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热塑性塑料以其质量轻、耐腐蚀、耐氧化、导电率低、加工成型简单快捷、节能抗震和装饰效果好等特点在汽车上的应用越来越多,随之而产生的车用异种热塑性塑料之间的连接问题是当前迫切需要解决的重要问题之一。激光透射连接技术作为连接异种热塑性塑料的一种新型连接技术,已经成为当前国内外的一个研究热点。
本文选择汽车上常用的聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)和玻纤增强型尼龙66(PA66GF)作为试验材料,采用响应曲面试验设计与优化方法,并结合有限元分析,针对PC与POM、PC与PA66GF之间的激光透射连接工艺进行了系统的研究。
首先,应用半导体激光连接系统,采用单因素工艺分析,对激光透射连接PC和POM、PC和PA66GF两组材料的连接工艺进行了研究。通过单因素工艺研究了激光功率、扫描速度和光斑直径等主要工艺参数对连接宽度、熔池深度与连接强度的影响,探讨了夹具夹紧力对连接宽度和连接强度的影响;得到了激光透射连接PC和POM、PC和PA66GF两组材料的工艺参数窗口,确定了激光透射连接PC和POM、PC和PA66GF两组材料合理的工艺参数范围;针对固定光斑直径的激光设备和可调光斑直径的激光设备两种情况,分析了线能量和激光能量密度对异种热塑性塑料激光透射连接的连接质量的影响。
其次,采用响应曲面试验设计方法,对PC和POM、PC和PA66GF两组材料的激光透射连接工艺进行数学建模与优化研究。建立了线能量、光斑直径和夹紧力与连接宽度和连接强度之间的数学模型,采用方差分析方法得到了主要工艺参数以及它们之间的相互作用对连接质量的影响,并采用数值优化方法对主要的工艺参数进行了优化,从而为提高激光透射连接PC和POM、PC和PA66GF两组材料的连接质量提供了保障。
最后,采用有限元的方法建立了激光透射连接PC和POM、PC和PA66GF两组材料的数学模型,利用ANSYS的APDL语言编程实现激光热源的动态加载,得到了激光透射连接的温度场分布,模拟计算出了激光功率、扫描速度等工艺参数对连接宽度和熔池深度的影响。通过与试验结果进行对比,发现两者趋势吻合,证明了模型的可靠性,为工艺参数的优化奠定了基础。
本文的研究为激光透射连接PC和POM、PC和PA66GF两组材料在汽车轻量化领域中的应用奠定了基础。