接PC的溫度場、流場進(jìn)行模擬分析,確定焊接工藝參數(shù)對溫度場與流場的影響規(guī)律。本文的研究成果為明晰激光焊接過程中不同工藝參數(shù)的共性機理研究提供了有益幫助,對研究與發(fā)展精確、高效、低成本的激光透射焊接工藝和裝備具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值,同時也為聚碳酸酯在工業(yè)中的普遍應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG456.7
【圖文】：

焊接應(yīng)用,激光,吸光