激光直接連接金屬與聚合物的試驗研究及數(shù)值模擬.pdf

1、近期以來，碳纖維增強聚合物（CFRP）和金屬合金在汽車、航空航天、化工等領(lǐng)域的零部件輕量化設(shè)計中的應(yīng)用逐漸增加，這使得對CFRP和金屬合金進(jìn)行連接成為一種重要和必需的趨勢，激光直接連接金屬與聚合物由于具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、效率高、加工柔性好的特點，已經(jīng)成為當(dāng)前輕量化設(shè)計領(lǐng)域的一個研究熱點。
　　本文選擇鈦合金(Ti-6Al-4V)和碳纖維增強尼龍(PA66CF20)作為試驗材料，使用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了激光直接連接鈦合金與PA66CF20的

2、試驗研究，并使用ANSYS軟件對連接過程的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　首先，使用半導(dǎo)體激光器對激光直接連接鈦合金與PA66CF20的可行性進(jìn)行研究，并在試驗中分析了激光工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度和離焦量）對連接質(zhì)量（接頭寬度和連接強度）的影響，觀測了金屬與聚合物的表面形貌隨激光功率的變化趨勢。結(jié)果表明，接頭寬度隨著激光功率的增加而增加，隨著掃描速度的增大而減小，隨著離焦量的增加先上升后下降；連接強度分別隨著激光功率、掃描速度和離焦

3、量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。試驗中觀測了鈦合金與PA66CF20連接界面處的橫截面微觀形貌，并使用X射線電子能譜儀(XPS)檢測剝離后的連接界面。分析結(jié)果表明，在聚合物與金屬之間形成了Ti-C與Ti-O化學(xué)鍵，在連接界面處存在的物理連接、化學(xué)連接和機械連接的共同作用使得形成具有一定強度接頭。
　　其次，通過采用試驗設(shè)計方法中的響應(yīng)曲面方法(RSM)，對激光直接連接鈦合金與PA66CF20進(jìn)行了試驗設(shè)計。根據(jù)得到的試驗結(jié)果，建立

4、了激光功率、掃描速度及離焦量與接頭寬度及連接強度的數(shù)學(xué)模型，驗證了試驗?zāi)Ｐ?，并對?shù)學(xué)模型進(jìn)行了方差分析。結(jié)果表明，使用RSM建立的數(shù)學(xué)模型能夠很好的反映出連接質(zhì)量與試驗工藝參數(shù)之間的關(guān)系，且預(yù)測值與試驗結(jié)果可以很好的吻合。試驗研究了激光直接連接所使用的工藝參數(shù)對連接質(zhì)量（接頭寬度和連接強度）的交互式影響趨勢，結(jié)果顯示激光功率和離焦量對連接質(zhì)量具有最大的交互式影響。使用兩種優(yōu)化準(zhǔn)則，通過滿意度函數(shù)對試驗工藝參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值優(yōu)化計算，分別得到

5、了不同優(yōu)化準(zhǔn)則下的最優(yōu)工藝參數(shù)。
　　再次，針對接頭連接強度的不足，受研究得到的連接機理中機械連接的啟發(fā)，提出一種對鈦合金表面使用皮秒激光器進(jìn)行織構(gòu)加工以提高連接強度方法，分析比較了四種不同的織構(gòu)方式對連接質(zhì)量的影響，并探究了不同的織構(gòu)深度下的連接質(zhì)量。試驗結(jié)果表明，通過金屬表面織構(gòu)可以有效的提高鈦合金與PA66CF20的連接質(zhì)量，橫向直線織構(gòu)(textureA)和縱向直線織構(gòu)(texture B)的連接強度都提高了約39.39％

6、，分別為9.13Mpa和9.21Mpa;折線織構(gòu)(texture C)的連接強度為8.84MPa;井字型織構(gòu)(texture D)對金屬與聚合物的接頭連接強度提高了25.95％?？棙?gòu)深度對連接強度具有顯著影響，在研究的織構(gòu)深度范圍內(nèi)，橫向直線織構(gòu)(texture A)深度的增加使得連接強度由9.13MPa上升至11.63MPa，連接強度隨著縱向直線織構(gòu)(texture B)深度的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。
　　最后，使用有限元