304不锈钢与塑料异种材料激光振荡扫描焊接工艺及机理研究

论文摘要

塑料与金属在使用性能上有良好的互补性,将塑料与金属连接可以实现结构轻量化,为工业生产带来很高的经济效益,但是传统机械连接和化学胶结分别存在密封性和环境污染问题。激光焊接由于具有效率高、无接触、能量控制精确等优点而逐渐受到塑料与金属异种材料连接研究的关注。本文引入振荡扫描激光焊接工艺（圆形扫描方式）来尝试提高塑料与金属异种焊缝的质量,并基于304不锈钢和PA66/PET塑料研究了其工艺特性和结合机理。主要研究结果如下:首先,基于正交试验和方差分析法探讨了不同工艺参数对304不锈钢/PA66塑料激光扫描热传导焊缝剪切强度的影响规律。结果表明焊缝界面可划分为三个区域:完全熔化区域（CMZ）、部分熔化区域（PMZ）和软化区域（SZ）。PMZ相对于整个焊缝界面的面积占比是决定焊缝剪切强度的主要因素,当PMZ面积占比从35.9%提高到52%时,对应的焊缝剪切强度从2.9 MPa提高到了7.75 MPa。研究发现C-O-Cr化学键主导的结合力是界面结合的主要作用力。PMZ中C-O-Cr化学键的相对含量是CMZ的2倍,因此具有更高的结合强度。正交试验表明增大激光束振荡频率有利于增加PMZ面积占比,从而对焊缝剪切强度影响最显著,其贡献百分比为63.07%;另外,扫描半径影响最小,其贡献百分比仅为5.49%。其次,研究了304不锈钢/PET塑料激光透射焊接的工艺特性,发现焊缝形貌可分为两类:一类是焊缝中心区域气孔明显大于两侧的非均匀性焊缝;另一类是各区域气孔大小相近的均匀性焊缝。假设激光光斑能量分布均匀的前提下,分析了不同扫描半径下一个圆扫周期内的能量分布规律,发现当扫描半径（r）与光斑半径（r0）满足r0≤r≤1.25r0关系时,焊缝表现为均匀性焊缝。实验得到的激光扫描透射焊接最优工艺参数为:激光功率300 W,焊接速度50 cm/min,正离焦20 mm,光束扫描半径2 mm,振荡频率为300 Hz。在此条件下,焊缝成形良好,剪切拉力为1036 N,达到PET母材强度的78.1%。最后,对比研究了304不锈钢/PET塑料热传导焊接和透射焊接工艺特性,发现热传导焊接和透射焊接主要在气孔形成方面存在差异。热传导焊缝气孔在膨胀时同时受到上下两个方向的挤压力,容易从母材间隙排出,而透射焊缝内气孔仅受单方向向上的反作用力,气孔容易膨胀熔合。热传导焊缝中气孔率的降低有利于增加有效连接面积,且其更容易形成C-M和C-O-Cr化学键加强界面结合,因而热传导焊缝剪切性能优于透射焊缝。在相同工艺参数下,304不锈钢/PET塑料激光热传导焊缝剪切拉力由透射焊接时的1036 N提高至1283 N,达到了母材的96.7%。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 塑料与金属异种材料连接概述

1.3 塑料与金属异种材料激光焊接研究现状

1.4 塑料与金属异种材料激光振荡扫描焊接可行性分析

1.5 本课题的研究内容和研究意义

2 实验设备、材料及研究方法

2.1 激光焊接平台

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.4 焊缝组织性能分析方法

2.5 本章小结

3 304不锈钢与PA66 塑料激光热传导焊接工艺研究

3.1 前言

3.2 工艺方案对比

3.3 激光扫描焊缝质量成形和力学性能

3.4 工艺参数对焊缝成形及力学性能的影响

3.5 PA66 塑料/304SS焊缝成形机理

3.6 本章小结

4 304不锈钢与PET塑料激光透射焊接工艺研究

4.1 前言

4.2 透射焊缝成形特征

4.3 透射焊缝力学性能研究

4.4 透射焊缝拉伸断面分析

4.5 透射焊缝结合机理

4.6 本章总结

5 304不锈钢与PET塑料激光透射焊接与热传导焊接工艺对比

5.1 前言

5.2 透射焊缝与热传导焊缝质量对比

5.3 透射焊缝与热传导焊缝成形过程比较

5.4 本章总结

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录攻读硕士学位期间发表论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 廖伟

导师: 高明

关键词: 不锈钢,塑料,异种材料连接,激光振荡扫描焊接,热传导焊接,透射焊接,气孔

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,金属学及金属工艺,无线电电子学

单位: 华中科技大学

分类号: TG456.7;TN249

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000751

总页数: 82

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