论文部分内容阅读
激光透射焊接已广泛应用于聚合物之间的焊接。尼龙66和聚乙烯作为常用的塑料,在汽车等行业应用很广泛。但尼龙66和聚乙烯两者极性差异太大,无法直接用激光进行透射焊接。针对这一问题本文通过对聚乙烯进行改性来改善聚乙烯与尼龙66的激光透射焊接性能,实现良好焊接,探究改性聚乙烯和尼龙66激光透射可焊性的机理,并对改性聚乙烯和尼龙66的焊接工艺和温度场数值模拟进行了探究。首先,对聚乙烯分别进行了甲基丙烯酸缩水甘油酯和马来酸酐改性,探究了改性对聚乙烯热学力学和光学属性的影响。发现改性对聚乙烯热学力学的影响不大,而在光学属性(包括材料的透射率,吸收率和反射率)方面,改性对聚乙烯与尼龙66之间的激光透射焊接是有益的。其次,探究了改性聚乙烯与尼龙66激光透射可焊性的机理。通过焊缝区域的微观形貌观测和断裂形式分析,研究结果表明:改性使聚乙烯与尼龙66在热熔状态下更加容易相互扩散,最后在焊缝区域形成了类似铆钉的锁紧结构,这是导致焊接性能得到大幅度提高的原因之一,且马来酸酐改性的效果比甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的效果更好;而焊缝区域的气泡在一定程度上对提高焊接强度有一定的益处,但是过高激光功率导致的过大的气泡会导致焊接强度降低;甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚乙烯与尼龙66焊接件的断裂形式是塑性和脆性的混合断裂形式,而马来酸酐改性聚乙烯与尼龙66焊接件的断裂形式是塑性断裂。通过接触角测量,发现改性提高了聚乙烯的极性,使聚乙烯与尼龙66之间的极性差异变小,相容性变强,这样有利于两者在热熔状态下的扩散。通过X射线光电子能谱分析(XPS),发现改性聚乙烯与尼龙66在焊接过程中发生了化学反应,这也是导致焊接性能得到大幅度提高的另外一个重要的原因。随后,研究了激光透射焊接工艺参数(激光功率,扫描速度和夹紧力)对改性聚乙烯与尼龙66焊接性能的影响,发现随着激光功率的增大,焊缝宽度呈现出增大的趋势,随着扫描速度的增大,焊缝宽度随之逐渐下降,随着夹紧力的增大,焊缝宽度先增大后减少;焊接强度随着激光功率,扫描速度和夹紧力的增大都是先增大后减少。接着研究了改性聚乙烯与尼龙66的线能量-焊接强度曲线,发现马来酸酐改性聚乙烯与尼龙66的焊接强度更高,且因为马来酸酐改性聚乙烯的透射率更小,导致马来酸酐改性聚乙烯与尼龙66的线能量-焊接强度曲线在甲基丙烯酸缩水甘油酯改性聚乙烯与尼龙66的线能量-焊接强度曲线的右侧。通过响应曲面法,建立了激光透射焊接马来酸酐改性聚乙烯和尼龙66的焊接质量(焊缝宽度和焊接强度)的数学模型,探究了焊接工艺参数对焊接质量的交互式影响,对模型进行了验证,并使用数学模型对焊接工艺进行了优化,给出了最优工艺参数组合,为工业生产提供指导。最后,使用有限元软件对激光透射焊接马来酸酐改性聚乙烯与尼龙66过程中的温度场进行了有限元模拟。研究了不同工艺参数下温度场分布情况,分析了焊缝宽度,最高温度随激光功率和扫描速度的变化趋势,并对模拟获得的焊缝宽度结果与实验结果进行了对比,结果表明模型是可靠的。